Conception de surfaces superhydrophobes bio-inspirées et microarchitecturées en acier inoxydable

Superhydrophobic bio-inspired microarchitectured stainless steel surfaces

• Auteur / Autrice : Kevin Dourgaparsad
• Direction : Maude Jimenez, David Balloy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/03/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Fournaison
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ion-Cosmin Gruescu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Guittard, Philippe Jacquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impression 3D

Polymérisation sous plasma

Moulage à la cire perdue

Texture

Surfaces

Acier inoxydable

Surfaces hydrophobes

Mots clés libres

Superhydrophobe

Revêtement

Acier inoxydable

Fonderie

Plasma à pression atmospherique

Fabrication

Surfaces bio-inspirées

Coating

Superhydrophobic

Atmospheric plasma

Stainless steel

Manufacturing

Casting

Résumé

Les surfaces superhydrophobes ont une faible mouillabilité à l'eau du fait de leur nature chimique et/ou de leur état de surface architecturé à plusieurs échelles (micro et nano). Les procédés de fabrication additive (FA) utilisant de l'acier inoxydable sont coûteux en raison du prix de la poudre d'acier inoxydable. De plus, la précision de ces technologies descend rarement en dessous de 200 μm. Les travaux présentés couplent deux technologies, à savoir l'impression 3D polymère et la coulée sous vide (fonderie à cire perdue) pour créer, à partir de déchets d'acier inoxydable, diverses surfaces bio-inspirées microtexturées en acier inoxydable 316L. Le moulage des détails micrométriques en fonderie d'acier inoxydable est un défi technique en raison de la tension superficielle élevée, de la viscosité dynamique élevée et de la température de travail élevée (1600°C). Diverses surfaces microtexturées bioinspirées (écailles de poisson, gouttes, nid d'abeille, etc.) ont été fabriquées avec succès. Un revêtement à l'échelle nanométrique a ensuite été appliqué par polymérisation plasma à pression atmosphérique afin de nanotexturer la surface, conduisant la surface à un comportement ultrahydrophobe. Enfin, diverses applications possibles pour ces surfaces, comme l'anti-fouling, l'anti-icing ou l'imprégnation d'huile végétale pour la mise au point de surface glissantes (SLIPS) sont explorées et discutées.

Superhydrophobic surfaces have low water wetting due to their chemical nature and/or surface state structured at multiple scales (micro and nano). Additive manufacturing (AM) processes using stainless steel are expensive due to the cost of stainless steel powder. Additionally, the precision of these technologies rarely goes below 200 μm. The presented work combines two technologies, namely polymer 3D printing and vacuum casting (lost-wax casting), to create various bio-inspired microtextured surfaces in 316L stainless steel from stainless steel waste. Casting micrometric details in stainless steel foundry is a technical challenge due to high surface tension, high dynamic viscosity, and high working temperature (1600°C). Various bioinspired microtextured surfaces (fish scales, drops, honeycomb, etc.) have been successfully manufactured. A nanoscale coating was then applied through atmospheric pressure plasma polymerization to nanotexture the surface, leading to an ultrahydrophobic behavior. Finally, various potential applications for these surfaces, such as anti-fouling, anti-icing, or impregnation with vegetable oil for the development of slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS), are explored and discussed.