Transcript Modification des propriétés de mouillage d`alliages

S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
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
Plan de la présentation
 Introduction
 Objectifs
 Création de microstructures par laser femtoseconde
 Mouillage des surfaces texturées
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
 Paramètres laser et matériaux
 Caractérisations topographiques
 Influence de la texturation
 Conclusion et perspectives
Introduction
 Fonctionnalité : l’«hydrophobie» des surfaces
Diverses applications technologiques
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
Verres super-hydrophobes …
… et auto-nettoyants
Réduction de la composante
« adhésion » du frottement pour
des applications tribologiques:
lubrification, micro-fluidique, …
Vêtements hydrophobes
Surfaces super-hydrophobes
3
Introduction
 Les surfaces super-hydrophobes dans la nature: la feuille de lotus
- La feuille de
lotus est autonettoyante.
- L’eau glisse sur
la feuille sans
la mouiller
M. Nosonovsky et al., Microelectronic
Engieering, 4 (2007) 382
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
L’effet lotus?
 ~ 160°
 Chimie
(Couche hydrophobe)
Topographie
(rugosité multi-échelle)
(L’effet lotus – Barthlott & Neinhuis, Planta, 1997)
4
Introduction
 Influence de la rugosité: 2 modèles théoriques
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
Equation de Young:
: l’angle de contact sur
une surface lisse
Cos= ( SV - SL )/ LV
M. Nosonovsky et al.,
Microelectronic
Engieering, 4 (2007) 382
Surface
parfaitement
lisse (théorie)
Surface rugueuse
(Rugosité multiéchelle)
Modèle de Wenzel
Modèle de Cassie-Baxter
(R.N. WENZEL, 1936)
(A. CASSIE, S. BAXTER, 1944)
Cos = Rf Cos
Rf = SréelSprojection
Cos = sCoss
s = Scontact L-S Sprojection
5
Introduction
 Wenzel ou Cassie-Baxter
Wenzel
 Angle de contact:
Cassie-Baxter
 Angle de contact:
Cos = sCoss
En général plus élevé que celui de Wenzel
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
La rugosité amplifie le caractère hydrophobe
(Nosonovsky et Bushan, 2005)
La rugosité amplifie le caractère
hydrophile ou hydrophobe
 Aptitude d’une surface à accrocher une goutte, état adhésif
 Hystérésis:
Elevée [50°- 100°]
Hystérésis
 Hystérésis:
Faible [5°- 20°]
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
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
Diverses réponses de la
matière aux sollicitations
laser (nanostructures, ablation,
modifications chimiques …)
Analyse de la mouillabilité
des surfaces texturées
Caractérisations
topographiques
(MEB, AFM, …)
7
Création de microstructures par laser
femtoseconde
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
En faisceau fixe:
En faisceau mobile:
rayon
Polarisation
V
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
2 process de traitement:
 Balayage de la
surface par le
faisceau laser
F = 4P / (p f2 f)
Fluence
 On irradie un point de la surface
N = p f f / (4V Df)
D
f
8
Création de microstructures par laser
femtoseconde
rayon
 Structures périodiques:
« Ripples »
o
Périodes spatiales
Fluence élevée
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
Faible fluence
Fluence
Polarisation
Faisceau mobile:
Acier 316L
Faisceau fixe:
micro- (type 2) et submicroniques (type 3)
Polarisation
Type 2
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
Polarisation
Type 1
o
 3 échelles de rugosité:
o
Echelle 1: ondulations dues
au balayage laser. Λ1 ~ 14 µm
Echelle 2: Ripples parallèles à
la polarisation. Λ2 ~ 1-3 µm
o
Echelle 3: Ripples perpendiculaires
à la polarisation. Λ3 ~ 600 nm
o
Type 2
Acier X40Cr14
9
Mouillabilité des surfaces texturées
Paramètres laser:
Acier
Traitement
Alu 7000
N°1 N°2 N°3 N°4 N°1 N°2 N°3 N°4
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
Diamètre 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
Création des surfaces fonctionnelles double-échelles
Matériaux:
- Acier: Variante du X40Cr14
- Aluminium: série 7000
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
Δ = 5 µm
Δ = 10 µm
 Nanostructures
périodiques : ripples
(Echelle 3)
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
 Période ~ 650 nm
(81% de λ)
 Orientation:
perpendiculaire à la
polarisation
Δ = 15 µm
Δ = 20 µm
13
Caractérisations MEB - Aluminium
Δ = 4 µm
Δ = 10 µm
 Pas de ripples
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
 Ondulations visibles
pour Δ élevé
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
Volume
Environnement
Méthode
Eau distillée
3 µL
Température ambiante
Goutte posée
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
15
Influence du traitement laser sur la mouillabilité
Acier
Influence du temps:
 Hydrophilie des surfaces accentuée juste
après traitement
 Avec le temps, ces surfaces évoluent
vers l’hydrophobie
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
 Au-delà d’une certaine durée (ici 3 jours),
l’évolution s’estompe et les CA se
stabilisent
Aluminium
 Origine
carbone
réaction
carbone
chimique: accumulation de
non-polaire par activation d’une
de décomposition du dioxide de
présent à la surface
(Kietzig et al, Langmuir, 2009)
 Contribution de la topographie sur la
mouillabilité?
16
Influence du traitement laser sur la mouillabilité
Acier
Influence du décalage Δ:
 Sur acier: influence notable de Δ à partir
du 3e jour
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
 Une diminution de D augmente
l’hydrophobie à long terme de l’acier
Aluminium
 Sur aluminium,
dépendre de Δ
CA
semble
peu
17
Influence du traitement laser sur la mouillabilité
Acier
Aluminium
Jour 99
140
120
100
80
60
40
20
0
Angle
d'avancée
Angle de
reculée
0
5
10
15
20
Décalage latéral (µm)
Angles de contact (°)
Angles de contact
Jour 99
140
120
100
80
60
40
20
0
Angle
d'avancée
Angle de
reculée
0
4
10
15
20
Décalage latéral (µm)
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
Influence du traitement laser la mouillabilité
Augmentation de la rugosité
300
Ra (nm)
250
200
150
Acier
100
Aluminium
50
0
0
5
10
15
Décalage latéral (µm)
20
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.
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
- 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
20
Remerciements:
Aubert & Duval et Alcan
Merci pour votre attention
S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY
21