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Modification des propriétés de mouillage d’alliages métalliques au moyen de traitements de texturation

laser femtoseconde

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

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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

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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

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Introduction

(L’effet lotus – Barthlott & Neinhuis, Planta, 1997)

~ 160°

M. N

os

on

ov

sk

y e

t al., M

icro

ele

ctro

nic

En

gie

erin

g, 4

(20

07

) 38

2

L’effet 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. - L’eau glisse sur la feuille sans la mouiller

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Equation de Young:

: l’angle de contact sur une surface lisse

Cos= ( SV - SL )/ LV

Modèle de Wenzel(R.N. WENZEL, 1936)

Cos= Rf Cos

Rf = SréelSprojection

Surface rugueuse

(Rugosité multi-échelle)

Modèle de Cassie-Baxter(A. CASSIE, S. BAXTER, 1944)

Cos= sCoss

s = Scontact L-SSprojection

5

Introduction

Surface parfaitement

lisse (théorie)

M. N

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on

ov

sk

y e

t al.,

Mic

roe

lec

tron

ic

En

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erin

g, 4

(20

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) 38

2

Influence de la rugosité: 2 modèles théoriques

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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= sCoss

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 d’une surface à accrocher une goutte, état adhésif Hystérésis

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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

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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

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)

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Création de microstructures par laser femtoseconde

Faisceau fixe: Faisceau mobile:

Type 1Type 2

Acier X40Cr14

Polarisation

Type 2

Polarisation

Fa

ible

flu

en

ce

Flu

en

ce

éle

vé

e

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 d’apparition des ripples type 2 plus élevé que celui du type 3

3 échelles de rugosité:o Echelle 1: ondulations dues au balayage laser. Λ1 ~ 14 µmo Echelle 2: Ripples parallèles à la polarisation. Λ2 ~ 1-3 µmo Echelle 3: Ripples perpendiculaires à la polarisation. Λ3 ~ 600 nm

Fluence

rayon

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Paramètres laser:

Mouillabilité des surfaces texturées

Traitement N°1 N°2 N°3 N°4 N°1 N°2 N°3 N°4Diamètre Φ désiré (µm)

30 30 30 30 30 30 30 30

Vitesse de scan (mm.s-1)

7,5 7,5 7,5 7,5 15 15 15 15

Nombre de pulse 94 47 31 24 31 24 16 12

Décalage latéral (µm)

5 10 15 20 4 10 15 20

Puissance moyenne (mW)

40 40 40 40 20 20 20 20

Acier Alu 7000

- Acier: Variante du X40Cr14

- Aluminium: série 7000

Matériaux:

Création des surfaces fonctionnelles double-échelles

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Profilomètre optique - Acier

Visualisation de la topographie induite sur l’acier

Δ = 5 µm Δ = 10 µm

Δ = 15 µm Δ = 20 µm

Des ondulations générées sur les surfaces (Echelle 1) Elles deviennent plus marquées avec Δ grand (15 et 20 µm)

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Profilomètre optique - Aluminium

Visualisation de la topographie induite sur l’aluminium

Δ = 4 µm Δ = 10 µm

Δ = 15 µm Δ = 20 µm

Ondulations visibles pour Δ grand

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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

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Caractérisations MEB - Aluminium

Δ = 4 µm

Δ = 15 µm

Δ = 10 µm

Δ = 20 µm

Pas de ripples

Ondulations visibles pour Δ élevé

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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

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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

Aluminium

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Influence du traitement laser sur la mouillabilité

Influence du décalage Δ:

Sur acier: influence notable de Δ à partir du 3e jour

Une diminution de augmente l’hydrophobie à long terme de l’acier

Sur aluminium, CA semble peu

dépendre de Δ

Acier

Aluminium

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Influence du traitement laser sur la mouillabilité

Acier Aluminium

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

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Influence du traitement laser la mouillabilité

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

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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

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Merci pour votre attention

Remerciements:

Aubert & Duval et Alcan

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