Modification des propriétés de mouillage d’alliages métalliques au moyen de traitements de texturation laser femtoseconde S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Je remercie les organisateurs de me donner l’opportunité de présenter ce travail qui est le fruit d’une collaboration entre le LTDS et le LaHC dans le cadre de la thèse de Pavel …, le sujet S. Benayoun1, P. Bizi-bandoki1, S. Valette1, B. Beaugiraud1, E. Audouard2 1LTDS:Laboratoire de Tribologie et Dynamique des systèmes, Ecully, France 2LaHC:Laboratoire Hubert Curien , Saint Etienne, France 1

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 2011 -ECULLY Après avoir présentée le contexte de cette étude j’en fixerai les objectifs , et décrirai les conditions expérimentales que nous avons utilisées ainsi que les résultats que nous avons obtenus avant de conclure et donner quelques perspectives à ce travail

Surfaces super-hydrophobes Introduction Fonctionnalité : l’«hydrophobie» des surfaces Diverses applications technologiques S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Verres super-hydrophobes … … et auto-nettoyants La mouillabilité des surfaces et notamment leur hydrophobie, est particulièrement étudiée vis-à-vis des verres … Réduction de la composante « adhésion » du frottement pour des applications tribologiques: lubrification, micro-fluidique, … Surfaces super-hydrophobes Vêtements hydrophobes 3

(rugosité multi-échelle) Introduction Les surfaces super-hydrophobes dans la nature: la feuille de lotus La feuille de lotus est auto- nettoyante. L’eau glisse sur la feuille sans la mouiller S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY M. Nosonovsky et al., Microelectronic Engieering, 4 (2007) 382 L’effet lotus?  Chimie (Couche hydrophobe) Topographie (rugosité multi-échelle)  ~ 160° (L’effet lotus – Barthlott & Neinhuis, Planta, 1997) 4 4

Introduction Influence de la rugosité: 2 modèles théoriques M. Nosonovsky et al., Microelectronic Engieering, 4 (2007) 382 Surface parfaitement lisse (théorie) Surface rugueuse (Rugosité multi- échelle) S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Modèle de Wenzel (R.N. WENZEL, 1936) Cos= Rf Cos Rf = SréelSprojection Modèle de Cassie-Baxter (A. CASSIE, S. BAXTER, 1944) Cos= sCoss s = Scontact L-SSprojection Equation de Young: : l’angle de contact sur une surface lisse Cos= ( SV - SL )/ LV 5 5

Introduction Wenzel ou Cassie-Baxter Wenzel Cassie-Baxter Angle de contact: (Nosonovsky et Bushan, 2005) La rugosité amplifie le caractère hydrophile ou hydrophobe Angle de contact: Cos= sCoss En général plus élevé que celui de Wenzel La rugosité amplifie le caractère hydrophobe S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Aptitude d’une surface à accrocher une goutte, état adhésif Hystérésis Hystérésis: Elevée [50°- 100°] Hystérésis: Faible [5°- 20°] 6 6

Objectifs Reproduire des surfaces à rugosité multi-échelle par laser femtoseconde Modifier la mouillabilité des alliages métalliques traités par laser fs Traitement par laser femtoseconde Analyse de la mouillabilité des surfaces texturées S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Diverses réponses de la matière aux sollicitations laser (nanostructures, ablation, modifications chimiques …) Caractérisations topographiques (MEB, AFM, …) 7

Création de microstructures par laser femtoseconde Source:Ti-sapphire, λ ~ 800 nm Durée de pulse ~ 150 fs Fréquence d’irradiation ~ 5 kHz Puissance laser moyenne ~ 0.2 W Forme du faisceau: gaussien 2 process de traitement: S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY En faisceau fixe: En faisceau mobile: rayon Balayage de la surface par le faisceau laser Polarisation V F = 4P / (p f2 f) Fluence N = p f f / (4V (D /f) ) On irradie un point de la surface D f 8

Création de microstructures par laser femtoseconde Faisceau fixe: Faisceau mobile: rayon Acier 316L Polarisation Structures périodiques: « Ripples » Périodes spatiales micro- (type 2) et sub- microniques (type 3) Orientées par rapport à la polarisation Origine: interférentielle ou auto-organisation? Seuil de fluence d’apparition des ripples type 2 plus élevé que celui du type 3 Fluence Polarisation S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Faible fluence Type 2 Polarisation 3 échelles de rugosité: Echelle 1: ondulations dues au balayage laser. Λ1 ~ 14 µm Echelle 2: Ripples parallèles à la polarisation. Λ2 ~ 1-3 µm Echelle 3: Ripples perpendiculaires à la polarisation. Λ3 ~ 600 nm Fluence élevée Type 1 Type 2 Acier X40Cr14 9

