Brevet FR3030745A1 — publié le 20160624

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne un procédé de détermination de l'évolution d'un paramètre mécanique d'un matériau lors de son vieillissement ainsi qu'un ensemble pour la mise en oeuvre de ce procédé. Un mécanisme de vieillissement des élastomères est la thermo oxydation. Par ce mécanisme, l'oxygène de l'atmosphère ambiante diffuse dans le réseau polymère et provoque des réactions de réticulation du réseau. À cette réaction se superpose une réaction d'hydrolyse qui coupe les chaînes moléculaires. Comme la réticulation (c'est à dire le nombre de liaisons entre les chaînes moléculaires par unité de volume) contrôle les propriétés mécaniques, en vieillissant un élastomère devient soit rigide et cassant soit souple et friable. Le suivi des propriétés mécaniques au cours du temps est donc pour les élastomères un bon indicateur de l'état de vieillissement. Comme ces deux phénomènes sont thermiquement activés, les cinétiques de réaction chimique d'oxydation et d'hydrolyse sont accélérées lorsque l'on élève la température. Le vieillissement des élastomères est donc sensible à la température et l'humidité de l'environnement dans lequel il se produit. Les propriétés mécaniques étant de bons indicateurs de l'état de réticulation, le suivi de la cinétique de vieillissement fait le plus souvent appel à diverses techniques de mesure de ces propriétés. Les protocoles mis en place consistent à placer un échantillon dans une enceinte dans laquelle règne une atmosphère de vieillissement contrôlée et à le prélever périodiquement de cette enceinte afin de réaliser des essais mécaniques pour déterminer l'évolution des propriétés mécaniques de l'échantillon. Il est toutefois souhaitable d'améliorer encore la fiabilité et la simplicité de mise en oeuvre de tels procédés de contrôle. Il existe donc un besoin pour disposer de procédés et de dispositifs permettant de prédire de manière simple et fiable l'évolution des propriétés mécaniques d'un matériau comprenant un élastomère lors de son vieillissement. Objet et résumé de l'invention A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un procédé de détermination de l'évolution d'un paramètre mécanique d'un matériau lors de son vieillissement, dans lequel on réalise un essai de vieillissement d'un échantillon d'un matériau comprenant un élastomère durant lequel l'échantillon est maintenu dans le volume intérieur d'un boitier étanche sous une atmosphère de vieillissement contrôlée et durant lequel une contrainte mécanique est appliquée à l'échantillon, procédé dans lequel on effectue durant l'essai de vieillissement une pluralité de mesures d'au moins un premier paramètre mécanique de l'échantillon afin de déterminer l'évolution dudit premier paramètre mécanique durant l'essai de vieillissement. A la connaissance de l'inventeur, les procédés actuels de contrôle des propriétés mécaniques des matériaux comprenant un élastomère lors de leur vieillissement négligent l'effet de vieillissement induit par l'application d'une sollicitation mécanique. Lorsqu'il est soumis à une sollicitation mécanique durant son exposition à l'atmosphère de vieillissement, la configuration du réseau élastomère est susceptible d'une réorganisation à long terme par un mécanisme de glissement à l'échelle des chaînes moléculaires. Les effets produits par ce mécanisme de superposent à ceux induits par le vieillissement sous l'atmosphère de vieillissement. De plus suivant les matériaux, il peut exister un couplage entre ces deux phénomènes et les cinétiques de réactions chimiques (oxydation ou hydrolyse) peuvent être modifiées par la superposition de la déformation mécanique. Le procédé selon l'invention permet donc avantageusement d'analyser de manière fiable l'évolution des propriétés mécaniques d'un matériau lors de son vieillissement en tenant compte du vieillissement lié à l'application d'une contrainte mécanique. L'échantillon est maintenu dans le boitier durant tout l'essai de vieillissement. La contrainte mécanique est appliquée à l'échantillon durant tout l'essai de vieillissement et l'échantillon est soumis à l'atmosphère de vieillissement durant tout l'essai de vieillissement. Le boitier peut avantageusement être muni d'un dispositif d'application d'une contrainte mécanique permettant d'appliquer la contrainte mécanique à l'échantillon durant l'essai de vieillissement. Le fait de contrôler l'atmosphère régnant dans le boitier participe à contrôler précisément le vieillissement imposé et donc à fournir une prédiction fiable de la durée de vie en service du matériau formant l'échantillon. Les mesures sont effectuées alors que l'échantillon est présent