Physique et ingénierie des surfaces , livre ebook

EDP Sciences - Jean-Paul Deville , Alain Cornet

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351 pages

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Extrait

Description

Une vue d'ensemble de l'évolution des connaissances sur les surfaces, sur leurs traitements et sur leur analyse. Pour les étudiants, les jeunes chercheurs, les ingénieurs et les industriels et un usage allant du bureau d'études à la formation continue.

Sujets

Techniques

Automatisation et Contrôle

Matériaux

Materials Science

Sciences et techniques

Technology

Engineering

Matériau

Informations

Publié par	EDP Sciences
Date de parution	01 janvier 1998
Nombre de lectures	3
EAN13	9782759802449
Langue	Français
Poids de l'ouvrage	20 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,5500€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

PHYSIOUE
ET INGENIERIE
DES SURFACES
A. Cornet J.-P. Deville
Ingénieur ENSAIS Ingénieur ENSCS
Docteur ès Sciences physiques Docteur ès Sciences physiques
Directeur de recherche au CNRS Professeur des universités
Professeur à l’École Nationale Supérieure
des Arts et Industries de Strasbourg
~
SCIENCES
7, avenue du Hoggar
Parc d’Activités de Courtabœuf, BP 1 12
91944 Les Ulis Cedex A, France MONOGRAPHIES DE MATÉRIALOGIE
Directeur de collection : Jean PHILIBERT
Ouvrages déjà parus
Mécanique de la rupture D. Miannay
Les quasicristaux, matière à paradoxes C. Janot et J.-M. Dubois
Ouvrage à paraître
M. Carrega Objets et matériaux polymères : le pourquoi et le comment
Illustration de couverture : Surface d’un polymère traitée par décharge corona afin de permettre
l’accrochage des encres d’impression (voir Fig. 7.26).
ISBN : 2-86883-352-7
ISSN : 1275-3807
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du
11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les e copies ou repro-
ductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective >>, et
d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, c toute représenta-
tion intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est
illicite x (alinéa ler de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit,
425 et suivants du Code pénal. constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles
O EDP Sciences 1998 Physique et ingénierie des surfaces est un ouvrage qui se veut le point de ren-
contre entre les sciences pour l’Ingénieur et la physique des Surfaces.
La science des Surfaces existe à Strasbourg : Stanislas Goldsztaub fut, avec
son équipe, un pionnier dans ce domaine depuis plus de trente-cinq ans. I1 avait
conçu et développé les premiers diffracteurs d’électrons lents de la seconde géné-
ration. Grâce à lui, des spectres Auger destinés à l’analyse des surfaces ont été
observés pour la première fois en France. Petit a petit, avec l’aide des grands
organismes de recherche, de l’université Louis Pasteur, des écoles d‘ingénieurs et
de la région Alsace, se sont constituées des équipes qui ont développé avec
constance des instruments et des méthodes pour comprendre les phénomènes
qui ont lieu au voisinage des surfaces. La catalyse, la mécanique des surfaces,
les propriétés optiques, électroniques et magnétiques des interfaces dans les
nouveaux matériaux en sont quelques exemples.
Ce livre est né aussi de l’enseignement donné à Strasbourg aux élèves ingé-
nieurs de l’École nationale supérieure des arts et industries (ENSAIS) et aux étu-
diants du DESS << Techniques de dépôt des matériaux en couches minces », puis
a Bucarest dans le cadre d’un module d’enseignement en français qui porte le
nom du présent ouvrage. À ce titre, nous voudrio s remercier les initiateurs de
ces enseignements et les étudiants, notamment n f s amis roumains qui s’astrei-
à découvrir une science nouvelle dans une langue qui n’est pas la leur. gnent
Si chacun connaît le mot surface, il n’a pas pour tout le monde la même
signification. Le mathématicien conçoit une surface au sens de Laplace comme
une entité sans épaisseur, le géologue l’entend comme la partie supérieure de la
croûte terrestre épaisse de quelques kilomètres. Entre ces extrêmes, prennent
place toutes sortes de définitions [y compris celle qui nous est, hélas, offerte par
la langue de bois administrative qui fait d’un agent de nettoyage un technicien
de surface). C’est pourquoi cet ouvrage voudrait comprendre la surface comme A. CORNET et J.-P. DEVILLE IV
une zone pénétrant le volume sur une épaisseur allant des premiers nanomètres
à, parfois, quelques centaines de micromètres et permettre ainsi à deux commu-
nautés scientifiques et technologiques de se rencontrer et de confronter leurs
concepts : celle des << métallurgistes B (au sens large) qui se préoccupent surtout
des matériaux de structure (tournés vers les propriétés mécaniques et la protec-
tion vis-à-vis des agressions chimiques) et celle des physiciens et physico-chi-
mistes des surfaces qui étudient plutôt les matériaux de fonction (orientés vers
les propriétés électroniques, optiques ou magnétiques). Par convention, on par-
lera de surface pour la séparation entre une phase diluée (gaz) et une phase
condensée (liquide ou solide), d’interface pour une séparation entre deux
phases condensées (liquide/liquide, liquide/solide, solide /solide). Quoique
