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Bodiguel, Hugues (2006) Propriétés mécaniques de films polymères ultraminces. Doctorat Physique des liquides, Physique, ESPCI.
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URL officielle: http://hugues.bodiguel.free.fr/these/These-hBodiguel.pdf
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Résumé
Cette thèse présente quelques approches expérimentales destinées à mesurer les propriétés mécaniques de films de polymères ultraminces, d'épaisseurs comprise entre 20 et quelques centaines de nanomètre. Nous présentons principalement la conception et l'exploitation d'une expérience de démouillage de lms ultraminces sur substrat liquide. Nous montrons dans un premier temps que cette technique permet une mesure simple des propriétés viscoélastiques des films de polymères au dessus de Tg. Les résultats obtenus sur des lms ultraminces mettent en évidence que le module au plateau caoutchoutique du polystyrene n'est pas aecté par le connement, alors même que la viscosité est fortement réduite lorsque l'épaisseur des films est comparable au rayon de gyration des polymères. Divers phénomènes liés au mouillage ou au démouillage de lms sont également abordés. Dans une seconde partie, nous présentons une autre expérience fondée sur une instabilité mécanique sur des films vitreux. Une simple observation
des motifs induits permet de suivre l'évolution du module élastique dans le domaine vitreux. Enfin, une étude portant sur les possibilités d'investigations des effets de surface et d'interface par AFM sur des élastomères chargés est présentée dans une troisième partie.
| Type d'EPrint: | Thèse (Doctorat) |
|---|---|
| Directeur de Thèse: | Frétigny, Christian |
| Date: | Novembre 2006 |
| Jury de Thèse: | Brochard, Françoise et Raphael, Elie et Léger, Liliane et Charlaix, Elisabeth et Richetti, Philippe et McKenna, Gregory B |
| Ecole Doctorale: | ED 107 PHYSIQUE DE LA REGION PARISIENNE |
| Discipline: | Physique des liquides |
| Fonds: | ESPCI |
| Institution: | ESPCI |
| Laboratoire: | Physique |
| Sujets: | 5. Mécanique des fluides et énergétique 4. Science des matériaux, mécanique, génie mécanique 3. Physique, optique |
| Mots-clés libres: | Films ultra-minces, Transition vitreuse, Polymères, Viscoélasticité, Démouillage, Rhéologie, Mouillage, Contraintes résiduelles, Instabilités mécaniques, Flambage, Afm, élastomères chargés, Mode tapping |
| Code ID: | 2015 |
| Déposé par : | Hugues Bodiguel |
| Déposé le : | 13 Juin 2007 |
Table des Matières
Résumé 17
Introduction 19
I Démouillage viscoélastique sur substrat liquide 25
1 Analyse du démouillage de lms viscoélastiques 27
1.1 Introduction - 27
1.2 Analyse - 31
1.2.1 Paramètre d'étalement - Contraintes - 31
1.2.2 Déformation homogène - 32
1.2.3 Conséquences - 34
1.2.3.1 Conséquences générales - 34
1.2.3.2 Film élastique - 34
1.2.3.3 Film visqueux newtonien - 35
1.2.3.4 Film viscoélastique - 35
1.3 Détails expérimentaux - 37
1.3.1 Résumé du protocole expérimental - 37
1.3.2 Echantillons - 37
1.3.2.1 Polymères utilisés - 37
1.3.2.2 Spin-coating - 38
1.3.2.3 Recuit - 39
1.3.2.4 Décollage - 41
1.3.2.5 ellipsométrie - 42
1.3.3 Dispositif - 43
1.3.3.1 Substrat liquide - 43
1.3.3.2 Visualisation et mesure des déformations - 45
1.3.3.3 Température - 48
1.4 Déformation homogène et linéaire - 49
1.4.1 Homogénéité de la déformation - 50
1.4.2 Linéarité - 52
1.4.2.1 Régime visqueux, T Tg - 52
1.4.2.2 Régime viscoélastique, T Tg - 53
1.5 Comparaison avec la viscoélasticité en volume - 55
1.5.1 Le paramètre d'étalement - 55
1.5.2 Démouillage et fonction de complaisance - 57
1.5.3 Régime visqueux - 60
1.5.4 Régime Viscoélastique - 62
1.6 Temps courts : inuence de l'histoire thermique - 63
1.6.1 Viscoélasticité et variations de température à l'équilibre . . 63
1.6.2 Résultats expérimentaux - 64
1.6.3 Discussion - 66
1.6.3.1 Variations de température hors-équilibre - 66
1.6.3.2 Résultats du modèle TNM - 67
1.6.4 Fonction de complaisance apparente et variations de temp
érature - 69
1.6.5 Conclusions sur les temps courts - 71
1.7 Conclusion - 71
2 Propriétés de lms ultraminces 73
2.1 Introduction - 73
2.2 Viscoélasticité proche de Tg - 74
