Les revêtements nanostructurés : intérêts et applications

Résumé du document

Nous verrons dans une première partie un aperçu général de tous les revêtements existants, puis les nanocomposites en général. Dans une deuxième partie, les méthodes d'élaboration des revêtements nanostructurés seront développées, telles que les dépositions chimique ou physique par vapeur. Enfin la troisième partie traitera des applications utilisant ces revêtements et pour chacune les différents intérêts. Les applications principales développées ici seront le domaine du textile et du biomédical.
«Nanotechnologie» est un mot en passe de rentrer dans le langage courant de tout scientifique.
Ce terme est omniprésent, que ce soit dans le secteur de la microélectronique, ou dans les domaines de la biophysique, de la chimie ou encore de la biologie.
Mais qu'est-ce que la nanotechnologie ? C'est la caractérisation, la production et l'application de structures systèmes, tout en contrôlant leur forme et leur taille à l'échelle nanométrique.
Cette échelle inclut tous les objets mesurant entre 1 nm (molécule) et 100 nm (bactérie).
Les nanomatériaux peuvent recouvrir, selon les filières industrielles deux familles de matériaux : les matériaux nanostructurés en volume ou en surface, où la structure pertinente est à l'échelle nanométrique, qu'elle soit homogène (intrinsèque) ou hétérogène (structures dans lesquels des objets nanométriques interviennent en se structurant dans le volume ou en surface). Les nano-objets en tant que tels ou intégrés au sein de matériaux.
C'est en observant la nature, puis en analysant la large variété de nanomatériaux aux performances élevées (ex : feuille de lotus), qu'on a commencé à appréhender le formidable potentiel de ces nouveaux matériaux. Aujourd'hui, on cherche à s'en inspirer pour améliorer certaines propriétés ou apporter des fonctions nouvelles. Ces matériaux présentent des propriétés spécifiques dans les domaines de la physique, du magnétisme, de la mécanique, de l'optique, de la tribologie. Ces propriétés spécifiques découlent notamment de deux caractéristiques des nano-objets, conséquences de leur très faible taille : la quasi-absence de défauts et le fort rapport entre les dimensions de surface et de volume.
L'impact économique de leur utilisation au niveau mondial devrait atteindre 340 milliards d'euros en 2010, sur un marché qui doublerait tous les 3 ans, quelle que soit la classe de nanomatériaux considérée. La communauté internationale se mobilise sur ce thème et développe des programmes de recherche de nature à favoriser leur développement et leur utilisation. Elle met également en exergue les risques associés à leur développement. En matière de sécurité et de santé, les effets des nanomatériaux sont d'ores et déjà étudiés par les scientifiques et les industriels.
Les nanomatériaux contribuent à augmenter la qualité et à développer les fonctionnalités des produits de nombreux secteurs industriels. Ces innovations techniques sont reconnues comme un des leviers les plus efficaces pour maintenir la compétitivité de ces industries. L'objectif de ce rapport est la présentation de revêtements nanostructurés en 2D et plus particulièrement les nanocomposites.

Extraits

[...] la propagation des fissures est difficile si l'interface est bien définie avec une très forte énergie de cohésion entre les nanograins et la phase intergranulaire. La loi Hall-Petch (Figure permet de déterminer la limite de rupture du matériau en fonction de la taille des grains. Figure 3 : équation de la loi de Hall-Petch σ0 et ky : constantes dépendantes de la température pour un même matériau 3 Les revêtements nanostructurés : intérêts et applications d : taille moyenne des grains Dans un matériau polycristallin, selon la loi de Hall-Petch, la limite de rupture augmente quand la taille des grains diminue (Figure 4). [...]

[...] Deux brevets ont déjà été déposés pour ce nouveau procédé. La prochaine étape sera le transfert du procédé à Plus Orthopedics AG pour son utilisation dans la pratique Eidegenössische Materialprüfungs und ForschungsAnstalt Les revêtements nanostructurés : intérêts et applications 2. Les prothèses vasculaires Augmentation de l'hydrophobie (effet lotus) Un des développements majeurs des revêtements de surface est celui du biomimétisme. En effet, les matériaux du vivant présentent souvent des propriétés mécaniques remarquables, inégalables en laboratoire en raison de leurs conditions très particulières d'élaboration. [...]

[...] Nous nous intéresserons plus particulièrement aux nanocomposites pour des revêtements de deux dimensions. B. Les nanocomposites Les nanocomposites sont meilleurs que les multicouches pour deux raisons principales. Le contrôle de la structure (taille, densité, composition des différentes phases) est plus facile et la mise en œuvre moins complexe des procédés de fabrication (Figure 2). L'augmentation de la dureté est donc due à la réduction du nombre de dislocations. La réalisation de ces revêtements suit certaines lois de comportements : ! [...]

[...] Les atomes du matériau à évaporer reçoivent de l'énergie calorifique, c'est-à-dire que leur énergie vibratoire dépasse l'énergie de liaison et provoque l'évaporation. Le matériau évaporé est alors recueilli par condensation sur le substrat à recouvrir. Les principales techniques se différencient par le mode de chauffage du matériau. Evaporation par bombardement d'électrons Le matériau à évaporer est placé dans un creuset en cuivre refroidi par eau et bombardé par un faisceau d'électrons de 1 à 10 keV. Les sources d'évaporation par bombardement électronique les plus couramment utilisées comportent un filament en tungstène chauffé à haute température (de 2500 à 2800 et qui de ce fait, émet des électrons (Figure 9). [...]

[...] Ce perfectionnement résulte de la combinaison d'un champ magnétique intense, perpendiculaire au champ électrique crée par la cathode, c'est-à-dire parallèle à la cible. L'effet magnétron consiste en une décharge diode RC ou RF entretenue par des électrons secondaires éjectés de la cathode sous l'effet du bombardement ionique. Le pouvoir d'ionisation des électrons émis par la cathode est augmenté du fait de l'allongement de leur trajectoire. Il s'ensuit une ionisation plus importante des gaz contenus dans l'enceinte. Il en résulte une augmentation de la vitesse de dépôt et un abaissement de la pression de maintien du plasma. [...]