Caractérisation de la composition chimique des surfaces

La chimie de la surface du matériau a un rôle très important dans l’évolution de la mouillabilité de la surface texturée. Il existe de nombreuses façons de caractériser la chimie élémentaire d’une surface. Elles sont pour la plupart localisées, en surface ou en profondeur.

Les techniques de caractérisation qui ont été utilisées sont :

- la micro-analyse élémentaire par spectrométrie à rayons X à dispersion d’énergie (Energy Dispersive X-ray Spectrometry, EDS) ;

- l’analyse en surface par spectrométrie photo-électronique X (X-ray Photoelectron Spectrometry, XPS).

4.4.4.1 Spectrométrie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS)

Les analyses EDS ont été réalisées grâce au MEB JSM-67000F de JEOL de l’IPCMS. Dans cette méthode d’analyse qualitative et quantitative, un faisceau d’électrons est focalisé sur l’échantillon. Leur énergie est choisie entre quelques keV et 35 keV. L’impact crée des rayons X qui sont caractéristiques des éléments en présence. Il est possible d’analyser une surface globale, dont la dimension peut varier de quelques millimètres à quelques micromètres, ou alors un point précis choisi par l’utilisateur. Les analyses ponctuelles sont réalisées avec une résolution spatiale de l’ordre de 1 µm3 [Faerber 2004].

Figure 4.16: Principe simplifié de fonctionnement de la spectrométrie EDS.

Un spectromètre associé à un calculateur collecte les photons X et il les classe en fonction de leur énergie. Il est possible de détecter les éléments à partir de l’élément bore (B, Z = 5) ou l’élément sodium (Na, Z = 11), jusqu’à l’uranium (U, Z = 92).

Nous obtenons un spectre EDS présentant plusieurs raies caractéristiques des éléments détectés, comme le montre la figure suivante. Ces raies apparaissent toujours par séries (série K, L et M) dont les intensités sont connues et incorporées à un analyseur qui permet de les repérer directement. Dans le spectre EDS montré ci-après, la composition élémentaire de trois surfaces métalliques est représentée : un échantillon d’acier inoxydable 316L brut et un autre texturé par laser, ainsi qu’un échantillon d’alliage de titane (titane grade 5, Ti-6Al-4V).

Figure 4.17: Spectres EDS d'échantillons d’acier inoxydable 316L avant/après texturation laser, et un échantillon d’alliage de titane Ti-6Al-4V texturé.

4.4.4.2 Spectrométrie photo-électronique (XPS)

L’analyse XPS donne des informations sur les éléments chimiques en présence et sur les états de liaisons des éléments détectés en surface de l’échantillon. Son principe est basé sur la mesure de l’énergie des photoélectrons émis par un solide irradié par un faisceau d’électrons X, énergie caractéristique des éléments présents. La profondeur analysée en XPS est de 2-5 nm, contre 200 nm à 1,5 µm en EDS, et la surface pouvant être couverte est de plusieurs mm², typiquement de 8x8 mm² [URL XPS].

Figure 4.18: Principe simplifié de fonctionnement de la spectrométrie XPS.

Les analyses XPS et le rapport de caractérisation sont réalisés à l’Institut de Chimie et Procédés pour l’Energie, l’Environnement et la Santé (ICPEES). Les mesures sont faites grâce au spectromètre ultravide (Ultrahigh Vaccum, UHV) équipé d’un analyseur d’électrons VWS Class WA, en utilisant une source de rayons X Al-Kα. Les spectres obtenus se présentent sous la forme suivante (Fig. 4.19). Comme pour le spectre obtenu par EDS, on observe sur celui de la spectrométrie XPS des pics pour différentes énergies de liaison, qui sont caractéristiques des éléments.

Figure 4.19: Spectres de balayage global obtenu par XPS d’un échantillon de titane texturé par laser : la différence de composition chimique provient d’un conditionnement différent des échantillons.

4.5 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présenté le système laser et les matériaux texturés, ainsi que les appareils et techniques de caractérisation utilisés.

Nous avons décrit la caractérisation de notre faisceau laser et mis en évidence les différences par rapport au laser Titane:Saphir utilisé dans la littérature.

Les échantillons que nous avons structurés sont pour la plupart, de l’acier inox 316L, choisi pour son intérêt dans les domaines biomédical ou aéronautique.