consacré pour l’essentiel aux surfaces, cet ouvrage traitera aussi d’interfaces,
sachant que la différence entre les deux concepts est souvent faible, notamment
en thermodynamique. Mais dans ce texte, hormis le mouillage, nous considére-
rons rarement les interfaces mettant en présence des liquides. Celles-ci sont très
bien décrites dans les ouvrages qui traitent de la corrosion ou de l’électrochimie.
La plupart des ouvrages traitent les surfaces comme des entités << en soi >> et
les envisagent essentiellement comme étant le siège de propriétés spécifiques
(adsorption physique ou chimique, corrosion, catalyse.. .). En revanche, peu
d’ouvrages sont consacrés à l’état mécanique des surfaces et à ce qu’on pourrait
appeler leur ingénierie. I1 s’agit ici d‘étudier la surface après son elaboration,
donc d’analyser sa morphologie, sa structure, sa composition après sa création
ou sa modification. En réalité, dans de nombreuses applications industrielles cet
<< état mécanique >>joue un rôle important sur les propriétés et il est nécessaire de
ou physico-chimiques qui permettent de le connaître les concepts physiques
décrire, le caractériser et le comprendre.
Nous débutons cet ouvrage par la création de la surface (clivage, étirement,
dressage mécanique, dépôt de matière, modification physico-chimique.. .). Nous
montrons que la surface considérée comme séparation arbitraire dun volume ou
d’un cristal en deux parties non affectées par la coupure n’est pas stable. À par-
tir de notions simples de thermodynamique classique (quantités d’excès de
Gibbs notamment), nous établissons que la tension superficielle est reliée direc-
tement à un potentiel dont la minimisation permet de com-
prendre l’évolution tant de la surface propre sous vide (métaux, semi-conduc-
teurs) que des surfaces créées à l’air libre ou en atmosphère contrôlée
(polymères, matériaux). C’est dans ce premier chapitre que nous abordons
relaxation, reconstruction, adsorption, mouillabilité.
Ensuite, dans un second chapitre, nous commençons la description de l’état
mécanique et géométrique des surfaces en nous intéressant notamment aux défi-
nitions de la rugosité. Nous voudrions montrer que les concepts de rugosité utili-
sés dans la technologie des traitements de surface sont universels et que seules
les échelles de résolution des instruments de mesure changent. Ce chapitre est
aussi le début d’une exploration vers la profondeur du matériau sous-jacent car,
outre la rugosité, nous prenons en compte contraintes et dureté superficielles.
La question du comportement mécanique des surfaces et celle de leurs
propriétés fonctionnelles (frottement et usure) sont traitées dans le troisième AVANT -PROPOS V
chapitre, à partir des mécanismes de base, en dégageant et expliquant les trans-
formations de surface (formation de couches d‘oxydes, adhésion entre surfaces
frottantes, transformations métallurgiques superficielles induites, évolution des
surfaces portantes...). Bien que la corrosion soit une grande cause de dégrada-
tion des surfaces nous avons volontairement choisi de ne pas la traiter en raison
de l’ampleur du sujet ; elle est cependant présente à travers les états de la sur-
face qui risquent de l’induire ou qui permettent de l’éviter.
Le quatrième chapitre met en place les concepts physiques nécessaires à la
compréhension des méthodes d’analyse des surfaces suivant les trois aspects
Nous évoqués dans le premier paragraphe (morphologie, structure, composition).
attachons une grande importance à l’analyse morphologique qui décrit le mieux
l’état mécanique des surfaces et nous abordons l’analyse de rugosité en allant
du cc plus gros >> au <c plus fin », de la rugosité microscopique à la rugosité ato-
mique, du palpeur à l’AFM en passant par le nanoindenteur. Ceci suppose une
connaissance préalable des forces s’exerçant au voisinage des surfaces : elles
sont rappelées brièvement en référence à l’œuvre d‘Israelachvili. Du point de vue
des méthodes structurales et analytiques, il était difficile de ne pas faire un rap-
pel sur l’interaction rayonnement-matière dans la mesure où ions, rayons X,
électrons, lasers interviennent de façon majeure dans l’étude et la modification
des surfaces. Une étude plus poussée du transfert d’énergie dans le cas de l’in-
teraction photon-matière (cas de l’ablation laser notamment) a semblé néces-
saire face à la relative rareté des ouvrages disponibles sur ce sujet.
Le cinquième chapitre décrit les méthodes en elles-mêmes. Le choix de ces
méthodes est guidé par le fait qu’elles doivent être déjà utilisables dans le
domaine industriel ou en voie de l’être dans un proche futur. Les méthodes plus
académiques comme la diffraction d’électrons lents ou connues depuis très long-
temps comme les isothermes d’adsorption (méthode BET) sont amplement discu-
tées dans d’autres publications. Nous décrivons donc à l’aide de nombreux
exemples tirés de notre expérience :
la diffraction des rayons X rasants et la réflectométrie (spéculaire et diffuse),
la microscopie à force atomique (AFM), la nanoindentation, la microscopie à
balayage (MEB) et les mesures de rugosité avec ou sans contact :
la décharge luminescente (SDL), la spectroscopie Auger et la photoémi