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

Résumé

Cette étude porte sur le développement d'une technique mécanique pour mesurer la force d'adhérence de la glace atmosphérique à l'aide d'un film polymère piézoélectrique (PVDF) inséré à l'interface glace/substrat. Dans le cas présent, le substrat est une poutre d'aluminium sur laquelle l'élément piézoélectrique PVDF est collé et sur laquelle la glace atmosphérique est déposée artificiellement à partir de gouttelettes d'eau surfondues. La poutre composite ainsi formée, qui est encastrée à une extrémité au niveau de l'aluminium et libre de l'autre, est soumise à une flexion simple par une excitation mécanique sinusoïdale appliquée sur l'extrémité encastrée dans le plan vertical en utilisant un pot vibrant.

Le coefficient piézoélectrique de charge est utilisé afin de mesurer la charge électrique induite par le film PVDF qui est directement proportionnelle à la contrainte mécanique générée à l'interface glace/poutre, résultante de la contribution de la contrainte en flexion et de cisaillement. Ce principe permet ainsi de développer une méthode de mesure macroscopique et directe afin de déterminer des contraintes mécaniques à l'interface de glace atmosphérique/substrat. Tous les essais ont été réalisés à une fréquence proche de la fréquence de résonance de la poutre composite.

Après avoir étalonné la méthode par une modélisation numérique et dynamique de la poutre en aluminium seule, trois séries d'essais ont été effectuées dont deux avec des poutres en aluminium de rugosités différentes et la troisième avec une poutre identique géométriquement mais constituée de plexiglas. Les résultats obtenus avec des dépôts de glace de quatre millimètres d'épaisseur montrent que la contrainte d'interface augmente linéairement avec l'augmentation de l'amplitude de la contrainte d'excitation jusqu'au décollement de la glace, résultant d'un délaminage progressif initié à l'encastrement et qui se propage vers le milieu de la poutre composite. L'instant où le délaminage atteint le film PVDF est facilement détectable par la lecture du signal délivré par ce dernier qui permet ainsi de déterminer la contrainte mécanique nécessaire pour détacher la glace du substrat. Les résultats obtenus à partir des trois séries montrent que la méthode proposée est valide puisque les valeurs des forces d'adhérence obtenues dépendent de la rugosité du substrat dont l'augmentation entraîne une augmentation de la force d'adhérence et les force d'adhésion dépendent aussi du matériau constituant le substrat avec une force d'adhésion sur l'aluminium environ cent fois plus grande que pour le plexiglas. De plus, les résultats obtenus sont en accord avec les ordres de grandeurs des forces d'adhérence de la littérature.

Ainsi, une méthode simple et originale, basée sur l'utilisation de films polymères piézoélectriques PVDF et permettant des mesures directes de la force d'adhérence de la glace a été développée et validée. Cette méthode a permis de tester différents matériaux pour des épaisseurs de glace de 4 mm. Cependant, l'épaisseur du dépôt de glace n'est pas une limitation mais l'influence de cette dernière sur la force d'adhérence reste encore à être démontrée.