Brevet FR2933026A1 — publié le 20100101

La présente invention concerne le domaine des surfaces structurées. Un dispositif pourvu d'une surface structurée, c'est-à-dire pourvu de rainures, présente l'avantage de réduire la dissipation turbulente, ainsi que les forces de frottement, appelées traînée, provoquées par la différence de vitesse entre l'objet et un fluide au contact de la surface structurée du dispositif. Cet avantage est notamment utilisé par l'industrie aéronautique et maritime. La surface extérieure des avions ou de la partie immergée des bateaux est pourvue de rainures pour réduire les forces exercées par le fluide dans lequel ils se déplacent. Les surfaces rainurées peuvent également être utilisées pour garnir la paroi interne d'une conduite convoyant un fluide. Ces rainures permettent de réduire la perte de charge due à la dissipation turbulente et aux frottements du fluide sur la paroi de la conduite. L'utilisation de conduite à paroi interne rainurée est très intéressante pour les conduites convoyant un fluide sur une grande distance, par exemple les gazoducs. Les performances des surfaces structurées peuvent être dégradées au cours de leur utilisation, par exemple lors du transport de gaz ou de liquide dans une canalisation munie d'une paroi interne structurée. Ces dégradations peuvent résulter de différents phénomènes : - Encrassement ou adhésion à la surface : dépôt de matières à l'intérieur des structures d'une surface structurée. Adsorption d'agents chimiques à la surface de certains revêtements. Par exemple, le méthanol ou le tri éthylène glycol sont adsorbés par les résines époxydiques. Il en résulte un freinage de l'écoulement lié à des interactions moléculaires de surface. - La corrosion du substrat. Les revêtements utilisés pour la réduction de la traînée ne sont pas particulièrement destinés à la protection contre la corrosion. Compte tenu de la spécificité du fluide transporté, il peut en résulter une migration du fluide au travers du revêtement, une attaque du substrat et un décollement du revêtement. Érosion de la surface structurée par les particules solides transportées lors de l'écoulement d'un fluide. L'érosion peut être relativement importante dans le cas de revêtements à base de résines époxydiques. L'érosion risque de provoquer l'apparition à la surface du revêtement de structures non organisées qui tendent à augmenter la traînée. - Abrasion / écrouissage de la surface structurée par les roues des instruments de contrôle en appui sur la surface structurée. L'abrasion peut être relativement importante dans le cas de revêtements à base de résines époxydiques. L'abrasion risque de provoquer l'apparition à la surface du ~o revêtement de surfaces planes, c'est-à-dire non structurées, qui tendent à augmenter la traînée par rapport à une surface structurée. La présente invention propose de réaliser une surface structurée à partir d'une couche en matériau polymère renforcée par un revêtement de carbone 15 diamanté. De manière générale, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'une surface structurée renforcée dans laquelle on effectue les étapes suivantes : 20 a) on applique une couche de matériau polymère sur un support métallique, b) on pratique des rainures dans l'épaisseur de ladite couche, c) on dépose un revêtement de protection sur ladite couche, le revêtement étant composé de carbone amorphe de structure locale proche du diamant. 25 Selon l'invention, avant l'étape a), on peut effectuer un traitement de surface par grenaillage du support. Avant l'étape c), on peut effectuer une opération pour durcir le matériau polymère, l'opération consistant en un séchage ou une cuisson de ladite couche. Le revêtement de protection peut être déposé par décomposition par 30 plasma de gaz hydrocarbures légers. Le revêtement de protection peut être déposé en plusieurs couches successives. Les rainures peuvent être imprimées par application d'un moule sur la couche de matériau polymère. Les rainures peuvent être imprimées par application d'une molette sur la couche de matériau polymère. L'invention propose également un dispositif avec surface structurée renforcée, comportant un support métallique recouvert d'une couche en matériau polymère, des rainures étant pratiquées dans l'épaisseur de ladite couche, ladite couche étant recouverte d'un revêtement de protection composé de carbone amorphe de structure locale proche du diamant. Selon l'invention, l'épaisseur de la couche en matériau polymère peut être comprise entre 50 pm et 1000 pm, dans lequel la profondeur des rainures varie entre 10 pm et 500 pm et dans lequel l'épaisseur du revêtement de protection varie entre 0,1 pm et 10 pm. Le matériau polymère peut être choisi parmi les résines époxydiques, les résines polyuréthanes et les huiles vinyliques. Le dispositif selon l'invention peut être appliqué à une surface solide en déplacement relatif par rapport à un fluide en interaction aéro ou hydro dynamique. Par exemple la surface solide est un revêtement interne de conduite, un revêtement d'aile, de pale d'éolienne, la surface extérieur d'un engin roulant ou volant. La présente invention permet de combiner la mise en oeuvre aisée des matériaux polymères pour réaliser une surface structurée avec les excellentes propriétés mécaniques et hydrodynamique du carbone diamanté. