Micro-texturation de surface du PEEK par laser femtoseconde : étude locale de l'interaction laser-polymère et apport de la texturation de surface aux propriétés tribologiques d'un contact PEEK/PEEK

• Auteur / Autrice : Sabrina Hammouti
• Direction : Stéphane Valette, Cyril Mauclair
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 30/11/2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Fayolle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Benayoun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wolfgang Kautek, Jean Geringer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitements de surfaces par laser

Frottement

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

PEEK

Laser femtoseconde

Ripples

Micro-texturation

Usure

Frottement

PEEK

Femtosecond laser

Ripples

Surface micro-texturing

Wear

Friction

Résumé

Au cours des dernières années, l'élaboration de surfaces fonctionnelles par voie chimique et/ou topographique a connu un intérêt croissant. Des avancées significatives ont été réalisées pour l'optimisation des propriétés de surface, notamment tribologiques, via l'introduction de traitement visant à structurer à l'échelle nano- et micrométrique la surface de certains composants mécaniques. Différentes approches, chimiques, mécaniques ou énergétiques, peuvent être employées pour l'amélioration ou la maîtrise du frottement et de l'usure, néanmoins le traitement de surface par laser femtoseconde se distingue comme un des meilleurs procédés d'ablation, capable dans certaines conditions de générer des morphologies de surface auto-organisées périodiques, parfois multi-échelles, et appelées ripples. Cette technique appelée Laser Surface Texturing (LST), désormais couramment utilisée en tribologie et applicable à une grande variété de matériaux, présente de nombreux avantages parmi lesquels peuvent être mentionnés les vitesses de texturation atteintes ainsi que la qualité des structures de surface obtenues. De nombreux domaines ont actuellement recours à la texturation de surface par laser comme voie d'amélioration des propriétés tribologiques, comme l'automobile, et d'autres dont la filière du biomédical incarnent progressivement un nouveau champ d'expérimentations. Récemment, une nouvelle génération de prothèses tout en polymère poly(éther éther cétone) (PEEK) a vu le jour, suscitant un intérêt pour des études tribologiques. Ainsi, la texturation de surface par laser femtoseconde du PEEK comme matériau biomédical, en vue d'améliorer ses performances tribologiques, constitue le contexte général de ce travail de thèse. Cette étude traite d'une part, à l'échelle d’un impact laser, du phénomène d'interaction laser-PEEK en mode ultrabref et d'autre part, à l'échelle d’un contact mécanique, de l'optimisation d'une texturation de surface pour la maîtrise du frottement et la réduction de l'usure d'un couple PEEK/PEEK.

Over the past few years, the development of functional surfaces by chemical and/or topographical ways has shown an increasing interest. Significant advances have been made to optimize surface properties, including tribological properties, through the introduction of processes for the surface texturing at micro and nano scales. Chemical, mechanical and energetic approaches can be used to improve or control the friction and the wear of materials. The femtosecond laser stands out as one of the best methods for ablation, being able, under certain conditions, to generate periodic self-organized surface morphologies (sometimes multiscales) and called ripples. This technique known as laser surface texturing (LST), nowadays commonly used in tribology and applicable to a wide variety of materials, has many advantages including the texturing speeds and the quality of surface structures obtained. Currently, many fields such as the automobile industry and the biomedical sector use the laser surface texturing as a means of improving the tribological properties. Recently, a new generation of poly(ether ether ketone) (PEEK) polymer prostheses has emerged, arousing interest for tribological studies. The surface texturing of PEEK, as a biomedical material, by femtosecond laser, in order to improve its tribological performance, provides the general context of this thesis. This thesis first deals with the laser-PEEK interaction at the scale of a laser impact and then it focuses on the optimization of the surface texturing in order to control friction and reduce wear of a PEEK/PEEK tribosystem.