Les échantillons structurés ont été caractérisés avec différents dispositifs : profilomètre 3D, microscope interférométrique, microscope à force atomique et microscope électronique à balayage.

Nous avons décrit le protocole de caractérisation des surfaces, et plus particulièrement de la propriété de mouillabilité que nous cherchons à modifier. Les propriétés de mouillage dépendant également de la physico chimique de la surface, nous avons également des techniques permettant de la caractériser.

Chapitre 5.

Considérations théoriques sur les

modifications de surface irradiée par laser

femtoseconde

Sommaire

5.1 INTRODUCTION ... 89

5.2 ABSORPTION DE L’ENERGIE LASER ET DEFINITION DE LA CHALEUR RESIDUELLE ... 90

5.3 EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DU MATERIAU APRES IRRADIATION PAR UNE IMPULSION LASER

FEMTOSECONDE ... 92

5.4 AUGMENTATION DE LA TEMPERATURE EN UN SPOT DU MATERIAU APRES IRRADIATION PAR UN

TRAIN D’IMPULSIONS LASER ... 95

5.5 ACCUMULATION THERMIQUE AU SEIN DU MATERIAU ET DETERMINATION DES LIMITES DE

CONDITIONS OPERATOIRES A UTILISER ... 97

5.6 DETERMINATION DE CONDITIONS OPERATOIRES : FLUENCE LASER ET NOMBRE D’IMPULSIONS

CONSECUTIVES ... 100

5.7 DECROISSANCE DE LA TEMPERATURE EN SURFACE DU MATERIAU ... 102

5.8 PROFONDEUR ET LARGEUR DE LA ZONE IRRADIEE PAR LASER ... 104

5.9 DYNAMIQUE DE L’IRRADIATION D’UN SPOT DE LA SURFACE DU MATERIAU ... 106

5.10 CONCLUSION... 109

5.1 Introduction

L’objectif de ce chapitre est de préciser les ordres de grandeur des paramètres expérimentaux à utiliser, afin d’obtenir une modification de la topographie de la surface pour les applications de contrôle de la mouillabilité. Ces considérations théoriques se justifient par le fait que les conditions d’interaction laser-matière que nous utilisons diffèrent de ce qui se trouve dans l’état de l’art. Le laser que nous utilisons n’a pas encore été utilisé dans le contexte qui nous intéresse.

Nous avons vu dans le chapitre d’état de l’art sur les transferts d’énergie au sein d’un matériau métallique lors de l’absorption d’impulsions laser ultracourtes, que l’énergie laser était d’abord absorbée par les électrons puis transmise au réseau cristallin par couplage électron-phonon. Ces transferts d’énergie engendrent des modifications d’état de la surface, au niveau de la Zone Affectée Thermiquement (ZAT). En fonction de la quantité d’énergie apportée lors de l’irradiation, la matière peut subir différents changements d’état, bien qu’en régime femtoseconde la matière soit le plus souvent directement sublimée.

Lorsqu’un spot de la surface est irradié par un train de plusieurs impulsions consécutives, une certaine quantité de l’énergie apportée sert à vaporiser le matériau, et une autre partie est convertie en chaleur résiduelle. Nous nous intéressons plus particulièrement à l’influence de cette chaleur résiduelle sur l’évolution de la température du matériau, pour nous permettre de délimiter la plage de paramètres laser à utiliser, en termes d’énergie par impulsion, de recouvrement des impacts et de taux de répétition.

Pour cela, considérons un spot de la surface du matériau, irradié par le faisceau laser focalisé. Le système laser intégré permet de réaliser un balayage de la surface, ce qui permet de définir un certain recouvrement des impacts et donc un nombre donné d’impulsions cumulées qui irradient le spot considéré. Dans un souci de simplification de l’estimation de la température de la surface après irradiation d’un train d’impulsions, nous nous plaçons dans un cas de tir statique au niveau de ce spot.

Nous commençons par décrire l’évolution de l’augmentation de la température au niveau de ce spot après irradiation par une seule impulsion laser. Puis nous intégrons le fait que le spot considéré reçoit plusieurs impulsions consécutives. Enfin nous décrivons les transformations qui résultent de plusieurs passages du faisceau

5.2 Absorption de l’énergie laser et définition de la chaleur