dans le volume intérieur du boitier et soumis à l'atmosphère de vieillissement et à l'application de la contrainte mécanique. Ainsi, l'échantillon n'est pas démonté -du boitier pour effectuer les mesures. Le vieillissement imposé à l'échantillon est maintenu entre les différentes mesures réalisées. La contrainte mécanique appliquée durant l'essai de vieillissement peut être de toute sorte. Il peut s'agir d'une contrainte de traction, de compression ou de flexion. Le rapport (volume intérieur du boitier)/(volume de l'échantillon) peut, par exemple, être compris entre 2 et 200. La durée de l'essai de vieillissement durant lequel l'échantillon est maintenu sous contrainte mécanique et sous l'atmosphère de vieillissement peut être supérieure ou égale à 1 jour, par exemple à 1 semaine, par exemple à 1 mois, par exemple à 1 an. Dans un exemple de réalisation, la mesure du premier paramètre mécanique peut être effectuée en continu durant l'essai de vieillissement. En variante, les mesures du premier paramètre mécanique peuvent être effectuées uniquement à des instants de mesure prédéterminés durant l'essai de vieillissement. Dans un exemple de réalisation, on peut, en outre, imposer à l'échantillon durant l'essai de vieillissement une vibration sinusoïdale et on peut mesurer au moins un deuxième paramètre mécanique de l'échantillon différent du premier paramètre mécanique à partir de la réponse de l'échantillon à cette vibration. Un tel mode de réalisation permet avantageusement d'évaluer en plus de la réponse de l'échantillon à une sollicitation mécanique statique, la réponse de l'échantillon à une sollicitation mécanique dynamique. Cela permet, par conséquent, d'évaluer plus précisément l'évolution des propriétés mécaniques de l'échantillon lors de son vieillissement. Cette vibration sinusoïdale est générée par une source de vibration, telle qu'un résonateur piézoélectrique, reliée à l'échantillon. Dans un exemple de réalisation, le taux d'humidité, la température et le taux d'oxygène de l'atmosphère de vieillissement peuvent être contrôlés durant l'essai de vieillissement, le boitier comprenant l'échantillon étant par exemple présent dans une étuve durant l'essai de vieillissement. L'étuve est munie d'un moyen de contrôle de la température imposée par celle-ci au boitier. Dans un exemple de réalisation, le boitier peut comporter un humidificateur comprenant une solution, par exemple une solution aqueuse saline, dont l'évaporation permet de générer l'atmosphère de vieillissement. En plaçant un tel boitier dans une étuve laquelle contrôle la température imposée au boitier, il est ainsi possible de contrôler l'évaporation de la solution et par conséquent le taux d'humidité et le taux d'oxygène de l'atmosphère de vieillissement. Il est ainsi possible que l'atmosphère de vieillissement comporte de l'oxygène. Dans ce cas, le procédé selon l'invention permet d'évaluer à la fois les effets des mécanismes de vieillissement mécanique et oxyda& sur l'évolution des propriétés mécaniques du matériau. En variante, l'atmosphère de vieillissement peut être une atmosphère neutre. Une telle atmosphère peut, par exemple, être une atmosphère constituée d'azote. Dans ce cas, le procédé selon l'invention permet d'évaluer uniquement les effets du mécanisme de vieillissement mécanique sur l'évolution des propriétés mécaniques du matériau. Il pourra être avantageux de placer dans une même étuve une pluralité de boitiers étanches comprenant chacun le même échantillon, chaque échantillon étant soumis à la même sollicitation mécanique, l'atmosphère de vieillissement imposée dans chacun des boitiers étant différente. Un tel mode de réalisation permet avantageusement d'évaluer l'impact de différentes atmosphères de vieillissement sur l'évolution des propriétés mécaniques du matériau lors de son vieillissement. En variante, il pourra être avantageux de placer dans une même étuve une pluralité de boitiers étanches comprenant chacun le même échantillon, chaque échantillon étant soumis à la même atmosphère de vieillissement, la sollicitation mécanique imposée à l'échantillon dans chacun des boitiers étant différente. Un tel mode de réalisation permet avantageusement d'évaluer l'impact de différentes sollicitations mécaniques sur l'évolution des propriétés mécaniques du matériau lors de son vieillissement. Le premier paramètre mécanique peut être le module de relaxation de l'échantillon. Le deuxième paramètre mécanique peut être choisi parmi le module dynamique de l'échantillon et le facteur d'amortissement de l'échantillon. Ainsi, on peut lors de l'application de la vibration sinusoïdale à l'échantillon mesurer le module dynamique de l'échantillon et/ou le