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Adhérence aux interfaces

Adhérence aux interfaces. Muriel BRACCINI, laboratoire SIMaP G. Parry, R. Estevez collaborations : O. Dezellus (LMI, Lyon), T. Pardoen (IMAP, Louvain). 1 cm. Introduction. PLAN. Définition de l’adhérence Influence de certains paramètres chimie et microstructure :

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Presentation Transcript

  1. Adhérence aux interfaces Muriel BRACCINI, laboratoireSIMaP G. Parry, R. Estevez collaborations : O. Dezellus (LMI, Lyon), T. Pardoen (IMAP, Louvain)

  2. 1 cm Introduction

  3. PLAN • Définition de l’adhérence • Influence de certains paramètres • chimie et microstructure : aluminiage de base fer • géométrie : bonding Si/BCB/Si • mécanique couche de cuivre sur acier

  4. Définition de l’adhérence A A • Adhésion Wadhésion B B • création de liaisons • interatomiques • à longues distances (Van der Waals,…) • réversibilité • ordre de grandeur = 1 J.m-2

  5. Définition de l’adhérence • Adhérence Gc = énergie nécessaire à la décohésion d’une unité d’aire d’interface (J.m-2) • se mesure par essai mécanique • ordre de grandeur = 10 à 1 000 J.m-2 • mécanismes dissipatifs : irréversibilité micro-fissures secondaires plasticité micro-contact

  6. Définition de l’adhérence Gc = Wadhesion + Wdissipatif

  7. Définition de l’adhérence • Comment mesurer l’adhérence d’une interface ? • propagation d’une fissure • à l’interface concernée • de façon stable flexion 4-points clivage au coin essai de gonflement-décollement

  8. Définition de l’adhérence • taux de restitution d’énergie • propagation de la fissure : G =Gc • problème de la dissipation plastique • modélisation numérique (MEF) • calcul de la mixité modale y • modèle de zone cohésive s smax Gc d

  9. Définition de l’adhérence • fractographie • faciès de rupture : chemin de la fissure adhésif, cohésif ou mixte ? • corrélation avec chimie et microstructure de la zone interfaciale • scénario de la fissure : amorçage/propagation/déviation • mécanismes de l’adhérence

  10. Définition de l’adhérence • Quels paramètres influencent l’adhérence ? • chimie : • nature des liaisons, • chimie de la zone interfaciale • physique : • singularités, • rugosité, structuration • mécanique : • sollicitations externes, • contraintes résiduelles, • propriétés mécaniques des matériaux

  11. Chimie et microstructure interfaciale couche de réaction zone de diffusion microstructure

  12. Influence de la chimie Interface aluminium/fer (thèse Miao ZHE, 2011) Thermocouple Lame Fe 60x10mm AS7G03 Spires d’induction [M. Zhe, O. Dezellus, G. Parry, M. Braccini, J. C. Viala, Journal of Adhesion Science and Technology (2011)]

  13. zoom Fe fissure zone réactionnelle zone pré-fissure entaille AS7 Influence de la chimie lame Fe fil de fer Suspension Y2O3 (zone sans réaction)

  14. Plateau de force Force (N) Déplacement (mm) Influence de la chimie 47N ≤ F ≤ 53N G = 23±3 J/m2 [P.G.Charalambides et al., Journal of Applied Mechanics 56, 77-82]

  15. Fe Al Fe 5  Côté Fe 1-9   Côté Al fissure 10µm Influence de la chimie

  16. Surmoulage XES(1mm)/AS7G03(2mm) linéaire Force moyenne Déplacement (mm) Couche fine h Cristaux t5 Influence de la chimie Aluminiage à 680°C 40N ≤ F ≤ 51N 14J/m2≤G ≤ 23J/m2 Propagation dans h

  17. h + t1-9 t6 40µm 20µm Influence de la chimie Traitement thermique 15h@535°C Traitement thermique 50h@535°C t10+t2 t1-9 t6 h + t1-9 80 µm porosité Kirkendall

