Bombardement ionique des Bombardement ionique des polymèrespolymères : de la production de : de la production de niche aux applications sériesniche aux applications séries

Procédés IMPLANTECProcédés IMPLANTECRRProcédés IMPLANTECProcédés IMPLANTECRR

Y. CORRE, P. JACQUOT, B. STAUDER - BODYCOTE

N. ROCHE, P. HEUILLET, C. JANIN - LRCCP

LRCCP: Laboratoire de Recherches et de Contrôle du Caoutchouc et des Plastiques

Journée propriétés de surface des pièces plastiques– 26 mars 2013 – Lyon

La technique La technique d’implantationd’implantation ioniqueionique

Elle a été brevetée en 1957 par William Shockley (Bell Telephone Lab. NY)

pour le dopage des semi-conducteurs en microélectroniquePlus de 6000 implanteurs sont actuellement utilisés dans le mondePlus de 6000 implanteurs sont actuellement utilisés dans le monde

Elle permet d’introduire en extrême surface pratiquement n’importe quel élément chimique dans n’importe quel solide

au moyen d’un faisceau d’ions de forte énergie (10 – 400 keV)

La technique La technique d’implantationd’implantation ioniqueionique

Elle consiste à créer des ions positifs à partir d’un gaz ionisé par une source à filament

Ces ions sont extraits par application d’une tension négativepuis séparés ou non en masse par un champ magnétique

Accélérés par un champ électriqueFocalisés et balayés

et enfin ils sont implantés sur la surface à traiter

La technique La technique d’implantationd’implantation

ioniqueionique

Les interactions entre ions incidents et atomes du substrat

conduisent à différents phénomènes physiques ou chimiqueset à la formation d’un profil de concentration

Matériaux pouvant être traités par Matériaux pouvant être traités par

implantation ioniqueimplantation ionique

Les métaux pour diminuer l’usure adhésive, les frottements et l’oxydation

Les céramiques pour diminuer leur Les céramiques pour diminuer leur fragilité

Les polymères pour diminuer leur usure et améliorer les coefficients de frottement

Avantages majeurs de l’implantation Avantages majeurs de l’implantation

ioniqueionique

Température de traitement inférieure à 100°c

Conservation parfaite :- des états de surface- des propriétés (mécaniques et

métallurgiques) du substratmétallurgiques) du substrat- des dimensions

Dépassement des solubilités limites de l ’élément implanté

Absence d ’interface défini et aucun risque de décollement

Paramètres parfaitement reproductibles

Application sur tout type de matériaux

Principales applications industrielles Principales applications industrielles

actuelles de l’implantation ionique actuelles de l’implantation ionique

Le marché de la santé : biomédical, dispositifs

médicaux,… médicaux,…

Le marché des polymères à haute valeur ajoutée

Applications Applications

biomédicales de biomédicales de

l’implantation ioniquel’implantation ionique

Composants de prothèses métalliques : Alliages de titane, acier inox 316L, alliages CoCr, alliages de zirconium.

Composants de prothèses polymères : PEHD, silicone.

L’implantation ionique L’implantation ionique

appliquée aux polymèresappliquée aux polymèresappliquée aux polymèresappliquée aux polymères

Effet du traitement sur les Effet du traitement sur les

élastomèresélastomèresélastomèresélastomères

POURQUOI TRAITER DES POURQUOI TRAITER DES

ELASTOMERES ? ELASTOMERES ?

Les élastomères sont souvent des

matériaux d’interface

qui interagissent avec des pièces métalliques pour assurer des fonctions essentielles, comme :

- l’étanchéité statique (clapet de sécurité, vanne d’obturation…)vanne d’obturation…)

- l’étanchéité dynamique à des gaz ou des liquides sous pression (vérin)

- la transmission de mouvement

L’ingénierie des matériaux et traitements de surface peut apporter de

nouvelles solutions en terme de propriétés tribologiques

EffetEffet du du frottementfrottement d’un joint d’un joint sursur un un arbrearbre

métalliquemétallique

Photo: usure d’un arbre de transmission due au frottement d’un joint

La réduction de l’usure passe inévitablement par une amélioration du frottement du couple métal/élastomère

Quelques voies pour réduire ces frottements :� La lubrification graisse, silicone, huiles, ...� les anti-collage le talc par exemple, ....� Les revêtements secs PVD,CVD� L’implantation ionique

Implantation Implantation ioniqueionique des des élastomèresélastomères

La ‘chimie’ ou ‘physico-chimie’ de l’interaction entre un faisceau d’ions et un milieu organique

est un domaine étudié que depuis peu

Les effets sont nombreux:Les effets sont nombreux:-Rupture de chaînes polymère - Formation de radicaux libres