facteur d'amortissement de l'échantillon. L'échantillon peut, par exemple, être un échantillon d'un élastomère chargé. L'échantillon peut, par exemple, être un échantillon de propergol solide. En variante, l'échantillon peut être formé d'un caoutchouc de protection thermique ou d'un caoutchouc destiné à être utilisé dans un bloc amortisseur d'un moteur. La présente invention vise également un ensemble pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit plus haut, comportant : - un boitier étanche définissant un volume intérieur dans lequel un échantillon d'un matériau comprenant un élastomère est destiné à être présent, le boitier comprenant : - un dispositif d'application d'une contrainte mécanique destiné à appliquer une contrainte mécanique à l'échantillon, et - un humidificateur destiné à recevoir un liquide configuré pour créer dans le volume intérieur du boitier une atmosphère de vieillissement pour l'échantillon, une étuve dans laquelle est présent le boitier, et un capteur d'effort configuré pour être relié à l'échantillon ainsi que des moyens de calcul reliés audit capteur d'effort, ledit capteur d'effort et lesdits moyens de calcul étant configurés pour permettre la mesure d'au moins un premier paramètre mécanique de l'échantillon. Un tel ensemble permet avantageusement du fait de l'utilisation d'un boitier « multi-fonctions » constituant enceinte de conditionnement et muni d'un dispositif d'application d'une contrainte mécanique de mettre en oeuvre très simplement le procédé selon l'invention. Dans un exemple de réalisation, l'ensemble peut en outre comporter une source de vibration configurée pour être reliée à l'échantillon afin d'imposer à ce dernier une vibration sinusoïdale, les moyens de calcul pouvant en outre être reliés à la source de vibration et être configurés pour permettre la mesure d'au moins un deuxième paramètre mécanique de l'échantillon, différent du premier paramètre mécanique, à partir de la réponse de l'échantillon à la vibration sinusoïdale 1.0 imposée par la source de vibration. Les premier et deuxième paramètres mécaniques peuvent être tels que décrits plus haut. Dans un exemple de réalisation, le dispositif d'application d'une contrainte mécanique peut être configuré pour imposer à l'échantillon une 15 déformation fixée, par exemple une déformation de traction fixée. En variante, le dispositif d'application d'une contrainte mécanique peut être configuré pour imposer à l'échantillon une contrainte fixée, par exemple une contrainte de traction fixée. 20 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 25 - la figure 1 représente notamment un boitier étanche dans lequel est présent un échantillon d'un matériau comprenant un élastomère dont les propriétés mécaniques sont destinées à être contrôlées par mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, et - la figure 2 illustre l'évolution du module de relaxation d'un 30 échantillon en fonction du temps obtenue expérimentalement lors de la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation On a représenté à la figure 1 un exemple de dispositif adapté à 35 la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Ce dispositif est apte à mettre sous contrainte un échantillon 1 d'un matériau comprenant un élastomère tout en imposant audit échantillon 1 une atmosphère de vieillissement contrôlée. Dans ce dispositif, l'échantillon 1 du matériau à contrôler est présent dans le volume intérieur 2 d'un boitier étanche 3. Le boitier 3 est réalisé en matériau rigide, par exemple en aluminium anodisé, un tel matériau permettant avantageusement d'éviter que le boitier 3 ne s'oxyde au contact d'une atmosphère de vieillissement oxydante. Dans l'exemple de réalisation illustré, cet échantillon 1 subit à la fois un vieillissement mécanique du fait de l'application d'une contrainte mécanique et un vieillissement chimique du fait de la mise en contact de l'échantillon 1 avec une atmosphère de vieillissement oxydante. Dans l'exemple illustré, le boitier 3 est muni d'un dispositif 10 d'application d'une contrainte mécanique lequel applique une contrainte mécanique de traction à l'échantillon 1. L'échantillon 1 est fixé, par exemple par collage, à des mors 11a et 11b en matériau métallique. Une fois l'échantillon 1 fixé aux mors 11a et 11b, l'utilisateur impose un écartement des mors 11a et 11b et, par conséquent, le taux de déformation de l'échantillon 1 par action sur la vis 12 présente à l'extérieur du boitier 3. L'étanchéité au niveau du passage de la vis 12 au travers du boitier 3 est assurée par un joint d'étanchéité. Dans l'exemple illustré, l'échantillon 1 est soumis à une déformation constante durant tout l'essai de vieillissement. La