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S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart Modification des propriétés de mouillage dalliages métalliques au moyen de traitements de texturation laser femtoseconde.

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1 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart Modification des propriétés de mouillage dalliages métalliques au moyen de traitements de texturation laser femtoseconde S. Benayoun 1, P. Bizi-bandoki 1, S. Valette 1, B. Beaugiraud 1, E. Audouard 2 1 LTDS: Laboratoire de Tribologie et Dynamique des systèmes, Ecully, France 2 LaHC :Laboratoire Hubert Curien, Saint Etienne, France S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

2 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart Plan de la présentation Introduction Objectifs Création de microstructures par laser femtoseconde Mouillage des surfaces texturées Paramètres laser et matériaux Caractérisations topographiques Influence de la texturation Conclusion et perspectives S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

3 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 3 Introduction Fonctionnalité : l«hydrophobie» des surfaces Verres super-hydrophobes …… et auto-nettoyants Vêtements hydrophobes Réduction de la composante « adhésion » du frottement pour des applications tribologiques: lubrification, micro-fluidique, … Diverses applications technologiques Surfaces super-hydrophobes S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

4 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 4 Introduction (Leffet lotus – Barthlott & Neinhuis, Planta, 1997 ) ~ 160° M. Nosonovsky et al., Microelectronic Engieering, 4 (2007) 382 Leffet lotus? Chimie ( Couche hydrophobe ) Topographie ( rugosité multi-échelle ) 4 Les surfaces super-hydrophobes dans la nature: la feuille de lotus - La feuille de lotus est auto- nettoyante. - Leau glisse sur la feuille sans la mouiller S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

5 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 5 Equation de Young: : langle de contact sur une surface lisse Cos = ( SV - SL )/ LV Modèle de Wenzel (R.N. WENZEL, 1936) Cos = R f Cos R f = S réel S projection Surface rugueuse (Rugosité multi- échelle) Modèle de Cassie-Baxter (A. CASSIE, S. BAXTER, 1944) Cos = s Cos s s = S contact L-S S projection 5 Introduction Surface parfaitement lisse (théorie) M. Nosonovsky et al.,Microelectronic Engieering, 4 (2007) 382 Influence de la rugosité: 2 modèles théoriques S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

6 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 66 Introduction Wenzel ou Cassie-Baxter Angle de contact: (Nosonovsky et Bushan, 2005) La rugosité amplifie le caractère hydrophile ou hydrophobe Wenzel Angle de contact: Cos = s Cos s En général plus élevé que celui de Wenzel La rugosité amplifie le caractère hydrophobe Cassie-Baxter Hystérésis: Elevée [50°- 100°] Hystérésis: Faible [5°- 20°] Aptitude dune surface à accrocher une goutte, état adhésif Hystérésis S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

7 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 7 Objectifs Diverses réponses de la matière aux sollicitations laser (nanostructures, ablation, modifications chimiques …) Traitement par laser femtoseconde Caractérisations topographiques (MEB, AFM, …) Analyse de la mouillabilité des surfaces texturées Reproduire des surfaces à rugosité multi-échelle par laser femtoseconde Modifier la mouillabilité des alliages métalliques traités par laser fs S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

8 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 8 Création de microstructures par laser femtoseconde - Source:Ti-sapphire, λ ~ 800 nm - Durée de pulse ~ 150 fs - Fréquence dirradiation ~ 5 kHz - Puissance laser moyenne ~ 0.2 W - Forme du faisceau: gaussien Laser femtoseconde: 2 process de traitement: V Polarisation En faisceau fixe:En faisceau mobile: Fluence rayon On irradie un point de la surface Balayage de la surface par le faisceau laser F = 4P / ( f) N = f / (4V ) S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

9 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 9 Création de microstructures par laser femtoseconde Faisceau fixe:Faisceau mobile: Type 1 Type 2 Acier X40Cr14 Polarisation Type 2 Polarisation Faible fluence Fluence élevée Structures périodiques: « Ripples » o Périodes spatiales micro- (type 2) et sub- microniques (type 3) o Orientées par rapport à la polarisation o Origine: interférentielle ou auto-organisation? Seuil de fluence dapparition des ripples type 2 plus élevé que celui du type 3 Polarisation Acier 316L 3 échelles de rugosité: o Echelle 1: ondulations dues au balayage laser. Λ 1 ~ 14 µm o Echelle 2: Ripples parallèles à la polarisation. Λ 2 ~ 1-3 µm o Echelle 3: Ripples perpendiculaires à la polarisation. Λ 3 ~ 600 nm Fluence rayon S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