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels : les figures 1A à 1D représentent différents profils de surfaces structurées, les figures 2A à 2D illustrent les étapes de la fabrication d'une surface structurée selon l'invention. Les surfaces structurées peuvent être classées en deux catégories selon 10 leur forme et leur performance hydro / aérodynamiques : formes bi dimensionnelles û dans ce cas, les surfaces structurées peuvent s'assimiler à des rainures longitudinales orientées dans la direction de l'écoulement. Le mode de dimensionnement est connu de l'homme du métier. La forme de base des rainures (dans la direction perpendiculaire à 15 l'écoulement) est très variable : triangulaire, incurvée, trapézoïdale ou en lame de couteau. Les figures 1A à 1D représentent différentes formes des rainures, vue selon une coupe transversale. Les rainures sont espacées d'une distance s qui peut par exemple être comprise entre 10 et 50 pm dans le cas de réduction de pertes de charge par rapport à un écoulement gaz et 20 présentent une hauteur h qui peut par exemple être comprise entre 10 et 50 pm. En générale la valeur h est comprise entre 0,5 et 1 fois la largeur s de la rainure. La figure 1A présente une forme en dents de scie. La figure 1B montre des rainures en forme de U. La figure 1C schématise des rainures entre deux triangles distants les uns des autres pour former des rainures de 25 forme trapézoïdale. La figure 1 D représente des rainures formées entre deux lames de couteaux. La réduction de traînée se situe entre 6 et 12 % variant avec la forme transversale de la structure. - formes tri dimensionnelles û dans ce cas, les surfaces structurées peuvent comporter des formes relativement complexes permettant à la surface d'agir 30 selon les trois composantes de la turbulence. La réduction de traînée peut atteindre 20 % variant avec la forme tri dimensionnelle de la structure. La fabrication d'une surface structurée selon l'invention peut être obtenue en réalisant les étapes décrites ci-après. Etape 1 : préparation du support. Le support accueillant la surface structurée est en général en matériau métallique. Il peut s'agir de la surface intérieure d'une conduite, d'un aubage, d'une pompe ou d'un compresseur, d'une pale d'éolienne, d'une aile d'un appareil aéronautique, d'une carène, d'un navire. En référence à la figure 2A, le support 1 devant accueillir la surface structurée peut subir une étape de préparation : pour améliorer l'adhésion d'un revêtement polymère (voir étape 2) sur la pièce métallique, on applique un traitement de surface. En général, on effectue un grenaillage de la surface métallique 1A jusqu'à obtenir une rugosité de l'ordre de 50 pm Rz. Etape 2 : application d'un revêtement sur le support. En référence à la figure 2B, on dépose une couche 2 en matériau polymère sur le support 1. Le revêtement 2 de type polymère est de préférence appliqué sous forme d'une peinture. On choisit un matériau polymère qui peut être déformé pour pratiquer des rainures et qui présente des propriétés de durcissement. On peut mettre en oeuvre différents types de polymère : résines époxydiques, produits à base de résines polyuréthane, huiles vinyliques à liant styrène, néoprène. Dans le cas d'une résine de type époxydique, la couche 2 est appliquée sur le support métallique 1 de préférence en phase liquide, non dilué ou en étant diluée dans un solvant liquide organique ou aqueux. De préférence, lors de l'application, l'épaisseur de la couche 2 est contrôlée, par exemple comprise entre 50 pm et 1000 pm (de l'ordre de 100 pm pour une résine époxydique avec solvant, 200 pm pour une résine époxydique sans solvant, 500 pm pour un polyamide, etc ....). Etape 3 : formation des rainures Après application de la couche 2 (Etape 2) et avant durcissement de cette couche, on pratique des rainures dans l'épaisseur de la couche 2. Les rainures peuvent être formées par application d'un moule contre la couche, par exemple en utilisant un dispositif extensible et sa méthode d'utilisation décrits dans le document FR 2 879 948. Les rainures peuvent également être formées au moyen d'un outil de type molette, par exemple décrit par les documents FR 2 836 650, FR 2 836 651, FR 2 836 649 et FR 2 885 309. On peut également mettre en oeuvre un procédé d'ablation de matière par rayon laser. Après mise en forme des rainures dans la couche 2, on peut effectuer une étape complémentaire de durcissement. Le durcissement peut consister en une étape de réticulation du polymère, par exemple à chaud, une étape de séchage à température ambiante. De préférence, on peut mettre en oeuvre des résines époxydiques qui sont particulièrement bien adaptées : il peut s'agir de résines époxydiques formophénoliques, durcissant à chaud, vers 200°C, ou des résines époxydiques comportant un durcisseur à froid, par exemple de type amines ou polyamides. Etape 4 : dépôt d'une couche de DLC Selon l'invention, la surface structurée obtenue à l'issue de l'étape 3 est renforcée par une protection en matériau en carbone amorphe de structure locale proche du diamant, plus connu sous le vocable DLC (en anglais "Diamond Like Carbon"). En référence à la figure 2D, la couche de revêtement polymère 2 est recouverte d'un film 3 en DLC. Dans un matériau DLC, une fraction des atomes de carbone présente des liaisons atomiques en un arrangement tétraédrique (des liaisons dites de nature