Polymedia Meichtry SA

Ouverture de la journée

Le président de la section romande de la SST, M. O. Manasterski ouvre la journée en souhaitant la bienvenue aux participants au nom des trois associations. Présentation des trois présidents présents à l’ouverture: MM R. Dubach (ASTT), P. Raetzo (ARETS), et excuse le retard de M L. Eichenberger (AER). Remerciements aux organisateurs de la journée, à l’ei-vd qui nous accueille et particulièrement à la secrétaire de l’ASTT- section romande Mme Alexandra Walther pour son travail exceptionnel de préparation et d’organisation de cette journée.

Conférence de M. F. Sanchette (CEA – Grenoble):

«Elaboration et Caractérisation de revêtements type « Diamond-Like Carbon »

M. Sanchette introduit sa présentation en organisant ses propos en quatre parties:

a) Contexte, objectifs et méthodologie;

b) Carbone amorphe par PECVD en basse fréquence;

c) Optimisation des caractéristiques des dépôts par multicouches;

d) Solution industrielle innovante: texturation des surface augmentant les propriétés tribologiques.

a) Contexte, objectifs et méthodologie: Le contexte de ce développement est en particulier dans le domaine mécanique des pièces en mouvement, l’enjeu est la réduction de consommation de carburant et les émissions polluantes y liées. L’objectif des travaux présentés est le paramétrage du PECVD à basse fréquence pour la production de couches DLC hydrogéné de types a-CH; soit leur amélioration par modification des structures produites et leurs compositions. La méthodologie est présentée au travers des résultats de ces travaux.

b) Carbone amorphe par PECVD en basse fréquence: Les méthodes de production de ces couches sont exposées, relativement aux domaines des compositions atteintes:

- Pulvérisation cathodique par magnétron,

- Evaporation par arc cathodique,

- Ablation laser,

- PECVD en radio fréquence avec l’utilisation de CH₄, C₂H₂, C₂H₄, C₆H₁₂ comme sources gazeuses de carbone.

Les applications de ces différents matériaux (DLC, a-CH, ta-C) se retrouve dans les disques durs, les mems, les cellules solaires, les prothèses, les moteurs.

c) Optimisation des caractéristiques des dépôts par multicouches: L’amélioration des caractéristiques des couches produites passe par l’étude du paramétrage des installations, par exemple par la mesure des contraintes résiduelles en fonction de la puissance du plasma de production des couches: une augmentation de la tension de polarisation implique une diminution de la résistance à l’usure. L’optimisation des couches multiples alternées DLC/SiC et a-CH/SiC est étudiée par la mesure des propriétés des matériaux en fonction de leur nature et de la fréquence et les épaisseurs d’alternances des couches de nature différentes.

Résultats:

- Les propriétés des matériaux obtenus sont fonctions de la nature des couches,

- La production de multicouches permet une réduction de 30% des contraintes résiduelles, et des duretés équivalentes à des monocouches de type a-CH

- Le meilleur compromis ménage la perte de la résistance à l’usure et l’amélioration des contraintes internes.

d) Solution industrielle innovante, texturation des surface augmentant les propriétés tribologiques: La texturation des surfaces obtenue par procédé lithographique sur les multicouches produites permet l’amélioration spectaculaire des caractéristiques tribologiques. En jouant sur les paramètres d’ouverture de la surface (par exemple 14 % et 24 % de taux d’ouverture), et sur la profondeur des textures gravées, comprises entre 300 et 1300nm, le matériau change profondément sa réponse à l’usure, et diminue jusqu’à 70 % l’usure de la contre-pièce.

Discussion:

En résumé, le paramétrage de la déposition, la complexité des couches déposées, et la texturation des surfaces produites sont les clés de l’amélioration des fonctionnalités des matériaux de type DLC.

Questions de l’assemblée:

- Quel est la résistance thermique des multicouches? F.S.: Il ne faut pas excéder 300°C;

- Quels sont les effets de la texturation? F.S.: C’est un sujet en développement, pas de généralisation des résultats expérimentaux.

- N’est-il pas plus aisé de texturé le substrat? F.S.: Il est plus simple de texturer le DLC plutôt que l’acier. En trois dimensions, les méthodes s’éloignent des procédés connus en électronique;

- Quelle différence en terme de coefficients de frottement entre une monocouche de type a-CH et les meilleures multicouches présentées? F.S.: 0,02 pour une monocouche de type a-CH, comparé à 0,01 en notant que l’extrême surface est constituée de a-SiC.