déformation imposée à l'échantillon 1 durant l'essai de vieillissement peut, par exemple, être supérieure ou égale à 1 mm, par exemple supérieure ou égale à 5 mm, par exemple supérieure ou égale à 10 mm. On ne sort pas du cadre de la présente invention lorsque l'échantillon est soumis à une contrainte constante durant tout l'essai de vieillissement. Le boitier 3 est, dans l'exemple illustré, présent dans une étuve (non représentée) laquelle contrôle la température imposée au boitier 3 durant l'essai de vieillissement. Le boitier 3 comporte un humidificateur 20 comprenant une solution aqueuse saline 21 qui va permettre de créer dans le volume intérieur 2 du boitier 3 une atmosphère de vieillissement contrôlée. En effet, du fait du contrôle de la température imposée par l'étuve au boitier 3, il est possible de contrôler l'évaporation de la solution saline 21 et, par conséquent, le taux d'humidité ainsi que le taux d'oxygène de l'atmosphère de vieillissement à laquelle est soumis 3030 745 8 l'échantillon 1. Le boitier 3 peut, comme illustré, être muni d'au moins un capteur 8 configuré pour mesurer la température et le taux d'humidité de l'atmosphère de vieillissement lors de l'essai de vieillissement. A titre d'exemple, la température de l'atmosphère de vieillissement peut, par 5 exemple, être maintenue à une valeur comprise entre 50°C et 80°C et le taux d'humidité de l'atmosphère de vieillissement peut, par exemple, être maintenu à une valeur comprise entre 5% et 80% durant tout l'essai de vieillissement. Dans une variante non illustrée, le boitier est dépourvu d'un humidificateur, l'atmosphère de vieillissement étant dans ce cas une 10 atmosphère neutre constituée d'un gaz neutre tel que l'azote. Dans l'exemple illustré, un capteur d'effort 15 est relié à l'échantillon 1, le capteur d'effort 15 est présent à l'extérieur du boitier 3. Le capteur d'effort 15 est placé du côté opposé à la vis 12. L'effort est transmis depuis l'échantillon 1 vers le capteur d'effort 15 au travers d'un 15 passage étanche ménagé au travers du boitier 3. Le capteur d'effort 15 est relié à des moyens de calcul (non représentés) configurés pour déterminer l'évolution du module de relaxation de l'échantillon 1 lors de l'essai de vieillissement. Le capteur d'effort 15 mesure en continu l'effort exercé par l'échantillon 1 durant l'essai de vieillissement afin de permettre 20 une mesure du module de relaxation de l'échantillon 1 en continu durant l'essai de vieillissement. Il va des connaissances générales de l'homme du métier de choisir le capteur d'effort 15 à mettre en oeuvre selon la nature du matériau constituant l'échantillon 1. Un support 5 maintient solidaires le boitier 3 et le capteur d'effort 15. 25 Le dispositif illustré à la figure 1 comporte, en outre, un résonateur piézoélectrique 6 constituant une source de vibration reliée à l'échantillon 1. Le résonateur piézoélectrique 6 permet d'imposer une vibration sinusoïdale à l'échantillon 1 et est placé en série avec le capteur d'effort 15. Le résonateur piézoélectrique 6 permet de superposer une 30 excitation harmonique à l'excitation stationnaire imposée par le dispositif 10 d'application d'une contrainte mécanique. L'excitation harmonique générée par le résonateur piézoélectrique peut être imposée ponctuellement (i.e. pas continument) durant l'essai de vieillissement. Les moyens de calcul mentionnés précédemment sont en outre reliés au 35 résonateur piézoélectrique 6 et configurés pour permettre la mesure du module dynamique de l'échantillon 1 et/ou du facteur d'amortissement de l'échantillon 1 à partir de la réponse de l'échantillon 1 à la vibration sinusoïdale imposée par le résonateur piézoélettrique 6. A titre d'exemple, le résonateur piézoélectrique 6 peut permettre un balayage en fréquence de 0,1 Hz à 20Hz. Dans un exemple de réalisation, un unique boitier étanche comprenant un échantillon à tester peut être présent dans l'étuve. En variante, on peut, comme mentionné plus haut, placer dans l'étuve une pluralité de boitiers étanches comprenant chacun un échantillon à tester. Dans ce cas, les conditions de l'essai de vieillissement (atmosphère de 10 vieillissement et contrainte mécanique) réaliSé dans chacun des boitiers étanches peuvent être identiques ou différentes. On a représenté à la figure 2 les résultats obtenus après 4 mois d'exposition à une atmosphère de vieillissement constituée d'air sec à la température ambiante. Dans cet essai, l'échantillon était un propergol de 15 type ButalaneC) et une déformation de traction de 2,5% a été imposée. On observe globalement deux régimes pour l'évolution du module de relaxation en fonction du temps. Le passage d'un régime à un autre