Mouillabilité des surfaces texturées Paramètres laser: Acier Alu 7000 Traitement N°1 N°2 N°3 N°4 Diamètre Φ désiré (µm) 30 Vitesse de scan (mm.s-1) 7,5 15 Nombre de pulse 94 47 31 24 16 12 Décalage latéral (µm) 5 10 20 4 Puissance moyenne (mW) 40 S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Création des surfaces fonctionnelles double-échelles Matériaux: - Acier: Variante du X40Cr14 - Aluminium: série 7000 10 10

Profilomètre optique - Acier Visualisation de la topographie induite sur l’acier Δ = 5 µm Δ = 10 µm S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Des ondulations générées sur les surfaces (Echelle 1) Elles deviennent plus marquées avec Δ grand (15 et 20 µm) Δ = 15 µm Δ = 20 µm 11

Profilomètre optique - Aluminium Visualisation de la topographie induite sur l’aluminium Δ = 4 µm Δ = 10 µm S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Ondulations visibles pour Δ grand Δ = 15 µm Δ = 20 µm 12

Caractérisations MEB - Acier Polarisation Δ = 5 µm Δ = 10 µm Nanostructures périodiques : ripples (Echelle 3) Période ~ 650 nm (81% de λ) Orientation: perpendiculaire à la polarisation S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Δ = 15 µm Δ = 20 µm 13

Caractérisations MEB - Aluminium Pas de ripples Ondulations visibles pour Δ élevé S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Δ = 15 µm Δ = 20 µm 14

Influence du traitement laser sur la mouillabilité La mouillabilité des surfaces est analysée par la mesure d’angle de contact (CA) et l’hystérèse Paramètres expérimentaux Liquide Eau distillée Volume 3 µL Environnement Température ambiante Méthode Goutte posée S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY 15

Influence du traitement laser sur la mouillabilité Influence du temps: Hydrophilie des surfaces accentuée juste après traitement Avec le temps, ces surfaces évoluent vers l’hydrophobie Au-delà d’une certaine durée (ici 3 jours), l’évolution s’estompe et les CA se stabilisent Origine chimique: accumulation de carbone non-polaire par activation d’une réaction de décomposition du dioxide de carbone présent à la surface (Kietzig et al, Langmuir, 2009) Contribution de la topographie sur la mouillabilité? Acier S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Aluminium 16

Influence du traitement laser sur la mouillabilité Acier Influence du décalage Δ: Sur acier: influence notable de Δ à partir du 3e jour Une diminution de D augmente l’hydrophobie à long terme de l’acier Sur aluminium, CA semble peu dépendre de Δ S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Aluminium 17

Influence du traitement laser sur la mouillabilité Acier Aluminium S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY L’évolution des angles d’avancée confirme la corrélation entre la topographie (Δ) et la mouillabilité Les valeurs de l’hystérèse H de mouillage obtenues sur les 2 matériaux sont dans l’intervalle 20<H<60 H acier > H Alu 18

Wenzel ou Cassie-Baxter: Influence du traitement laser la mouillabilité S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Wenzel ou Cassie-Baxter: Le traitement laser a augmenté la rugosité de surface Les valeurs de l’hystérèse H de mouillage obtenues sur les 2 matériaux sont plus élevées que celles observables dans le cas de Cassie-Baxter Création d’un état de Wenzel 19

Conclusions & Perspectives - Les propriétés de mouillage des alliages métalliques peuvent être modifiées au moyen d’un traitement laser femtoseconde. - Des surfaces initialement hydrophiles sont rendues hydrophobes par ce type de traitement. - Cette hydrophobie vient de l’action conjointe de la chimie de surface et de la topographie, toutes deux induites par le traitement. Une topographie multiéchelle (ondulations périodique de l’ordre de 5 µm sur laquelle ce superpose une ondulation submicronique autour de 650 nm) permet d’accroître l’hydrophobie d’un acier inoxydable de manière significative (augmentation de CA > 20°) Perspectives  Identification des modifications chimiques de surface  Optimiser l’effet de la topographie sur la mouillabilité S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY 20

Merci pour votre attention Remerciements: Aubert & Duval et Alcan Merci pour votre attention S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY 21