Conférence de Mme M.-I. De Barros – Bouchet(Ecole Centrale de Lyon):

«Future Trends in Boundary Lubrication of Carbon-Based Coatings with Environmental Friendly lubricants»

En introduction, Mme De Barros – Bouchet rappelle les enjeux économiques liés à l’usure mécanique, estimés entre 5 et 7 % du PIB mondial. Une courte présentation de l’école centrale de Lyon permet au public de prendre connaissance des différents laboratoires et de leurs expertises.

a) Objectifs: Afin de diminuer la friction et augmenter la résistance à l’usure, les travaux présentés mettent en lumière l’étude de systèmes tribologiques en régime sévère. Les additifs usuels de lubrification contenant du phosphore et du soufre posent problème en particulier par l’empoisonnement des surfaces catalytiques utilisées pour réduire les émissions des oxydes d’azote. La stratégie mise en place est l’utilisation de nouveaux additifs aux paraffines de lubrification, en particulier les poly - alpha oléfines, et le traitement des substrats avec des couches carbonées. Enfin, un modèle de lubrification tiré de l’expérimentation et de la caractérisation des systèmes étudiés est rapporté.

b) Description des systèmes tribologiques: Comparaison et caractérisation des interfaces de frottement et des espèces chimiques utilisées pour la lubrification. Les couches carbonées étudiées sont de types diamant nanocristallins {n-C₄}, carbones tétraédriques amorphes (sans hydrogène) {ta-C}, carbones amorphes hydrogénés {a-CH}. Les additifs substituant les espèces phosphorées ou soufrées sont de types polyols, et esters, par exemple R-CH:CH-(CH₂)_n-COO-(CH₂) CHOH-CH₂OH {GMO}. L’environnement tribologique est de régime sévère en ultra vide.

c) Méthode de production des couches carbonées: Les substrats sur lesquels ces couches sont produites sont de l’acier et du titane. Les couches {ta-C} sont produites par arc cathodique, celles en {n-C₄} par plasma micro fréquences, et celles {a-CH} par plasma radio fréquences.

d) Caractérisations: Le caractère sp²-sp³ des couches carbonées est déterminé par spectroscopie «XR Absorption near edge», les spectroscopies de microscopie par transmission {FIB/TEM filtré en énergie, FIB/EFTM} caractérisent le type et l’homogénéité des couches étudiées, montrant notamment une couche graphitique à l’extrême surface. Les duretés des couches étudiées sont de 18 GPa pour les couches {a-CH}, 65 GPa pour les couches {ta-C} et 80 GPa pour les couches {n-C₄}. Un équipement unique à ce laboratoire permet de réaliser les essais tribologiques dans une enceinte à vide et de transférer les espèces chimiques produites vers les équipements analytiques (XPS/ spectroscopie Augier) sans interrompre la manipulation. Cet arrangement met en lumière la présence d’eau comme produit de dégradation. A la suite de ce constat la stratégie expérimentale est de marquer le carbone d’un modèle chimique choisi, le glycérol (1,2,3, propanetriol). Cette stratégie permet de vérifier un modèle pour lequel les ponts oxo de l’additif sont attachés à la surface d’un acier. La mesure des fragments dans le cœur des couches montre que le {n-C₄} reste inchangé, alors que pour les autres types de couches carbonées les fragments pénètrent la surface notablement. A noter que la dégradation du fragment glycol produisant de l’eau est particulièrement dommageable pour les aciers non revêtus, accélérant la corrosion chimique de ce type de substrat. La seule conséquence pour les surfaces recouverte de couches carbonées est le changement de viscosité du lubrifiant par l’adjonction d’eau de dégradation.

En résumé, le coût de l’usure par friction est extrêmement élevé et toute amélioration des qualités tribologiques des systèmes en mouvement est un progrès économique.

Questions de l’assemblée:

- A-t’on mesuré les couches graphitées sur acier? M.-I. DB.: Aucun échantillon des partenaires industriels {ta-C} sans polissage n’a pu être mesuré. Cette couche est également présente sur les substrats cuivreux.

- La croissance dans le cœur des couches d’espèces carbonées est-elle due à la dégradation du substrat? M.-I. DB.: En effet, pas de carbone marqué n’est présent dans cette interface.

