Propriétés viscoélastiques et plastiques par nano-indentation de couches minces polymères solides : étude en température et en pression

• Auteur / Autrice : Soline Roche
• Direction : Sandrine Bec, Jean-Luc Loubet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Nanoindentation

Mots clés libres

Nanoindentation

Couche mince polymère

Modèle élastique

Effet enclume

Contraintes résiduelles

Résistance à la rayure

Adhérence

Nanoindentation

Polymer film

Elastic model

Anvil effect

Residual stress

Scratch resistance

Adhesion

Multilayer coatings

Résumé

Le sujet de cette étude porte sur la caractérisation mécanique en nanoindentation et nanorayure de couches minces polymères. L'objectif est d'améliorer la compréhension du comportement élastique d'un film mince polymère déposé sur un substrat dur. Des essais de nanoindentation et nanorayure sont réalisés sur des couches minces déposées sur différents substrats. Un modèle rhéologique est utilisé afin d'extraire les propriétés élastiques du film seul à partir de la réponse mesurée, correspondant au système {film+substrat}. Un phénomène caractéristique des couches minces polymères est mis en évidence : I'effet enclume. En indentation, il s'exprime de deux façons différentes : une augmentation du module de conservation du film avec la dureté, liée au durcissement du film et une diminution du facteur de perte du film avec la dureté, qui s'explique par I'augmentation de la température de transition vitreuse. En rayure, cet effet se manifeste par une augmentation des propriétés mécaniques du film. Au cours de cette étude, la présence de contraintes résiduelles, majoritairement d'origine thermique, est mise en évidence. Une méthode de détermination des contraintes résiduelles d'un film mince polymère est présentée Une interprétation de l’effet enclume est proposé. Celui-ci correspond à la mise en pression d'un film mince confiné entre I'indenteur en diamant et le substrat dur. Ses propriétés mécaniques augmentent avec la pression hydrostatique. Ce phénomène est d'autant plus sensible pour des films de faible épaisseur (<50 µm) dont les propriétés mécaniques sont nettement inférieures à celles du substrat Une étude en température montre que les courbes isothermes du module de conservation en fonction de la pression, sont décalées. L'effet enclume peut alors être décrit par une courbe unique, en appliquant les constantes additives déterminée pour une température de référence donnée. Il en est de même pour le facteur de perte du film. Enfin, les conséquences de I' effet enclume sur les propriétés d'usage des revêtements polymères sont étudiées : la résistance à la rayure et I'adhérence sur le substrat. Une application fondamentale des couches minces est étudiée : les revêtements multicouches. Il semble que I'effet enclume soit un phénomène à considérer afin d'améliorer la résistance à la rayure d'un revêtement mono ou multicouche. Les résultats obtenus sur les couches minces permettent de choisir deux formulations, de type topcoat et basecoat, afin de former un revêtement bicouche performant. Nous avons montré que la présence d'un primaire d'adhérence mou entre un topcoat et un substrat dur permet d'améliorer la performance à la rayure du revêtement final.

The topic of this study was to mechanically characterize in nanoindentation and nanoscratch thin polymers layers. The goal is to improve the understanding of thin polymer layer elastic behavior laid on hard substrate. Tests in nanoindentation and nanoscratch were done on thin polymer films laid on different substrates. A rheologic model was used in order to extract the film elastic properties from the measured value linked to {film+substrate}. A specific behavior of thin polymer film has been identified: the anvil effect. In indentation, it is observed in two different ways : increase of the conservation film modulus with the hardness, linked to the film hardening, and decrease of the loss tangent with the hardness, which is explained by increasing the vitreous transition temperature. In scratch test, this effect is related to the increase of the film mechanical properties. Nanoindentation tests have highlighted residual stresses, mainly thermal driven. A new methodology to characterize those residual stresses for a thin polymer film was presented. An interpretation of the anvil effect is proposed. This effect is linked to thin layer pressurized, confined between diamond indenter and hard substrate. Its mechanical properties grow with hydrostatic pressure. This phenomenon is greater for thin layers (< 50μm) with lower mechanical properties than those of the substrate. A logarithmic type evolution law is proposed. A temperature study show isothermal curves of the conservation modulus with the pressure are shifted. The anvil effect can be described by a unic curve, applying additive constants determined at a given reference temperature. It is the same for the film loss tangent. Moreover, the consequences of the anvil effect on the use properties of polymer coating are analyzed: scratch resistance and the adhesion to substrate. A fundamental application of thin film was studied multilayer coatings. It seems that anvil effect is a phenomenon to consider for improvement of mono or multilayer coating scratch resistance. The results obtained on thin layers allow to choose two mix of basecoat and topcoat in order to have an improved bilayer. We have demonstrated that a basecoat between the topcoat and the hard substrate allow an improved scratch resistance of the final coating.