2.2.1 Résultats - 74
2.2.2 Discussion - 75
Table des matières 11
2.2.2.1 Dynamique - 75
2.2.2.2 Module au plateau - 78
2.3 Viscosité de lms ultraminces - 82
2.3.1 Résultats - 82
2.3.1.1 Réduction de viscosité - 82
2.3.1.2 Rôle de la longueur du polymère - 85
2.3.2 Discussion - 86
2.3.2.1 Analyse des résultats - 86
2.3.2.2 Interprétation - 92
2.4 Conclusion - 105
3 Contraintes résiduelles 107
3.1 Introduction - 107
3.2 Description des contraintes résiduelles - 108
3.2.1 Dénition - 108
3.2.2 Contraintes résiduelles dans les polymères - 111
3.3 Résultats expérimentaux - 111
3.3.1 Caractérisation des contraintes résiduelles - 112
3.3.2 Relaxation des contraintes résiduelles - 114
3.3.3 Contraintes résiduelles dans des lms non recuits - 114
3.3.3.1 Réponse en déformation de lms non recuits . . . 114
3.3.3.2 Analyse des résultats - 115
3.3.3.3 Modélisation - 117
3.3.3.4 Interprétation des résultats expérimentaux - 118
3.4 Discussion - 119
3.4.1 Origine des contraintes résiduelles - 119
3.4.2 Relaxation des contraintes résiduelles - 121
3.4.2.1 Relaxation sur substrat solide - 121
3.4.2.2 Relaxation sur substrat liquide - 122
3.4.3 Propriétés des lms non-recuits - 123
3.5 Conclusion - 124
4 Mouillage de lms sur substrat liquide 125
4.1 Introduction - 125
4.2 Résultats - 126
4.2.1 Détails expérimentaux - 126
4.2.1.1 Protocole utilisé - 126
4.2.2 Caractérisation mécanique du PBD - 127
4.2.3 Deformation initiale - 128
4.2.4 Contraction sur l'eau - 129
4.2.5 Déformation sur le PEO - 130
4.2.5.1 Contraction aux temps courts - 130
4.2.5.2 Expansion aux temps longs - 131
4.3 Discussion - 133
4.3.1 Contraction aux temps courts - 134
4.3.1.1 Evolution du paramètre d'étalement - 134
4.3.1.2 Relaxation d'une déformation initiale - 135
4.3.2 Mouillage - 138
4.3.2.1 Stabilité du lm : lien avec le démouillage - 138
4.3.2.2 Existence d'un lm précurseur - 140
4.3.2.3 Etalement d'une goutte macroscopique ou d'un
film sur substrat liquide - 141
4.4 Conclusions - 147
5 Autres phénomènes observés lors du démouillage 149
5.1 Ouverture de trous - 150
5.1.1 Résultats expérimentaux - 150
5.1.1.1 Description - 150
5.1.1.2 Croissance des trous - 150
5.1.2 Discussion - 151
5.1.2.1 Formation des trous - 151
5.1.2.2 Croissance des trous - 154
5.1.2.3 Dynamique globale - 158
5.1.3 Conclusions - 160
5.2 Bourrelets - 160
5.2.1 Caractérisation - 161
5.2.2 Cas d'une température hétérogène - 163
5.2.3 Interprétation - 163
II Ondulations de lms minces 165
6 Ondulations 167
6.1 Introduction - 167
6.2 Solutions expérimentales - 171
6.2.1 Billes posées sur un lm - 171
6.2.2 Bulle d'air et goutte d'eau - 172
6.2.3 Jet d'air perpendiculaire au lm - 174
6.3 Seuil de l'instabilité - 176
6.3.1 Approche théorique - 176
6.3.1.1 Moteur de l'instabibité - 177
6.3.1.2 Force de rappel - 178
6.3.1.3 Seuil - 178
6.3.2 Comparaison avec l'expérience - 180
6.4 Instabilité développée - 182
6.4.1 Résultats expérimentaux - 182
6.4.2 Evolution en température - 185
6.5 Conclusion - 185
III AFM et élastomères chargés 189
7 AFM et élastomères chargés 191
7.1 Introduction - 194
7.2 Method - 195
7.3 Experimental - 196
7.4 Results and discussion - 198
7.4.1 Data analysis - 198
7.4.2 Absolute particle depths - 203
7.4.3 Inuence of the particle geometry - 205
14 Table des matières
7.5 Indentation-dissipation - 207
7.6 Concluding remarks - 210
Conclusion 213
A Colorimétrie 215
A.1 Principe - 215
A.1.1 Principe général - 215
A.1.2 Mesure de la couleur - 216
A.1.2.1 Représentation RV B et HSL - 216
A.1.2.2 Inuence de la source et des conditions expérimentales - 217
A.2 Mesure d'épaisseur - 218
A.2.1 Obtention de la courbe de référence H(h) - 218
A.2.2 Validation - 221
A.2.3 Exemple d'application - 222
A.3 Retour sur les variations de la teinte avec l'épaisseur - 223
A.4 Conclusion - 224
B Modèle TNM 227
B.1 Introduction - 227
B.2 Détails du modèle - 228
B.2.1 Température ctive et temps caractéristique hors-équilibre. 228
B.2.2 Evolution de la temperature ctive - 229
B.2.2.1 Réponse à un échelon de température - 229
B.2.2.2 Variations quelconques de la température - 231
B.3 Comparaison avec l'expérience - 232
Bibliographie 246
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