10 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 10 Paramètres laser: Mouillabilité des surfaces texturées Traitement N°1N°2N°3N°4N°1N°2N°3N°4 Diamètre Φ désiré (µm) 30 Vitesse de scan (mm.s -1 ) 7,5 15 Nombre de pulse Décalage latéral (µm) Puissance moyenne (mW) AcierAlu Acier: Variante du X40Cr14 - Aluminium: série 7000 Matériaux: Création des surfaces fonctionnelles double-échelles S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

11 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 11 Profilomètre optique - Acier Visualisation de la topographie induite sur lacier Δ = 5 µmΔ = 10 µm Δ = 15 µmΔ = 20 µm Des ondulations générées sur les surfaces (Echelle 1) Elles deviennent plus marquées avec Δ grand (15 et 20 µm) S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

12 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 12 Profilomètre optique - Aluminium Visualisation de la topographie induite sur laluminium Δ = 4 µmΔ = 10 µm Δ = 15 µmΔ = 20 µm Ondulations visibles pour Δ grand S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

13 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 13 Caractérisations MEB - Acier Δ = 5 µm Δ = 15 µm Δ = 10 µm Δ = 20 µm Nanostructures périodiques : ripples (Echelle 3) Période ~ 650 nm (81% de λ) Orientation: perpendiculaire à la polarisation Polarisation S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

14 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 14 Caractérisations MEB - Aluminium Δ = 4 µm Δ = 15 µm Δ = 10 µm Δ = 20 µm Pas de ripples Ondulations visibles pour Δ élevé S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

15 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 15 Influence du traitement laser sur la mouillabilité La mouillabilité des surfaces est analysée par la mesure dangle de contact (CA) et lhystérèse Paramètres expérimentaux Liquide Eau distillée Volume 3 µL Environnement Température ambiante Méthode Goutte posée S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

16 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 16 Influence du traitement laser sur la mouillabilité Influence du temps: Hydrophilie des surfaces accentuée juste après traitement Avec le temps, ces surfaces évoluent vers lhydrophobie Au-delà dune certaine durée (ici 3 jours), lévolution sestompe et les CA se stabilisent Origine chimique: accumulation de carbone non-polaire par activation dune réaction de décomposition du dioxide de carbone présent à la surface (Kietzig et al, Langmuir, 2009) Contribution de la topographie sur la mouillabilité? Acier Aluminium S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

17 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 17 Influence du traitement laser sur la mouillabilité Influence du décalage Δ: Sur acier: influence notable de Δ à partir du 3 e jour Une diminution de augmente lhydrophobie à long terme de lacier Sur aluminium, CA semble peu dépendre de Δ Acier Aluminium S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

18 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 18 Influence du traitement laser sur la mouillabilité AcierAluminium Lévolution des angles davancée confirme la corrélation entre la topographie (Δ) et la mouillabilité Les valeurs de lhystérèse H de mouillage obtenues sur les 2 matériaux sont dans lintervalle 20 H Alu S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

19 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 19 Influence du traitement laser la mouillabilité Wenzel ou Cassie-Baxter: Le traitement laser a augmenté la rugosité de surface Les valeurs de lhystérèse H de mouillage obtenues sur les 2 matériaux sont plus élevées que celles observables dans le cas de Cassie-Baxter Création dun état de Wenzel S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

20 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 20 Conclusions & Perspectives -Les propriétés de mouillage des alliages métalliques peuvent être modifiées au moyen dun traitement laser femtoseconde. -Des surfaces initialement hydrophiles sont rendues hydrophobes par ce type de traitement. -Cette hydrophobie vient de laction conjointe de la chimie de surface et de la topographie, toutes deux induites par le traitement. -Une topographie multiéchelle (ondulations périodique de lordre de 5 µm sur laquelle ce superpose une ondulation submicronique autour de 650 nm) permet daccroître lhydrophobie dun acier inoxydable de manière significative (augmentation de CA > 20°) Perspectives Identification des modifications chimiques de surface Optimiser leffet de la topographie sur la mouillabilité S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY

21 S. VALETTE, LPM 2010, Stuttgart 21 Merci pour votre attention Remerciements: Aubert & Duval et Alcan S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY


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