Conférence de M. Y. Leterrier (EPFL)

«Couches minces, nanocomposites et nanostructures des Polymères»

En introduction, M. Leterrier nous prépare au survol de l’état de la technique des polymères, des nanocomposites et des couches minces. Les applications sont multiples, dans les domaines de l’énergie, des transports et de la bio- technologie. L’avantage principal est le gain de poids des matériaux utilisés, présentant un bilan de vie favorable.

a) Etat de la technique: Le rappel des propriétés de différents polymères est montré à travers différents graphiques, notamment vis-à-vis de la perméation à l’eau et à l’oxygène. Les applications industrielles liées à ces propriétés montrent les défis scientifiques et technologiques pour atteindre des domaines de propriétés propres à permettre l’utilisation des polymères pour des cellules solaires flexibles ou des écrans «OLED» (organic light emitting diode). Devant atteindre des propriétés fonctionnelles et mécaniques propres à assurer une durée de vie suffisante, les couches minces polymériques insèrent également des minéraux en application de couches multiples. Si les caractéristiques de perméation sont hautement augmentées, les difficultés sont des stress internes important et la délamination des couches fonctionnelles. Les écrans OLED sont particulièrement sensibles à l’oxydation, malgré la faible perméabilité des polymères le domaine de perméation à l’oxygène et à l’eau des couches multiples de cette application doit être aussi bas que possible.

b) Barrière aux gaz: La cristallinité de la couche est un facteur favorable à l’effet barrière aux gaz. Des nano composites argile-polymère paraissent performants comme barrière aux gaz. Les propriétés très différentes de ces nano composites, surface spécifique très importante et différences de points de fusion, causent des problèmes de mise en œuvre. L’inverse de la perméation de l’ensemble des couches multiples est proportionnel à l’inverse de la somme des perméations des couches individuelles. En conséquence, de faibles épaisseurs ont un impact important sur l’effet barrière. Par exemple, une couche de 20 nm de SiO₂ augment d’un facteur cent la perméation de l’ensemble. L’objectif est une amélioration d’un facteur 10⁶, de plus la croissance d’une couche de silice par les méthodes conventionnelles est hétérogène et 8 um sont nécessaires pour observer une différence de propriété, à 12 um on atteint une asymptote pour laquelle aucune amélioration n’est perceptible. Les défauts de la structure péjorent les propriétés de perméation, les contraintes internes causent la rupture de l’intégrité mécanique.

c) Stratégie expérimentale: La mesure de ces défauts, soit la densité de craquelures en rapport à une mesure de traction, permet d’optimiser le type de couches et leurs alternances, un défaut est défini à 1% d’étirement d0mmageable. Le facteur ainsi défini, BIF: «Barrier improvment factor» permet de comparer différentes configurations:

- une monocouche a un BIF de 10³,

- un nano laminé de type alumine – alcool poly vinylique a un BIF de 10⁵; dix couches alternées de ce type avec une épaisseur optimale de 70 rayons de défauts atteint un BIF de 2.10⁶,

- l’alternance de couches organique-minérale non laminées permet d’augmenter le BIF; ces couches sont de type poly éthylène/silice – silane (12 nm PE/SiOx – 50 nm silane).

L’industrialisation de ces couches multiples demande une diminution des temps de production. Les silanes sont oligomérisés pendant 12 h, d’autres composés sont étudiés pour permettre leur polymérisation sous UV avec des durées moins contraignantes. Toutefois de nouveaux moyens d’analyse de ces composés sont nécessaires.

Afin d’améliorer la ténacité des nano composites outre les cycles de croissance et d’irradiation, le développement de nouveaux polymères de type hyper branchés paraît être une voie notable de progrès. On en trouve l’application dans la micro électronique (SU8 sous UV et PVA additionnés d’hyper branchés), ainsi que dans les mesures de bio-analyse.

Discussion:

Cette présentation est une excellente mise à niveau de nos connaissances des polymères.

Questions de l’assemblée:

- Quel est le prix des polymères hyper branchés? Y.L.: Quelques dizaines de CHF par kg, comparé à quelque mille CHF le g de cristaux liquides.

- De quels types sont les hyper branchés? Y.L.: Ce sont des polyols.

- A – t’on exploré des polymérisations in situ tel le Kelvar? F.S.: c’est le cas des composites argile – PA, et des sol. gel – silane.

Conférence de M. C. Deraed (Horiba)

«RF – GD OES, analyse des couches minces»

M. Deraed introduit sa conférence par la présentation des cinq activités de la société Horiba. L’analyse des couches minces par l’appareil présenté permet d’obtenir le profil de profondeur jusqu’à 150 µm, on distingue les couches nanométriques avec la détermination de tous les éléments présents. La méthode utilisée est la spectrométrie d’émission à décharge luminescente, elle permet une analyse rapide des surfaces conductrices ou isolantes.

a) Principe: L’appareil produit une décharge à haute fréquence à la surface de l’échantillon pour former un plasma d’ions argon. Ces ions d’argon bombardent la surface de l’échantillon et en arrachent des particules qui à leur tour génèrent des photons caractéristiques des éléments présents. Ces photons sont identifiés par spectrométrie optique.

