Comment se forment des cloques complexes ?

La formation de cloques, redoutée des peintres en bâtiment, est un phénomène qui concerne de nombreux systèmes constitués d’empilement de couches : puces électroniques, vitrages à isolation thermique, cellules photovoltaïques, … Ce phénomène est dû à l’interaction subtile entre la déformation du film de peinture sous l’effet de contraintes internes et le décollement de ce film à cause d’une mauvaise adhésion. Jusqu’à présent, seules les formes les plus simples, telle la cloque en "bulle", étaient réellement comprises : la formation de la cloque en serpent, ou "cordon de téléphone", à la fois très fréquente et très représentative de la subtilité de la question, restait encore très largement inexpliquée. A l’aide d’expériences bien contrôlées et de modélisation numérique, des physiciens du laboratoire Surface du verre et interfaces (CNRS / Saint-Gobain), et du laboratoire Sciences et ingénierie des matériaux et des procédés (SIMaP – CNRS / Univ. Grenoble 1 / INP Grenoble) viennent de clarifier les processus mis en jeu dans la dynamique de formation de ces cloques longues et complexes. A partir de ce résultat les chercheurs devraient être capables, à terme, d’identifier des stratégies pour limiter les instabilités mécaniques de cloquage. Ainsi, cela permettrait d’améliorer la stabilité et la durabilité, et de façon plus générale, les performances des couches fonctionnelles. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

Couches minces fonctionnelles subissant une délamination en « cordons de téléphone »

Les chercheurs du laboratoire Surface du Verre et Interfaces ont construit un système de dépôt très versatile qui permet de réaliser des empilements à façon, en explorant tous les registres de propriétés de ces matériaux. Grâce à ce système, ils ont pu obtenir des empilements qui se trouvent dans des états de contraintes élevées (plusieurs GPa) et parfaitement caractérisées. Dans ces conditions d’instabilité mécanique, ils ont pu observer et décrire en détail le mécanisme de formation des cloques en cordons de téléphone. Avec l’aide d’un chercheur du SIMaP, ils ont développé un modèle numérique permettant de coupler les modes de déformation du film mince (flambage - Méthode des Eléments Finis) et le processus de rupture d’interface (adhésion - méthode de la Zone Cohésive). C’est ce couplage qui est l’élément clé nécessaire pour reproduire fidèlement les observations expérimentales et notamment le mouvement de reptation du cordon. Outre les perspectives technologiques, ces résultats vont permettre d’approfondir les relations subtiles qu’entretiennent ces deux phénomènes complexes que sont l’adhésion d’une part et la déformation des films minces d’autre part.

Simulation numérique de la propagation en « cordon de téléphone » de couches minces.