s'effectue après un mois (environ 10+6 secondes) et est matérialisé par le changement de pente de la courbe représentant l'évolution du module de 20 relaxation en fonction du temps. Ce changement de pente s'explique par la modification de la configuration du réseau élastomère aux temps longs liée à un mécanisme de glissement à l'échelle des chaînes moléculaires. Dans le même temps, pendant toute la durée de cette exposition, les mesures avec le résonateur piézoélectrique montrent que le 25 module dynamique est resté constant lorsque l'on applique à l'échantillon des vibrations sinusoïdales à 1Hz et 5Hz. La mise en oeuvre d'un boitier 3 formant enceinte de conditionnement et comprenant au moins un dispositif d'application d'une contrainte mécanique permet avantageusement de contrôler de manière 30 simple et fiable l'évolution des propriétés mécaniques de l'échantillon lors de son vieillissement. L'expression « compris(e) entre ... et ... » ou « allant de ... à » doit se comprendre comme incluant les bornes. 35 REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de l'évolution d'un paramètre mécanique d'un matériau lors de son vieillissement, dans lequel on réalise un essai de vieillissement d'un échantillon (1) d'un matériau comprenant un élastomère durant lequel l'échantillon (1) est maintenu dans le volume intérieur (2) d'un boitier étanche (3) sous une atmosphère de vieillissement contrôlée et durant lequel une contrainte mécanique est appliquée à l'échantillon (1), procédé dans lequel on effectue durant l'essai de vieillissement une pluralité de mesures d'au moins un premier paramètre mécanique de l'échantillon afin de déterminer l'évolution dudit premier paramètre mécanique durant l'essai de vieillissement. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on impose en outre à l'échantillon (1) durant l'essai de vieillissement une vibration sinusoïdale et dans lequel on mesure au moins un deuxième paramètre mécanique de l'échantillon différent du premier paramètre mécanique à partir de la réponse de l'échantillon (1) à cette vibration. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le taux d'humidité, la température et le taux d'oxygène de l'atmosphère de vieillissement sont contrôlés durant l'essai de vieillissement. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le boitier (3) comprenant l'échantillon (1) est présent dans une étuve durant l'essai de vieillissement. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'atmosphère de vieillissement comporte de l'oxygène. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'atmosphère de vieillissement est une atmosphère neutre. 3030 745 11 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la mesure du premier paramètre mécanique est effectuée en continu durant l'essai de vieillissement. 5 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le premier paramètre mécanique est le module de relaxation de l'échantillon. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans 10 lequel le deuxième paramètre mécanique est choisi parmi le module dynamique de l'échantillon et le facteur d'amortissement de l'échantillon. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l'échantillon est un échantillon de propergol solide. 15 11. Ensemble pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant : - un boitier étanche (3) définissant un volume intérieur (2) dans lequel un échantillon (1) d'un matériau comprenant un élastomère est 20 destiné à être présent, le boitier (3) comprenant : - un dispositif d'application d'une contrainte mécanique (10) destiné à appliquer une contrainte mécanique à l'échantillon (1), et - un humidificateur (20) destiné à recevoir un liquide (21) 25 configuré pour créer dans le volume intérieur (2) du boitier (3) une atmosphère de vieillissement pour l'échantillon (1), une étuve dans laquelle est présent le boîtier (3), et - un capteur d'effort (15) conflguré pour être relié à l'échantillon (1) ainsi que des moyens de calcul reliés audit capteur d'effort (15), ledit 30 capteur d'effort (15) et lesdits moyens de calcul étant configurés pour permettre la mesure d'au moins un premier paramètre mécanique de l'échantillon (1). 12. Ensemble selon la revendication 11 comprenant en outre une source de vibration (6) configurée pour être reliée à l'échantillon (1) afin d'imposer à ce dernier une vibration sinusoïdale, les moyens de calculétant en outre reliés à la source de vibration (6) et configurés pour permettre la mesure d'au moins un deuxième paramètre mécanique de l'échantillon (1), différent du premier paramètre mécanique, à partir de la réponse de l'échantillon (1) à la vibration sinusoïdale imposée par la source de vibration (6).