b) Applications: Par exemple, l’appareil permet la caractérisation du traitement thermique d’un acier, avec des échantillons compris entre 1 et 8 mm de diamètre. De même, on peut observer l’interface cuivre – nickel de dépôts galvaniques avec la mise en évidence d’hydrogène inter facial. L’étude des céramiques est également possible. Pour les polymères, on peut en déterminer le type.

c) Avantages:

o Tout type de surface peut être analysée sans préparation préliminaire;

o Tous les éléments peuvent être mis en évidence, y compris les éléments légers tels que H, Li, Be, B, N, O, F;

o L’analyse est très rapide, de quelques secondes à quelques minutes;

o Un profil de profondeur est possible après calibration de la vitesse d’ablation de la surface;

d) Inconvénients:

o Méthode destructive;

o Mauvaise résolution latérale puisque le plus petit impact est de 1 mm de diamètre.

Conférence de M. S. Freti (Laboratoire Dubois)

«Caractérisation des traitements antireflet au Laboratoire Dubois»

M. Freti introduit sa présentation par le rappel des activités de son entreprise. Compétence et impartialité sont les maîtres mots de cette société; l’importance du dialogue dans un espace de confidentialité avec les mandants ainsi qu’une grande flexibilité des interventions font du Laboratoire Dubois un partenaire précieux pour l’industrie. Les six départements du laboratoire assurent la distribution des savoir-faire . En particulier, l’entreprise est tournée vers l’horlogerie, la chimie, la galvanoplastie, les cuirs et polymères, la métallurgie pour la caractérisation des matériaux ainsi que la tribologie sur mandats particuliers.

Couches antireflet:

a) Application: Principalement déposées sur les faces internes et externes des verres de montre en saphir, les couches à caractère optique sont délicates à produire. Le saphir a une réflectivité importante, de l’ordre de 7 % entre 250 et 800 nm pour un indice de réfraction de 1,76 comparativement au verre qui présente une réflectivité de 4% entre 350 et 850 nm pour un indice de réfraction de 1,5.

b) Principe: Les couches sont disposées successivement avec des rapports d’épaisseur / indice de réfraction produisant des interférences destructrices. Ainsi, plusieurs interfaces entre matériaux de propriétés distinctes sont réalisées de telle manière qu’un déphasage de 180° se produise entre deux couches contiguës. La longueur d’onde impose une épaisseur donnée en rapport à l’indice de réfraction. La fonction recherchée passe ainsi par une parfaite maîtrise de l’épaisseur des couches interférentielles.

c) Caractérisation: Les propriétés optiques désirées sont caractérisées en transmission ou en réflexion. Les sollicitations exercées sur les faces externe et interne du saphir fonctionnalisé méritent également des mesures particulières. Les contraintes externes sont de types mécaniques et climatiques, alors que les contraintes internes sont plutôt thermiques et chimiques. La dureté des verres saphir fonctionnalisés est comprise entre 1800 et 2200 Hv; par comparaison les couches antireflet sont caractérisées par des duretés de l’ordre de 1000 Hv pour des épaisseurs typiques de quelque centaines de nm. Pour la caractérisation de l’adhérence des couches et de leur résistance à la corrosion, des tests normalisés sont utilisés, par exemple les tests de brouillard salin, de sueur synthétique, ou un test d’adhérence par ultrasons.

En conclusion, Monsieur Freti expose les références normalisées dans les domaines optiques et d’instrumentation, ISO 8980-4, ISO 8980-5, ASTM et F735-06, puis informe des activités du Laboratoire Dubois en relation avec la normalisation dans le cadre de NIHS.

Conférence de M. J.M. Rufer (BHI)

«Evolution des traitements thermochimiques: Quelques exemples»

Après une courte présentation du laboratoire BHI à Bienne, Monsieur Rufer nous expose l’influence de la diffusion d’azote à l’intérieur d’un matériau. Quelques exemples de nitruration mettent en lumière la modification des caractéristiques mécaniques des pièces traitées:

a) Nitruration d’instruments de percussion formés avec de la tôle emboutie (Hang). Le traitement appliqué améliore la propagation des ondes sonores dans l’instrument;

b) Traitement thermique sous atmosphère d’ammoniac de scalpels pour les opérations ophtalmiques. La décomposition thermique de l’ammoniac provoque la nitruration de la pièce, l’hydrogène produit simultanément permet la décarbonatation de la surface et une étape de traitement thermique sous vide termine le processus;

c) La nitruration de prothèses de hanche sous azote permet l’amélioration des propriétés tribologiques de la pièce et modifie les caractéristiques de corrosion de l’alliage utilisé.

