La voie laser

L’utilisation des technologies laser dans la fonctionnalisation de surface présente de nombreux avantages. Ces procédés sont très simples à mettre en œuvre car ils ne nécessitent pas de travail en salle blanche ou en chambre à vide. Ils sont également réalisables en une seule étape. Ils sont donc plus rapides que les procédés de traitement de surface par voie chimique cités précédemment. Les procédés laser ont également l’avantage d’être sans contact, tout en alliant précision et reproductibilité, et permettent un ajustement aisé des conditions opératoires. Les technologies laser sont d’ores et déjà exploitées dans de nombreux secteurs industriels (automobile, aéronautique, médical…). Leur utilisation pour la fonctionnalisation de surface devient de plus en plus fréquente. Dans une vision plus industrielle des traitements de surface, on peut souligner le fait qu’avec les procédés laser et les machines-outils associées, il est désormais possible de fonctionnaliser et de texturer la plupart des objets en 3D [Ahmmed et al. 2014]. Parmi les différentes méthodes de fabrication au laser de surfaces fonctionnelles, on peut citer l’inscription directe par laser (Laser Direct Writing), la création de modèle texturé par laser servant de moule d’injection (Laser Textured Templating) ou encore la lithographie par interférences laser (Laser Interference Lithography) [Chen et al. 2013]. L’inscription directe par laser est l’approche la plus couramment utilisée pour fonctionnaliser la surface d’un matériau en modifiant sa topographie. Les morphologies des surfaces structurées par laser dépendent des paramètres d’irradiation, des conditions opératoires et des propriétés intrinsèques du matériau. Les différents types de surfaces et de structures pouvant être obtenues ont été abordés dans la partie 1.3 du chapitre 1. Pour rappel, en fonction de l’approche de texturation de surface, il est

possible de structurer la surface par une auto-organisation de la matière ou en réalisant un motif particulier par ablation du matériau [Ahmmed et al. 2014].

Ce procédé de texturation de surface permet également d’envisager une solution simple de réplication : le moulage par injection d’un motif particulier. Dans un premier temps, un moule est créé par inscription laser, le plus souvent dans des matériaux métalliques mais également dans certains polymères. Puis une réplique est obtenue par injection de matériau polymère dans ce moule. Cette méthode est beaucoup utilisée pour concevoir et réaliser des systèmes microfluidiques [Yoon et al. 2008].

L’autre approche, la lithographie par interférences laser, est une technique simple ne nécessitant pas l’utilisation de masque et permettant de couvrir de larges surfaces à moindre coût. Cette technique est basée sur le principe d’interférences : lorsque plusieurs impulsions se recouvrent dans le temps et l’espace, une figure d’interférences apparaît. La surface peut être modifiée spatialement avec une grande précision en modifiant le nombre et la direction de faisceaux laser qui interfèrent, leur amplitude, leur phase et leur polarisation [Kondo et al. 2006 ; Wang et al. 2009].

Les procédés cités ci-dessus de fonctionnalisation de surface par voie laser utilisent différents types de sources laser impulsionnelles : laser nanoseconde, picoseconde et femtoseconde. Depuis l’apparition des premiers lasers femtosecondes au début des années 1980 [Fork 1981], leur utilisation dans les procédés de traitement de surface s’est fortement développée grâce au laser à solide Titane:Saphir [Nisoli et al. 1997]. Leur utilisation commence à sortir du cadre de la recherche expérimentale pour se diriger vers le secteur industriel. Toutefois, les performances en termes de vitesse et de rendement d’usinage sont encore limitées. Le développement récent de nouvelles sources laser à fibre, délivrant des impulsions ultra-courtes et pouvant atteindre de hauts taux de répétition, permet d’envisager un rendement accru pour les procédés de fonctionnalisation de surface. L’utilisation de ces nouvelles sources est encore peu courante à l’heure actuelle dans l’industrie.

