S. Benayoun 1 , P. Bizi-bandoki 1 , S. Valette 1 , B. Beaugiraud 1 , E. Audouard 2

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

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 2011 -ECULLY

3. 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, … Surfaces super-hydrophobes Vêtements hydrophobes 3

4. 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’effetlotus? Chimie (Couchehydrophobe) 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 2011 -ECULLY Modèle de Wenzel (R.N. WENZEL, 1936) Cos= RfCos 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 Cassie-Baxter Wenzel • 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

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 2011 -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 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 / (pf2 f) Fluence N = pf 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 Polarisation Acier 316L • 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

10. Mouillabilité des surfaces texturées Paramètres laser: Acier Alu 7000 S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -ECULLY Création des surfaces fonctionnelles double-échelles Matériaux: - Acier: Variante du X40Cr14 - Aluminium: série 7000 10

11. 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

12. 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

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 2011 -ECULLY Δ = 15 µm Δ = 20 µm 13

14. Caractérisations MEB - Aluminium Δ = 4 µm Δ = 10 µm • Pas de ripples • Ondulations visibles pour Δ élevé S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -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 S. BENAYOUN - GDR MECANO 2011 -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 2011 -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 2011 -ECULLY Aluminium 17

18. 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

19. Influence du traitement laserla 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

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 2011 -ECULLY 20

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