Sur les mécanismes de rayures des vernis de finition automobiles

Les vernis de finition constituent la couche la plus externe des revêtements peinture
recouvrant les carrosseries automobiles. Ces vernis sont des polymères thermodurcissables
déposés sous forme de films minces de 40 à 50 tim d'épaisseur. Leurs fonctions sont de
protéger les couches inférieures du revêtement peinture des dégradations du milieu ambiant
et de donner au véhicule un aspect brillant et esthétique.
Le lavage des voitures aux machines automatiques munies de brosses provoque des
microrayures à la surface des vernis. Ces microrayures sont de deux types: ductiles (sans
déchirures) et fragiles (avec déchirures). L'objectif de cette étude est de relier les
mécanismes de rayures aux propriétés physiques et mécaniques des vernis. Le rapport
profondeur de rayure sur épaisseur du vernis étant inférieur à 1/10, le vernis est considéré
comme un matériau massif semi infini.
Dans un premier temps, des essais de nano-indentation et de nano-rayure combinés
à des observations au microscope à force atomique indiquent que la formation des rayures
ductiles met en jeu des mouvements locaux de chaînes polymères (énergies de transitions
f3) et que leur cicatrisation met en jeu des mouvements coopératifs de chaînes de polymères
(énergies de relaxation a).
Dans un deuxième temps, une étude analytique du contact entre l'indenteur et le
vernis indique que la transition ductile/fragile est gouvernée à la fois par un critère en énergie
de rupture et par un critère de dimension, tous deux exprimés en fonction des propriétés
viscoélastoplastiques des vernis, de la géométrie de l'indenteur et de l'environnement.
Cette étude a permis d'identifier les propriétés physiques et mécaniques des vernis
qu'il faut optimiser pour améliorer la résistance à la rayure des vernis et va donc plus loin
que la notion de charge critique communément utilisée dans la littérature mais reliée à
aucune propriété intrinsèque du matériau.
Mots clés : nano-indentation, nano-rayure, polymères thermodurcissables, ductile, fragile,
relaxation a, relaxation f3, cicatrisation.
Automotive clearcoats compose the most external layer of automotive coatings and
consist of thermoset resins. Their thickness ranges from 40 to 50 tim. They made
automobiles glossy and protect them from environmental damage.
Car wash brushes bring about microscratches at the surface of automotive
clearcoats. There are both ductile and brittle scratches. Ductile scratches present no tearing
and heating can make them disappear. On the contrary, brittle scratches show irreversible
rips. The goal of this study is to relate scratches mechanisms to physical and mechanical
properties of clearcoats. As the ratio scratch depth over clearcoat thickness is smaller than
1/10, the clearcoat is considered as a semi-infinite bulk material.
On the one hand, nano-indentation and nano-scratch tests added to AFM
experiments show that the formation of ductile scratches involve local motions of polymer
chains (f3 relaxation energies) whereas their healing involves large motion of polymer chains
(a relaxation energies).
On the other hand, an analytical study of the contact between the indenter and the
clearcoat show that the ductile/brittle transition is ruled by a fracture energy criterion and by a
size criterion. Both are related to the viscoelastoplastic properties of the clearcoats, the
indenter geometry and the environment.
The study has allowed to identify the physical and me
clearcoats which are to be optimised in order to improve their s
further than the idea of critical load commonly used in literature
properties of the material.
Keywords : nano-scratch, nano-indentation, thermoset resins,
relaxation, healing.