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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°
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L’effet lotus?
Chimie
(Couche hydrophobe)
Topographie
(rugosité multi-échelle)
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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
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Introduction
Surface parfaitement
lisse (théorie)
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Mic
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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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