Dépôts de céramiques sur polymères (thermoplastiques ou thermodurcissables) assistés par laser ou plasmc : Faisabilité, caractérisation mécanique et physico-chimique

Ceramic coatings on polymers (thermoplastics or thermosets) by laser or plasma : feasibility, mechanical and physicochemical characterization

• Auteur / Autrice : Sophie Ayrault
• Direction : André Bernard Vannes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1995
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ingénierie et fonctionnalisation des surfaces (Ecully, Rhône....-2003)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Plasmas froids

Lasers

Corrosion

Mots clés libres

Caractérisation mécanique

Modifications morphologiques

Résumé

L'objectif de cette etude est la realisation de depots epais de ceramiques sur polymeres (thermoplastiques ou thermodurcissables) assistes par laser (CO2, = 10,6 m) ou plasma. De la poudre d'alumine a donc ete projetee sur un substrat de polyterephtalate d'ethylene glycol (pet) et une matrice epoxy. Compte tenu du comportement vis a vis de la temperature de ces deux materiaux, deux mecanismes d'adhesion se distinguent. Pour le polymere thermofusible, il apparait que l'adhesion de la ceramique sur le substrat est de nature mecanique et resulte de l'incrustation de grains de ceramique dans le polymere fondu, quelle que soit la technique utilisee. Neanmoins, des differences de depots apparaissent selon les projections effectuees: par plasma, un revetement gris homogene et compact avec apparition d'une deuxieme phase cristalline metastable a ete obtenu, par laser, selon les parametres particuliers de projection, un depot marron, plus rugueux et heterogene presentant la meme structure cristallographique que la poudre d'alumine initiale a ete obtenu. Des comportements divergents ont ete mis en evidence par differentes techniques d'analyse (tribologie, erosion, microdurete, traction). Au niveau du pet, de fortes modifications morphologiques en masse ont pu etre observees. Diverses techniques nous ont permis de montrer un gradient de cristallinite au cur du materiau, une forte dependance de la durete de la surface mais une morphologie inchangee en fonction du temps de traitement (ce qui a pu etre confirme par simulation par elements finis). Pour le polymere thermodurcissable, le caractere infusible des materiaux ne permet pas d'ancrage mecanique direct. Malgre la forte interaction faisceau/polymere susceptible de creer des groupements polaires dans le cas du traitement plasma, aucune adhesion avec la ceramique n'apparait. Il est donc necessaire de creer une couche intermediaire favorisant un accrochage a la fois avec le substrat et l'alumine. Des essais avec des materiaux industriels se sont montres particulierement interessants aussi bien au niveau qualite de depot qu'adherence.

The aim of this work was to deposit thick ceramic coatings on polymer substrates (thermoplastics of thermosets) assisted by laser (CO2, =10,6 M) or plasma. Alumina powder has been deposited on polyethylene teraphtalate (PET) and on epoxy resin substrates. Since both these materials have different behaviours towards temperature, two adhesion mechanisms can be observed. For the thermoplastic polymer an adhesion of the ceramic particules on the substrate has been observed by mechanical anchorage which is due to the incrustation of the alumina grains on the melted polymer whatever the technique used. However, some differences between plasma or laser coatings have appeared. Using plasma coating, a grey and dense coating with appearence of a new γ crystallographic structure in addition to the original corundum structure has been obtained. Using laser coating, according to the different treatment parameters, a brown and inhomogeneous as well as rough deposit which shows the same crystallographic structure as the initial ceramic powder has been obtained. Therefore, different mechanical comportements have been shown using different techniques (tribology, erosion, microhardness, traction). As far as PET is concerned some morphological modifications inside the polymer have been observed during the treatment. Techniques have demonstrated a crystallinity gradient in the bulk of the substrate, a strong dependence of the microhardness but an unchanged morphology as a function of the treatment duration (which was shown by ''finite elements'' silumation). The behavior of the thermoset polymer since its own infusible porperty does not allow a direct mechanical anchorage seems different. Despite the strong interaction beam/polymer likely to create polar groups in the case of plasma treatment no adhesion with the ceramic coating occurs. It is therefore necessary to create an intermediate layer favorizing an anchorage with both substrate and alumina powder. Trials with industrial materials have shown promising results as regards quality of deposit a swell as adherence.