-Libération d’espèces chimiques-Création de liaisons triples - Réticulation ou scission

-Oxydation du carbone-Création d’agrégats de carbone

-Formation d’une structure graphitique-Diminution du coefficient de frottement

-Modification de la résistivité électrique, écoulement de charges-Modification des propriétés optiques

-Échauffement thermique – ‘Pyrolyse’ …..etc

Test Test tribologiquetribologique: : propriétéspropriétés de de frottementfrottement à à sec sec

((travauxtravaux du LRCCP Paris)du LRCCP Paris)

Loi de Coulomb :Coefficient de frottement

dynamique apparent

µ = Ft

FnPlaque éprouvette

élastomère

Frotteur XC38

Ø 20 mm

Fn

Ft Support mobile

Fn

Vt

10 cycles Course: 50 mm

V glis: 50 mm/min

va et vient Fn: 250 N

Pmax: 5 Mpa

Lubrifiant: aucun

Test tribologique: HNBR brut / implanté

Non implanté

implanté

Coef de frottement plus faible après implantation µ: 0,9 ���� 0,4

Faible variation en fonction du nombre de cycles: stabilité

Les tests de vieillissement VT et VF n’ont pas d’influence

implanté

Test d’auto-adhérence Elastomère / Acier

316L

Test d’adhérence après contact prolongé d’élastomères vulcanisés (cas de vannes d’obturation)

60 N

316L

Élastomère EPDM une face brute, une face traitée

Pression de contact: 60 N Température: 70°C Durée: 1 mois

Résultat spectaculaire:

aucun effet d’auto-adhérence ou ‘gommage’

Ex. application: � joints de clapet de sécurité

Effet de l’implantation Effet de l’implantation

ionique appliquée à ionique appliquée à

d’autres polymèresd’autres polymèresd’autres polymèresd’autres polymères

Effets sur Effets sur l’énergie de surfacel’énergie de surface

Effets sur Effets sur la dureté de surfacela dureté de surface

Effets sur la tribologieEffets sur la tribologie

Applications industrielles sur Applications industrielles sur

polymèrespolymères

Composants de prothèses articulaires en PEHD (doigts, genoux, épaules)

Outillage polymère (ancillaires, sondes, cathéters)

Joints élastomères (à lèvres, toriques, V-rings)

Divers élastomères (membranes silicone, bouchons, clapets de sécurité,…)

Quelques exemples de prothèses

traitées

Prothèse totale de genou en

TA6V/PEHD

Prothèse totale de hanche en

TA6V/PEHD

Implantation ionique de joints Implantation ionique de joints

type Vtype V--RingRing

Application série : plus de 500000 pièces/an

Exemples d’Implantation ionique de jointsExemples d’Implantation ionique de joints

Joints à lèvres (application motos de compétition)

joints toriques (application aéronautique)

Autre exemple d’application série : membrane Autre exemple d’application série : membrane

d’électrovanned’électrovanne

Perspectives de développement de Perspectives de développement de

l’implantation ionique grâce à l’évolution l’implantation ionique grâce à l’évolution

technologique et l’apparition de nouveaux technologique et l’apparition de nouveaux

outils industrielsoutils industriels

Principales limitations technologiques Principales limitations technologiques

actuelles de l’implantation ioniqueactuelles de l’implantation ionique

Performances des sources à filament (flux d’ions, Performances des sources à filament (flux d’ions,

maintenance, encombrement,…)

Temps de cycle long

Surfaces couvertes limitées

Nouvelle Nouvelle générationgénération de sources (de sources (COCOmpactmpact MIMIcrowavecrowave

and and CCoaxial sources)oaxial sources)

Développées par un laboratoire du CNRS

Extrème compacité, pas de filament

Haute productivité (flux d’ions x 10, durée de vie supérieure à plusieurs années)années)

Durées de cycles raccourcies (quelques secondes à quelques minutes)

Possibilité de monter plusieurs dizaines de sources sur une même machine (traitement par nappes de faisceau pour une meilleure couverture)

Nouvelle génération de sources

1

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Comparaison d’échelleComparaison d’échelle

Technologie actuelle Exemples de nouvelle technologie

Quelques une des nouvelles Quelques une des nouvelles

applications viséesapplications visées

Marché de l’agro alimentaire

Automobile grande série

La santé au sens large (pharmacie, biomédical,…)

Marché des polymères pour applications séries d’une façon

plus générale

ConclusionConclusion

L’implantation ionique touche actuellement de

nombreux marchés à forte valeur ajoutée (au niveau du

composant ou de la fonction)

L’apparition de nouveaux outils industriels

performants constitue un saut technologique qui va

ouvrir des marchés jusqu’alors inaccessibles à cette

technologie