2.4 Conclusion

La fonctionnalisation de surface consiste à modifier les propriétés de la surface par une opération mécanique, chimique, électrochimique ou physique.

Pour définir une surface dans l’approche qui nous intéresse, nous la considérons comme étant la frontière entre le matériau et l’environnement extérieur. C’est sur cette entité qu’il est possible d’appliquer différents traitements, pour modifier ses caractéristiques. Il est alors possible de modifier son aspect visuel, sa rugosité, sa mouillabilité ou toute autre fonction de surface du matériau, afin d’adapter cette surface à des conditions d’utilisations particulières.

Parmi les différentes méthodes de fonctionnalisation de surface, nous avons vu que pour modifier plus particulièrement les propriétés physico-chimiques d’une surface, de nombreuses techniques par voie chimique étaient utilisées. Toutefois, ces techniques sont complexes à mettre en œuvre : environnement de travail en salle blanche ou en chambre à vide, et protocole incluant de nombreuses étapes.

La méthode de fonctionnalisation de surface par voie laser permet de simplifier et d’accélérer le traitement de la surface par rapport à la voie chimique, tout en garantissant des résultats précis

et répétables. Pour ces travaux, nous avons choisi d’utiliser l’approche de fonctionnalisation par inscription directe par laser sur le matériau, en utilisant une source laser impulsionnelle femtoseconde. Différents types de surfaces nano et microstructurées peuvent ainsi être obtenus, en fonction de la stratégie d’usinage envisagée et des conditions opératoires utilisées.

Les modifications de surface des matériaux métalliques, par fonctionnalisation par voie laser, permettent de viser différentes applications, comme la modification de l’aspect visuel de la surface pour obtenir un effet coloré diffractif ou totalement noir absorbant, ou encore la modification de la mouillabilité des surfaces, afin de contrôler leur comportement vis-à-vis de liquides.

Chapitre 3.

Fonctions de surface envisagées par les

modifications topographiques induites par

traitement laser

Sommaire

3.1 INTRODUCTION ... 37

3.2 INTERACTIONS DES SURFACES STRUCTUREES AVEC LA LUMIERE ... 38

3.2.1 Iridescence et surfaces gonio-apparentes ... 38 3.2.2 Surfaces absorbantes de lumière ... 43

3.3 MODIFICATION DE LA MOUILLABILITE DES SURFACES STRUCTUREES ... 45

3.3.1 Théorie de mouillage sur une surface idéale ... 46 3.3.2 Mouillabilité des surfaces réelles ... 49 3.3.3 Vers un état de non-mouillage des surfaces ... 53 3.3.4 Modification de la mouillabilité de surface par texturation laser ... 58

3.4 CONCLUSION... 67

3.1 Introduction

Dans ce chapitre nous présentons deux fonctions de surface particulières, pouvant être obtenues par texturation laser sur des matériaux métalliques.

Dans le premier cas, la fonctionnalisation de la surface consiste à modifier l’aspect visuel de l’échantillon irradié, autrement dit la surface fonctionnalisée interagit avec la lumière pour donner différents rendus. En fonction du type de topographie et de rugosité de surface, il est possible de créer des surfaces iridescentes diffractant la lumière blanche pour donner un effet coloré, ou alors de réaliser des surfaces qui absorbent la lumière et présentent un aspect noir mat. Dans le deuxième cas, nous nous intéressons à la fonctionnalisation de surface qui fait plus particulièrement l’objet de cette thèse, la modification et le contrôle de la mouillabilité d’une

surface texturée par laser. Après une introduction des bases de la théorie de la mouillabilité, nous présentons les différents modèles classiques qui permettent de caractériser le mouillage d’un liquide sur une surface. Ensuite, nous décrivons le type de surface que l’on souhaite obtenir : une surface sur laquelle les liquides ne peuvent pas adhérer. Nous présentons enfin les différents résultats de texturation de surface obtenus par irradiation laser dans le but de modifier la mouillabilité, en associant les performances en termes de mouillage aux topographies de surface réalisées.