Modification des propriétés de mouillage d’alliages métalliques au moyen de traitements de texturation laser femtoseconde S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011.

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1 Modification des propriétés de mouillage d’alliages métalliques au moyen de traitements de texturation laser femtoseconde S. BENAYOUN - GDR MECANO 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

2 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 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

3 Surfaces super-hydrophobes
Introduction Fonctionnalité : l’«hydrophobie» des surfaces Diverses applications technologiques S. BENAYOUN - GDR MECANO 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

4 (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 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

5 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 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

6 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 ECULLY Aptitude d’une surface à accrocher une goutte, état adhésif Hystérésis Hystérésis: Elevée [50° °] Hystérésis: Faible [5°- 20°] 6 6

7 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 ECULLY Diverses réponses de la matière aux sollicitations laser (nanostructures, ablation, modifications chimiques …) Caractérisations topographiques (MEB, AFM, …) 7

8 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 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

9 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 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

10 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 ECULLY Création des surfaces fonctionnelles double-échelles Matériaux: - Acier: Variante du X40Cr14 - Aluminium: série 7000 10 10

11 Profilomètre optique - Acier
Visualisation de la topographie induite sur l’acier Δ = 5 µm Δ = 10 µm S. BENAYOUN - GDR MECANO 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

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

13 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 ECULLY Δ = 15 µm Δ = 20 µm 13

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

15 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 µL Environnement Température ambiante Méthode Goutte posée S. BENAYOUN - GDR MECANO ECULLY 15

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 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 ECULLY Aluminium 16

17 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 ECULLY Aluminium 17

18 Influence du traitement laser sur la mouillabilité
Acier Aluminium S. BENAYOUN - GDR MECANO 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

19 Wenzel ou Cassie-Baxter:
Influence du traitement laser la mouillabilité S. BENAYOUN - GDR MECANO 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

20 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 ECULLY 20

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