Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

En 2007, il est encore justifié de travailler à développer des méthodes de déglaçage. Car bien que plusieurs méthodes thermiques ou mécaniques aient prouvé leur efficacité sur le terrain, l'industrie réclame encore des façons de dégivrer moins énergivores. Dans cette optique, un projet de recherche a été amorcé en 1999. Ce projet visait à développer un système déglaçant utilisant un nouveau type de matériau capable de se déformer sous une faible excitation électrique et de produire suffisamment d'énergie mécanique pour provoquer une rupture de la glace en surface. L'ajout d'un réducteur d'adhérence comme un glaçiophobe améliorant l'efficacité d'une telle méthode a été étudié dans le cadre d'une maîtrise. Une étude préliminaire et une revue littéraire sur les matériaux électroactifs ont permis de conclure que la technologie de ces matériaux pouvait avoir le potentiel nécessaire au déglaçage mais n'était pas encore assez développée pour être applicable maintenant. C'est donc dans ce contexte qu'a été défini le sujet de la présente thèse dédiée à l'étude du comportement mécanique d'un substrat glacé soumis à des déformations afin de simuler l'effet d'un matériau électroactif. Cette simulation en laboratoire permettra de déterminer les déformations de rupture du substrat provoquant le déglaçage, en fonction du type et de la vitesse de déformation, de l'épaisseur de glace et de la nature du substrat.

Pour ce faire, les déformations de substrats d'aluminium et de nylons givrés ont été mesurées à l'aide de jauges de déformation et analysées au moment de la rupture de la couche de glace. Trois montages ont été développés ou adaptés spécifiquement pour les besoins de la thèse afin de soumettre un échantillon glacé à trois modes différents de sollicitation, soit à la torsion, la traction et la flexion sans effort imposé directement sur la glace. Pour chaque type de déformation, 3 épaisseurs de glace ont été étudiées soit 2, 5 et 10 mm à trois différentes vitesses d'application des charges. L'essai consiste à givrer un substrat sur lequel une jauge de déformation est collée et à le déformer en enregistrant la déformation en temps réel. La perte de rigidité causée par la rupture de la couche de glace ou son décollement provoque un changement soudain dans la pente de la courbe contrainte-déformation permettant de déterminer précisément la déformation à la rupture ainsi que les contraintes dans la glace à l'interface y étant associées.

Il a été montré que les déformations de rupture ont été mesurées de façon précise et juste avec des coefficients de variation inférieurs à 10 %. Le pourcentage de déformation e % d'un substrat d'aluminium 2024 T3 nécessaire au bris de 2 à 10 mm de glace est en moyenne de 0,043 ± 0,023 % en torsion, 0,037 ± 0,015 % en traction et de 0,004 ± 0,003 % en flexion. Pour un substrat de nylon, dans les mêmes conditions, la pourcentage de déformation moyen est de 0,020 ± 0,013% en torsion, 0,059 ± 0,011 % en traction et 0,033 ± 0,008 % en flexion. Les déformations de rupture diminuent lorsque l'épaisseur de glace augmente et sont indépendantes de la vitesse de déformation indiquant la rupture fragile du film de glace.

L'analyse des résultats a été complétée par l'évaluation mathématique des contraintes de rupture déterminées au moment du bris et dans la glace à l'interface à partir des déformations et forces mesurées. Malgré que les contraintes de rupture évaluées en traction se soient avérées élevées avec 4 MPa ± 50 % sur l'aluminium comparativement celles en torsion (1,26 MPa ± 67 %) et flexion (0,014 MPa ± 36 %) se sont avérées valides. Les contraintes de rupture diminuent avec l'épaisseur de glace, sont indépendantes de la vitesse de déformation et très peu influencées par la nature du substrat. Il a également été montré que les contraintes de rupture les plus faibles ont été obtenues en flexion où le cisaillement à l'interface est légèrement combiné à une contrainte normale. En général, il est plus facile de déglacer une surface via la déformation du substrat lorsque : la déformation imposée est en flexion; le taux de déformation est supérieur à 8 x 10'4 s1; la couche de glace a une épaisseur d'environ 10 mm et le substrat est lisse. De plus, un câble toronné soumis à une torsion déglace plus efficacement qu'un câble à surface lisse.