Mécanismes d‘adhésion localisés dans un assemblage - AFM & ToF-SIMS

Un des grands défis des temps modernes est la réduction de poids des objets. Dans les secteurs automobile, aérospatiale ou naval, cela découle d’une approche de diminution de la consommation énergétique. En effet, des moyens de transport plus légers induisent une consommation réduite d'énergie (carburant, électricité).
Pour cela plusieurs solutions existent, comme la miniaturisation des composants électroniques, l’utilisation d'alliages (magnésium, aluminium), de thermoplastiques ou encore de matériaux composites plus légers… Une autre possibilité consiste à recourir au collage des éléments à assembler plutôt qu'à leur vissage ou leur soudure.

L’adhésion entre deux matériaux est une science à part entière. Dans un assemblage, il faut considérer une multitude de combinaisons.

Dans l’aérospatiale, les moteurs à propulsion solide sont constitués d’une protection thermique et d’un propergol. Une fine couche de colle appelée lieur vient maintenir l'ensemble et nécessite un haut niveau d’exigence concernant :

• le collage inter matériaux de l'assemblage : protection thermique (PT)/lieur et lieur/propergol
• l’adhésion liant/charges au sein du propergol, fortement chargé en nanoparticules comburantes, de tailles et de natures chimiques variées

Pour atteindre ces objectifs de performance, les équipes de R&D doivent disposer d'un haut niveau de connaissances physiques, chimiques et mécaniques des zones stratégiques de l'assemblage telles que les interfaces macro et micro, entre les charges comburantes et la matrice propergol.

L’AFM va fournir des informations sur les propriétés mécaniques des matériaux au voisinage des interfaces de l’assemblage PT/lieur/propergol. Le ToF-SIMS informera quant à lui sur les interactions chimiques et les phénomènes de migration entre matériaux.

Ces deux techniques analytiques donnent accès à une meilleure connaissance des mécanismes d‘adhésion dans des zones très localisées (quelques dizaines à plusieurs centaines de nm) de part et d’autre des deux interfaces de l’assemblage.
 

La Microscopie à Force Atomique (Atomic Force Microscopy " AFM ") est une technique permettant de visualiser avec une résolution nanométrique la morphologie tridimensionnelle de la surface d’un matériau, et de cartographier certaines de ses propriétés (adhésives, mécaniques, magnétiques, électriques, …). Le principe de l’AFM repose sur la mesure des différentes forces d’interaction (forces de répulsion ionique, forces de Van-der-Waals, forces électrostatiques, etc…) entre les atomes de la surface de l'échantillon à observer et les atomes d’une pointe-sonde nanométrique, fixée sous un microlevier souple.

Différents types de sondes/microleviers sont utilisables afin d'obtenir une qualification et une quantification des différentes propriétés physiques de la surface.

Les modes Peak Force Tapping et QNM permettent l'acquisition simultanée de la topographie 3D et des paramètres mécaniques. La force appliquée sur la pointe est contrôlée afin de préserver l'intégrité de l'échantillon ainsi que de la pointe AFM. Les courbes approche-retrait (2 kHz) sont obtenues (spectroscopie de force) et analysées en temps réel afin d'extraire les paramètres mécaniques (module d'Young, adhésion pointe-surface, déformation...). En mode QNM, les mesures deviennent quantitatives après calibration de la pointe.

Le ToF-SIMS permet de détecter avec une très haute sensibilité des traces d'éléments jusqu'au ppb et de molécules jusqu'à la femtomole. 

Une source pulsée d’ions primaires mono ou multi-atomiques (Ga⁺, Bi_n⁺, Au⁺, C₆₀⁺, …) possédant une énergie de quelques keV bombarde la surface de l’échantillon. Les ions secondaires issus de l'interaction entre les ions primaires et l'échantillon, sont alors focalisés et accélérés avec une même énergie cinétique vers l’analyseur à temps de vol qui les sépare en fonction de leur rapport m/z avec une très bonne résolution en masse (ΔM/M > 10 000 à la masse 28). 

TESCAN ANALYTICS possède une expertise de près de 30 années dans l'utilisation de l'AFM et du ToF-SIMS sur tous types de matériaux. Avec des instruments de dernière génération, notre équipe d'experts travaille avec l'ensemble des secteurs industriels.

Figure 1 : Interface lieur/protection thermique avec problème d'adhésion (PF QNM)

Figure 3 : Interface lieur/protection thermique sans problème d'adhésion
 

L’adhésion des différentes couches est une propriété essentielle pour la bonne combustion du propergol solide dans les moteurs de fusée. Lorsqu'un défaut d’adhésion macroscopique est observé, une investigation des propriétés mécaniques à l’échelle micrométrique peut y apporter des solutions.

La Figure 1 montre à l’interface lieur (à droite)/protection thermique (à gauche) la présence d'une interphase qui affiche une topographie lisse ainsi qu'un module d’Young élevé. Elle peut être schématisée comme une découpe en pointillé le long des deux couches assemblées. Ce défaut fragilise l’adhésion entre le lieur et la protection thermique, rendant l'assemblage inutilisable.

Une comparaison des résultats obtenus via le mode Peak Force QNM de l'AFM et par nanoindentation a été réalisée sur différentes formulations de propergols (Tableau 1). Les mesures acquises par les deux techniques correspondent, l'AFM peut donc être utilisé en remplacement d'un nanoindentateur sur des matériaux isotropes.

Une analyse complémentaire de l'interface lieur/protection thermique à l'aide du ToF-SIMS (Figure 2) a permis de montrer la présence plus importante de l'agent de réticulation utilisé dans la formulation du lieur. Cette migration à l'interface avec la protection thermique s'accompagne d'une surréticulation locale du lieur et explique le module d'Young plus élevé mesuré par AFM. 

Une modification de la formulation du lieur a permis de corriger le défaut d'adhésion et d’obtenir une interface telle que dans la Figure 3.

L’utilisation de techniques physicochimiques d’investigation à l'échelle nanométrique, telles que l’AFM et le ToF-SIMS, donne accès à des informations complémentaires et précises dans des zones interfaciales localisées pour une meilleure compréhension des comportements mécaniques observés à l'échelle macroscopique.

L'appréhension des mécanismes de collage dans des assemblages macro et/ou de l’adhésion charges/liant nécessite des observations à l’échelle submicronique locale.

Pour plus d'applications d'analyse avec l'AFM ou le ToF-SIMS, demandez-nous des informations.

L'IR ou l'XPS peuvent également apporter des informations utiles pour la compréhension des mécanismes d'adhésion et/ou l'analyse de défaut d'adhésion à des niveaux moins localisés.