Evaluation de l'homogénéité d'un traitement de surface - XPS

La fibre de carbone est devenue l'un des nouveaux matériaux les plus attrayants du 21^ème siècle en raison de ses propriétés mécaniques, de sa stabilité thermique et de sa résistance à la corrosion. Ces caractéristiques d'intérêt couplées à une grande légèreté en font un matériau intéressant pour de nombreux secteurs.

La modification des propriétés initiales de la fibre de carbone (conductivité thermique, adhérence, porosité, hydrophobie...) via un traitement de surface permet d'élargir sa gamme d'application. 

Souvent employées dans l'industrie aéronautique, elles permettent de fabriquer des composants d'avion, tels que les ailes et les fuselages, en réduisant leur poids et en augmentant leur efficacité énergétique. Dans l'industrie automobile, les composites à fibres de carbone servent à la confection de pièces telles que des panneaux de carrosserie ou des composants de freinage ; elles contribuent alors à l'amélioration des performances et à la réduction de la consommation de carburant. Elles sont également utilisées dans les articles de sport tels que les clubs de golf, les raquettes de tennis et les bicyclettes, ainsi que dans les cannes à pêche et le matériel de tir à l'arc. Les fibres de carbone deviennent également de plus en plus populaires dans le secteur de la construction en tant que matériau de renforcement pour le béton. Les fibres de carbone comme beaucoup d'autres matériaux peuvent être traités avec un revêtement afin d'en modifier l'aspect ou les propriétés de surface et ainsi les adapter à des conditions d'utilisation données.

Le taux de recouvrement d'un traitement est une donnée clé pour de nombreux fabricants souhaitant contrôler leurs procédés de revêtement.

Dans cette note d'application, nous prendrons l'exemple de la détermination du taux de recouvrement des fibres de carbone traitées par plasma afin de leur conférer des propriétés d'hydrophobie.
 

La méthodologie suivie est facilement transposable à tous types de fibres naturelles ou synthétiques. Tout d'abord, un élément traceur doit être déterminé pour mesurer et quantifier sa présence après traitement. Dans ce cas, le fluor a été choisi comme élément de suivi en raison de sa présence dans le processus de fabrication des fibres de carbone en tant qu'agent d'extrusion.

Les analyses par spectroscopie de photoélectrons X (XPS) peuvent être menés en plusieurs modes d’acquisition. Le mode grille est parfaitement adapté à la caractérisation statistique de la surface d’une fibre naturelle ou synthétique.

Donnant accès à une matrice de données répartie sur une longueur de plusieurs cm, ce mode permet d’évaluer avec précision le caractère homogène d’un traitement.
En XPS, la surface est irradiée par des photons X issus d'une source monochromatique. Les atomes de l'échantillon émettent alors des photoélectrons possédant des énergies propres à chaque élément ainsi qu'à son environnement. Les spectres obtenus présentent le plus couramment le nombre de photoélectrons détectés en fonction de leur énergie de liaison (différence entre l'énergie des photons X et l'énergie cinétique des électrons émis).
Classiquement, la surface analysée par XPS est de l’ordre de quelques centaines de µm². Le mode linescan, s’appuyant sur un logiciel d’acquisition parfaitement adapté, permet de couvrir une surface beaucoup plus grande répartie sur une longueur de plusieurs cm.  

TESCAN ANALYTICS possède une expertise de plus de 20 années dans l'utilisation de l'XPS sur tous types de matériaux, isolants ou conducteurs... Avec des instruments de dernière génération, notre équipe d'experts travaille avec l'ensemble des secteurs industriels.

Figure 1 : Superposition des spectres XPS des fibres de carbone non traitées (bleu), des fibres traitées PDMS traitement 1 (rouge) et des fibres traitées PDMS traitement 2 (vert)


Tableau 1 : Compositions élémentaires (% atomique)

En Figure 1, ont été superposés les spectres XPS des fibres de carbone non traitées ainsi que ceux des fibres ayant subi les traitements PDMS 1 et 2.

Le taux de recouvrement des fibres de carbone traitées peut être estimé à partir de la différence des concentrations atomiques de fluor, élément traceur de la fibre, avant et après traitement plasma PDMS, à partir de la formule suivante :

avec :
[F]_{moyenne référence} : % atomique moyen du fluor mesuré sur les fibres de carbone de référence
[F]_{fibres traitées} : % atomique moyen du fluor mesuré après traitement PDMS

Les compositions élémentaires des fibres sont présentées dans le tableau 1.

Les analyses élémentaires montrent la détection de fluor à hauteur de 7.9 % atomiques en extrême surface des fibres de carbone non traitées. Ce fluor est lié à des résidus d’agents d’extrusion fluorés utilisés dans le procédé de mise en forme des fibres de carbone. Après traitement plasma, une diminution des teneurs en fluor est mesurée pour le traitement 1 (7.9 % avant traitement à 2.9 % après le traitement 1). Le traitement 2 conduit quant à lui à un masquage total du fluor ([F] = 0 % après le traitement 2).

Ces résultats indiquent une couverture totale (100 %) avec le traitement 2, l'absence du fluor indique une épaisseur de la couche PDMS supérieure à 10 nm (profondeur d'analyse de l'XPS). Le traitement 1, quant à lui présente un taux de recouvrement de 63 %, indiquant une épaisseur < 10nm. L'approche statistique révèle une meilleure homogénéité avec le traitement 2 pour lequel des écart-types plus faibles sont mesurés.

Dans cet exemple, la contribution du mode linescan pour la quantification statistique du recouvrement des fibres de carbone par un traitement plasma PDMS a été démontrée.

L'XPS en mode linescan est la méthode de choix pour le suivi statistique du taux de recouvrement d'un substrat par un traitement sur une longueur de plusieurs cm.

Cette méthodologie peut être transposée à de nombreuses applications afin d'étudier l'efficacité et l'homogénéité d'un traitement.

Dans d'autres travaux, il a été démontré la force du XPS pour l'évaluation de l'homogénéité d'un traitement de fonctionnalisation chimique par plasma atmosphérique sur des films polymères.

Pour d'autres exemples d'application de l'XPS ou de nos autres techniques d'analyse, cliquez ici.

D'autres techniques complémentaires peuvent être utilisées pour étudier le recouvrement d'un substrat par un traitement (TOF-SIMS en mode imagerie ; TEM ou SEM selon l'épaisseur du traitement).