La voie mécanique

2.3.3 La voie laser ... 34

2.4 CONCLUSION... 35

2.1 Introduction

Le sujet de cette thèse porte sur la fonctionnalisation de surface par microstructuration laser. Dans ce chapitre nous définissons les différentes notions de « surface » et de « fonction de surface » ainsi que les différentes familles de fonctionnalités qui peuvent leur être conférées. Différentes méthodes de fonctionnalisation de surface sont passées en revue : nous décrivons d’abord les traitements de surface mécaniques ; nous abordons ensuite les diverses techniques par voie chimique utilisées, pour finir par les méthodes de fonctionnalisation de surface par laser.

2.2 Fonctions de surface

2.2.1 Comment définir une surface ?

Avant de définir ce qu’est une fonction de surface, intéressons-nous aux différentes façons d’appréhender une surface. De manière générale, la surface d’un matériau correspond à la frontière entre le matériau et son environnement (air, gaz, milieu aqueux, phase condensée…). Elle peut donc être considérée comme une interface entre le solide et un gaz, ou le solide et un liquide, etc. En science des matériaux, elle correspond à la frontière entre deux milieux homogènes.

La surface peut être vue de différentes façons : elle peut être envisagée d’un point de vue théorique ou d’un point de vue pratique. On distingue alors une surface modèle d’une surface réelle (industrielle). L’échelle d’observation de celle-ci n’est donc pas la même. Dans le premier cas, l’échelle d’observation est nano- voire micrométrique, et dans le second plutôt méso- et macroscopique. Les caractéristiques d’une surface diffèrent en fonction du type d’approche avec laquelle elle est décrite [Béranger & Mazille 2005a].

Dans une approche cristallographique de la surface, on considère le solide comme étant un réseau cristallin, avec un certain arrangement périodique des atomes : la surface correspond alors à une discontinuité dans ce réseau.

Une approche physique de la surface considère plutôt la structure électronique des atomes du matériau, structure qui se retrouve perturbée au voisinage de la surface, à cause de rupture entre les liaisons des atomes au niveau de l’interface.

L’approche thermodynamique d’une surface permet d’introduire les notions d’énergie de surface et de tension superficielle, et permet d’expliquer les phénomènes d’adsorption et/ou de réaction de molécules étrangères avec la surface. Cette dernière approche permet de comprendre la formation instantanée d’une couche de contamination sur une surface fraîchement préparée, comme par exemple la couche d’oxyde qui se forme à la surface des métaux, appelée également couche de passivation.

La notion de surface concerne donc de nombreuses disciplines comme la mécanique, la physique, la chimie ou encore la métallurgie. Pour décrire complètement et de manière cohérente une surface et ses propriétés, une approche globale faisant appel à ces différentes spécialités est nécessaire.

2.2.2 Qu’est-ce qu’une fonction de surface ?

Pourquoi choisit-on un matériau plutôt qu’un autre pour une application donnée ? Sans prendre en compte l’aspect financier de la question, la réponse réside bien souvent dans la surface et ses propriétés, ou encore dans les caractéristiques mécaniques, thermiques ou métallurgiques du matériau. En effet, les propriétés d’une surface lui permettent de remplir une fonction, un rôle particulier.

Par abus de langage, on parle souvent de « fonction de surface » au lieu de « fonctionnalité de surface ». En effet, la fonctionnalité d’un objet correspond à l’ensemble des propriétés ou

caractères, qui font que cet objet remplit correctement la fonction/le rôle pour lequel il est prévu. Ainsi, lorsqu’on parle de « fonctionnaliser une surface », cela signifie que, par un procédé mécanique ou physico-chimique, on la modifie afin de lui conférer une qualité supplémentaire utile dans le contexte de son utilisation.

2.2.3 Quelles sont les différentes familles de fonctions de surface ?

Voici une liste non-exhaustive de différents types de fonctions de surface qui peuvent être envisagées :

- l’amélioration de l’aspect visuel : rugosité, couleurs, brillance ;

- l’amélioration ou la modification des propriétés mécaniques d’une surface : résistance à l’usure, comportement au frottement (tribologie), résistance aux contraintes mécaniques ; - la maîtrise et l’amélioration des performances physico-chimiques d’une pièce : résistance à la corrosion, résistance au givrage, résistance à la salissure ou l’encrassement (auto-nettoyage, anti-fouling), résistance à la fatigue thermique, augmentation ou diminution de la mouillabilité/de l’adhérence, réduction du développement bactérien, biocompatibilité. Dans notre étude, nous avons considéré essentiellement la fonction de surface liée à sa mouillabilité. Cette fonction particulière est abordée et expliquée en détails dans le chapitre suivant.

Les traitements de surface sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels comme le secteur de l’horlogerie/joaillerie, le domaine du médical ou biomédical, le domaine aérospatial, le secteur automobile, agro-alimentaire, le domaine de la construction, dans le secteur électrique ou électronique.

2.3 Méthodes de fonctionnalisation de surface

La fonctionnalisation de surface permet d’apporter des fonctions spécifiques à tout type de surface en modifiant leurs propriétés physico-chimiques, mécaniques ou géométriques. Différentes voies de fonctionnalisation sont envisageables : par voie mécanique, par voie chimique ou électrochimique, et par voie physique que nous désignons par « voie laser ».

2.3.1 La voie mécanique

Les traitements de surface par voie mécanique ont souvent pour but de modifier l’aspect visuel de cette surface en jouant sur sa rugosité, en le rendant lisse et brillant ou à l’inverse plus rugueux et mat. Les deux procédés les plus couramment utilisés sont le sablage [Cuénin 1997] et le polissage [Béranger & Mazille 2005b].

Le sablage consiste à projeter un abrasif à l’aide d’air comprimé sur la surface à traiter, afin de la décaper ou la nettoyer, d’enlever une couche d’oxyde, ou encore afin de créer une rugosité plus importante pour faciliter l’accroche d’un revêtement. Dans le cas où le matériau abrasif est constitué de billes de verre ou de céramique, on parle alors de grenaillage.

Le polissage est un procédé qui permet de rendre lisse une surface en réduisant sa rugosité. Lorsqu’aucun défaut ou aucune rayure de dimension inférieure au micromètre n’est visible avec un microscope, on parle alors de « poli-miroir » et la surface obtenue est alors brillante. Le polissage peut se faire par abrasion, qu’elle soit manuelle ou robotisée, ou par écrouissage, ce qui revient à durcir le matériau (métallique) après sa déformation plastique en utilisant un outil particulier.

Toutefois, ces méthodes de fonctionnalisation de surface par voie mécanique ne sont guère utilisées pour la fonction principale qui nous intéresse dans le cadre de ces travaux, à savoir la modification des propriétés physico-chimiques de la surface pour contrôler ses propriétés de mouillabilité.