La formation d’azote en solution dans les couches superficielles sans formation de nitrures par un traitement compris entre 1100 et 1500 °C augmente notablement la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable. A température moins élevée, soit au-dessous de 450 °C, des couches très dures sont produites de type S-phase, montrant également d’excellentes propriétés de résistance à la corrosion, pour lesquelles il est nécessaire de neutraliser la couche de passivation.

Questions de l’assemblée:

- Une préparation de surface est-elle réalisée avant traitement thermochimique? J.M. Rufer: elle est possible sans être nécessaire.

- Sous quelle forme se trouve l’azote sans former de nitrure? J.M.R: On trouve l’azote sous forme atomique occupant l’espace interstitiel.

- Quel moyen est utilisé pour dépassiver les aciers traités au-dessous de 450 °C? J.M.R: Il existe différentes solutions.

Conférence de M. F. Davin (CSM)

«Caractérisation de propriétés mécaniques de surface par indentation, scratch et tests tribologiques»

Monsieur Davin présente l’entreprise CSM à Peseux et développe son exposé sur le programme d’outils de nano et micro indentations:

a) Détermination des valeurs de dureté Hit et de module élastique Eit par la technique d’indentation instrumentée, la rigidité étant calculée à partir de la pente de décharge;

b) Pour les mesures de dureté des films minces, la pénétration doit être inférieure à 10 % de l’épaisseur de la couche mince afin d’éviter l’influence du substrat;

c) Une rugosité élevée a un effet important sur la dispersion des résultats en indentation instrumentée, cet effet pouvant être obvié par la multiplication des mesures sur des surfaces non polies;

d) Par des mesures multi cycles, en variant la charge appliquée, la dureté en fonction de la profondeur peut être déduite. C’est une opération utile pour le contrôle qualité des traitements thermiques.

Présentation du scratch test:

Ce test de résistance à la rayure permet la mesure des charges critiques par observation optique d’une déformation de la matière lors de l’application d’une charge croissante sur une pièce en mouvement. La délamination d’un revêtement peut également être caractérisée par l’analyse de l’émission acoustique en fonction des profondeurs atteintes.

Présentation des tribomètres:

Par l’application d’une charge transmise par une sphère sur un échantillon en rotation, on peut prédire l’usure d’un couple de matériaux. Des mesures à hautes températures (et sous vide) sont également possibles pour des températures allant jusqu’à 800 °C ou 1000 °C selon le modèle.

Présentation du calotest:

En érodant l’échantillon à l’aide de sphères en rotation de diamètres divers, l’épaisseur des couches minces peut être déterminée par la mesure des anneaux apparaissant au microscope optique.

Conférence de M. D. Prongué (HE-ARC)

«Le silicium entre dans la montre mécanique»

En introduction Monsieur Prongué expose le bilan énergétique d’un mouvement mécanique:

1,6 µW sont disponibles au le barillet, on retrouve 1,2 µW sur l’échappement et plus que 0,4 µW sur l’oscillateur.

Ainsi le potentiel d’amélioration de la montre mécanique est amené plus par le facteur tribologique que par le gain de masse de l’oscillateur. La fragilité du Silicium est une difficulté d’assemblage et de marche du composant. Les avantages d’utilisation sont une grande précision de fabrication, une souplesse de dimensionnement en deux dimensions et la propriété cristalline qui en fait en ressort quasi parfait.

Des mesures de rendement de l’échappement montrent que le couple tribologique en Silicium est performant sans aucune lubrification.

Les applications se trouvent dans la roue d’ancre et l’ancre (propriétés tribologiques), le spiral et l’amortisseur (propriétés élastiques), le pont (précision des perçages).

Des revêtements ont également été testés pour améliorer les propriétés tribologiques, de type SiO2 et DLC.

Discussion:

Cette conférence nous illustre la passion communicative vécue pour l’horlogerie.

Pour illustrer son propos, Monsieur Prongué présente à l’assemblée une série de pièces réalisées en silicium.

Clôture de la journée Surf Therm 2009

L’organisation remercie l’assemblée et les conférenciers et rappelle le cinquantième de la revue professionnelle «Oberfläche / Polysurfaces» qui nous promet un numéro spécial en septembre et une offre promotionnelle de publication.

Le centre professionnel pour les galvanoplastes à La Chaux-de-Fonds est en recherche de fonds, une partie sera financée par la Fondation Suisse du Traitement de Surface et par le Canton de Neuchâtel, toutefois l’appel à un financement de l’industrie reste nécessaire. Les associations organisatrices de cette journée invitent les participants à faire bon accueil à cette réalisation.