  18. Influence de la chimie • Conclusion sur la chimie et la microstructure d’interface • chimie et microstructure de la zone interfaciale • adhésion ; • propriétés mécaniques locales : • chemin de fissuration ; • mécanismes dissipatifs : plasticité, fissuration secondaire…

  19. Géométrie de l’interface discontinuité Singularité matérielle Singularité géométrique rugosité

  20. Influence de la géométrie Bonding Si/BCB/Si (thèse Coraly Cuminatto, en cours*) Si-substrate • Largeur des cordons : 100 ou 200 µm • Largeur motif = 400 µm • Epaisseur constant de l’ordre de 4 µm BCB polymer * en collaboration avec l’IEF, dans le cadre de l’ANR TransFilm

  21. Influence de la géométrie Nettoyage Gravure face arrière Dépôt BCB Alignement compression 3,5 kN Collage Découpe T 1 h 250°C 15 min sous vide ou N2 à Patmo 150°C tps

  22. Influence de la géométrie [Penado F.E., Journal of Composites Materials 27(4) 383-407 (1993)]

  23. Influence de la géométrie y y(x) flexion de plaque  L x

  24. Influence de la géométrie orthogonal parallèle [R. Tadepalli, K. T. Turner, C. V. Thompson, Acta Materialia, Vol. 56 (2008) 438-447]

  25. Influence de la géométrie Lignes parallèles à la direction de propagation SEM image of a FIB sectioned polymer /SiO2 patterned structure Polymer/SiO2 adhesion measured by 4-points bending test as a function of feature aspect ratio Tapping mode AFM cross-section Adhesion of polymer thin-films and patterned lines, C. S. LITTEKEN and R. H. DAUSKARDT, International Journal of Fracture 119/120: 475–485 (2003)

  26. G C d d f 0 m m Influence de la géométrie Lignes orthogonales à la direction de propagation Tmax Silicium traction BCB separation symétrie

  27. Influence de la géométrie Abaqus modeling Exprimental (vacuum) Experimental (N2)

  28. Influence de la géométrie  effet des comportements non linéaires (plasticité)

  29. Mécanique contraintes résiduelles mixité modale plasticité

  30. Aspects mécaniques Films de cuivre sur acier (thèse F. Strepenne, 2010, U.C.Louvain, dir. T. Pardoen) dégraissage décapage plasma dépôt PVD de Cuivre (0,5 à 2,5 µm) colle cyanoacrylate acier inox (400 µm)

  31. Aspects mécaniques Taux de restitution mesuré en fonction des épaisseurs de film

  32. Aspects mécaniques Gc énergie de rupture de l’interface énergie dissipée plastiquement j=S dans le substrat f dans le film adh dans l’adhésif raid dans le raidisseur en acier contribution des contraintes internes partiellement relaxées pendant la propagation de la fissure

  33. Aspects mécaniques Contraintes résiduelles dans les films de cuivre mesures sur substrat de silicium avec sous couche d’acier (300 nm)

  34. Aspects mécaniques Limite élastique du cuivre [Y.Xiang, J.J. Vlassak, Acta mater 54, 5449-5460, 2006]

  35. Aspects mécaniques ouverture imposée acier cuivre adhésif longueur de fissure interface : éléments cohésifs avec loi de traction-séparation (smax, G0) matériaux bulk : lois élasto-plastiques isotropes (E, n, sY, n)  calcul des différents termes énergétiques

  36. Aspects mécaniques effet positif contraintes résiduelles effet négatif favorisent la dissipation plastique pendant la propagation de la fissure augmentent la limite élastique du film

  37. Conclusions • Effets d’échelle sur différents aspects • chimie : liaisons atomiques à l’interface mais également chimie de la zone interfaciale • géométrie : dimensions caractéristiques de la géométrie de l’interface (structuration) et de son environnement

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