mesure et controle des propriétés d'adhésion des revêtements – CAPRICe

Cloquage (expérimental) : Des couples de matériaux film/substrat d’intérêt sont définis, avec un fort « contraste » élastique entre les deux matériaux. Les films minces sont élaborés, par dépôts par pulvérisation ionique, de manière à induire de fortes contraintes internes en leur sein. Les épaisseurs de films déposés sont caractérisées (par microscopie optique confocale). Les contraintes internes au sein de ces films sont estimées. Les structures de cloquage sont générées au sein des films par compression uniaxiale des substrats élastiques, leurs morphologies caractérisées par AFM et leur propagation contrôlée de manière à les faire interagir, voire coalescer.

Cloquage(modélisation/calcul numérique) : Une étude du délaminage est menée, en intégrant les aspects flambage et délaminage couplés ainsi que l'élasticité du substrat. Il s’agira de voir comment se propage la cloque en ride droite ou en cordon de téléphone se propage dans ce contexte. Le cas de deux rides en ’interaction via le substrat déformable est particulièrement intéressant à étudier.

Multifissuration (expérimental) :Dans le cas des monocouches de ZnO, l’étude de la fragmentation a montré un régime de saturation conduisant à des bandes micrométriques de couches minces. Nous souhaitons comprendre les phénomènes grâce à une comparaison à des simulations. En particulier, l'influence de la dissipation plastique dans le substrat flexible sur la structure de fissuration reste une question ouverte. Des essais de traction uniaxiale sur des échantillons ZnO/ETFE et des empilements ZnO/Ag/ZnO/ETFE sont réalisées, avec suivi de la structure de fissuration par microscopie optique.

Multifissuration (modélisation/calcul numérique) : Des calculs en 2D déformation plane sont effectués, gérant la plasticité dans le substrat, la rupture au sein du film, mais aussi le délaminage à l'interface film/substrat. La nucléation/croissance des fissures est gérée par des modèles de zone cohésive.

Cloquage :
Des calculs de flambage délaminage couplant modèle non linéaire géométrique de plaque et modèle de zone cohésive ont permis d’expliquer et de quantifier  la forme de “sombrero” des cloques dans le cas où celles ci reposent sur substrat flexible.  En outre, il a été possible de mettre en évidence le fait que le mécanisme de propagation est bien différent de ce que l’on pouvait attendre à cause de cet enfoncement significatif au niveau du front de fissure. Ces résultats ont donné lieu à une publication dans une revue internationale (mentionnée plu bas), ainsi qu’à des communications au cours de conférences.

Multi-fissuration :
Une modélisation originale de la multi-fissuration a pu être menée en introduisant une distribution gaussienne de ténacité au sein du film, représentant la distribution de défauts dans la couche d’oxyde. Le lien entre plasticité du substrat et saturation de la distance inter-fissures dans les régimes fortement déformés a été établi. La publication d’un article dans une revue internationale synthétisant ces résultats est prévue. Ces résultats ont donné lieu à des communications au cours de conférences.

Cloquage :
Les études en cours portent sur l'interaction de cloques en rides droites et de cordons de téléphones lors de leur propagation sur un substrat déformable. Dans quelles conditions interagissent-ils ? Est-ce que l'élasticité du support favorise un changement particulier de morphologie par rapport au cas du substrat rigide ? Une publication est en cours d'écriture sur ce sujet.

Multi-fissuration :
Une première perspective concerne la présence d'un empilement complexe du type ZnO/Ag/ZnO, au sein duquel du délaminage et de la plasticité peut survenir en plus de la plasticité du substrat en le délaminage empilement substrat. En particulier, l'effet de la dissipation dans la couche intermédiaire d'argent est intéressant.
Une deuxième persective concerne la fissuration dans le cas 3D, avec la question de la transition fissures droites / fissures ondulées.

Articles publiés dans des revues internationales :

How soft substrates affect the buckling delamination of thin films through crack front sink-in, R. Boijoux, G. Parry, J.-Y. Faou, and C. Coupeau,Appl. Phys. Lett. 110, 141602 (2017)
Communications dans des conférences internationales :

I. Ben Cheikh, G. Parry, R. Estevez, D. Dalmas, Study of multi-cracking of brittle thin films and brittle/ductile multilayers on compliant substrate,ECF21, Catania, Italy, June 20-24 2016.
I. Ben Cheikh, G. Parry, R. Estevez, D. Dalmas, J. Teisseire Study of the multi cracking of brittle films and assemblies of brittle/ductile films bonded on compliant substrate, Euromech Colloquium 570, Houffalize, Belgium,20 October – 23 October 2015.
R. Boijoux, G. Parry, C. Coupeau, Influence of the substrate elasticity on interactions and coalescence of thin films bucking structures, Euromech Colloquium 570, Houffalize, Belgium,20 October – 23 October 2015.

Les revêtements de couches minces sont utilisés dans de nombreuses applications. En particulier, les dépôts par pulvérisation ionique sont dorénavant très largement répandus dans le monde industriel. Cependant, le développement de fortes contraintes induites lors du dépôt entraîne la ruine et les perte des propriétés fonctionnelles du revêtement. Cette ruine est principalement liée à deux types de mécanismes: la fissuration et/ou le cloquage. Des résultats récents obtenus lors d’une collaboration entre les partenaires du présent projet ont permis une avancée majeure dans la compréhension du cloquage de couches élastiques sur substrats rigides (compréhension des morphologies obtenues, détermination de la ténacité de l’interface), grâce à une modélisation mécanique et aux calculs numériques couplés à des expériences de dépôts avec mesures de contraintes in-situ. Le présent défi est d’appliquer la même stratégie à un cadre plus ambitieux : l’étude de couches fragiles ou ductiles sur des substrats flexibles, une problématique majeure aujourd’hui dans le domaine en pleine expansion de l’électronique souple. L’objectif du projet est donc d’étudier expérimentalement et numériquement la tenue mécanique de couches minces (de quelques dizaines, à quelques centaines de nanomètres) sur des substrats flexibles (polymères) donc déformables facilement (traction, compression ou flexion). D’un point de vue mécanique, deux types de sollicitations seront considérées. D’une part, une compression uniaxiale permettra de provoquer le cloquage, tout en contrôlant l’état de compression dans le film. D’autre part, la traction appliquée jusqu’à des niveaux de déformation importants permettra d’étudier la multi-fissuration de la couche sur son substrat. Les systèmes étudiés seront des couches métalliques ou d’oxydes, ainsi que des empilements composites qui présentent un comportement fragile ou ductile. Suivant le cas de figure, le contraste élastique entre la couche et le substrat et/ou la déformation plastique du substrat ou de la couche, seront les paramètres-clé à intégrer dans les modèles pour mieux appréhender le comportement mécanique et par conséquent la durée de vie en conditions de fonctionnement de ces matériaux revêtus.