spi) caractéristique de la structure locale du diamant. La fraction de liaisons spi, généralement dans la gamme de 0,3 à 0,9, est typiquement supérieure à 0,5. Ces formes de carbone amorphe proches du diamant possèdent une dureté supérieure à 10 GPa, pouvant aller jusqu'à 130 GPa, et un faible coefficient de frottement (inférieure à 0,12 pour une fraction de liaisons sp3 supérieure à 0,75). Le dépôt du DLC est effectué de préférence par l'utilisation d'un procédé de décomposition par plasma de gaz hydrocarbures légers tels que l'acétylène, l'éthylène, le méthane et autres. Par exemple, on peut déposer la couche de DLC selon la méthode décrite par le document US 2006/0011468. Avantageusement, le gaz hydrocarbure peut être mélangé à de l'hydrogène ou à un gaz rare, tel que l'argon. Le dépôt peut aussi se faire par ablation d'une cible de carbone, comme cela est décrit dans "Journal of Materials Science" en date du 15 mai 2004 selon la publication "Synthesis of HDLC films from solid carbon" de R. L. Mills, J. Sankar, P. Ray, A. Voigt, J. He et B. Dhandapani. Le revêtement DLC peut être dopé en incluant une fraction d'hydrogène et d'autres éléments, comme par exemple F, Si, 0, N. Ces éléments sont introduits par l'addition de gaz réactifs (par exemple respectivement C2F2, Si(CH3)4, 02 or N2) à l'hydrocarbure servant à former le dépôt. Grâce à cela, le procédé est bien adapté aux dépôts sur des surfaces à géométrie complexe telles que les surfaces structurées. L'inclusion d'hétéroéléments permet de moduler les propriétés en fonction des conditions d'opération prévues. En effet, une approche de l'élaboration de dépôts anti-encrassement est de rendre la surface du matériau répulsive, ou moins attractive, aux composés responsables de l'encrassement. Par exemple, les dépôts sans hydrogène ont moins d'interaction avec les composés oxygénés et seront donc favorables à une réduction d'encrassement par ces composants. Au contraire, les dépôts avec hydrogène ont moins d'interaction avec les hydrocarbures. De manière avantageuse, la gamme du contenu en hydrogène peut être de 0% à 80% et celle du silicium, du fluor, de l'oxygène ou de l'azote peut varier de 0% à 20%. Le revêtement 3 peut être appliqué : - en une seule couche de DLC dopé ou non dopé, en deux couches, une première couche dopée au contact du revêtement 2, puis une deuxième couche non dopée. Le choix du matériau DLC, les épaisseurs de couche, le nombre de couches de DLC peuvent être déterminés en fonction des caractéristiques requises en terme d'adhésion, de résistance au chocs, à l'usure, à la corrosion, à l'abrasion ainsi qu'aux limitations de dépôt requises. Avantageusement, l'épaisseur du dépôt 3 est typiquement de quelques microns (2 à 4 microns) à quelques dizaines de microns. Ainsi, après dépôt du revêtement 3, la forme des rainures formées dans la couche polymère 2 est conservée. Après dépôt du revêtement 3 de carbone diamanté sur une surface structurée à base de polymères 2, les performances mécaniques et hydroaérodynamiques sont améliorées : - Encrassement ou adhésion à la surface : peu d'effet compte tenu des 15 propriétés d'énergie de surface du carbone diamanté réduisant fortement les dépôts. Adsorption d'agents chimiques à la surface du carbone diamanté : peu d'effet compte tenu de leur structure moléculaire. - La corrosion du substrat : peu d'effet compte tenu de leur très faible 20 perméabilité. - Érosion de la surface structurée par les particules solides transportées lors de l'écoulement d'un fluide : peu d'effet compte tenu de leur propriétés mécaniques. - Abrasion / écrouissage de la surface structurée par les roues des appareils 25 de contrôle : peu d'effet compte tenu de leur propriétés mécaniques. La surface structurée selon l'invention peut être mobile dans un fluide gazeux ou liquide immobile. Alternativement la surface structurée peut être immobile dans un fluide en écoulement par exemple la surface interne d'une 30 conduite de transport. La surface structurée obtenue selon l'invention peut être appliquée au revêtement interne de conduite, au revêtement d'aile, de pale d'éolienne, et de manière générale à tout type d'engin roulant ou volant, dans le but de maintenir, au cours de leurs utilisations, les performances des surfaces structurées, 5 notamment en terme de réduction de pertes de charge, de réduction de la dissipation turbulente et de réduction de la traînée. REVENDICATIONS1) Procédé de fabrication d'une surface structurée renforcée dans laquelle on effectue les étapes suivantes : a) on applique une couche de matériau polymère sur un support métallique, b) on pratique des rainures dans l'épaisseur de ladite couche, c) on dépose un revêtement de protection sur ladite couche, le revêtement étant composé de carbone amorphe de structure locale proche du diamant. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel avant l'étape a), on effectue un traitement de surface par grenaillage du support. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel avant l'étape c) on effectue une opération pour durcir le matériau polymère, l'opération consistant en un séchage ou une cuisson de ladite couche. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le 20 revêtement de protection est déposé par décomposition par plasma de gaz hydrocarbures légers. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le revêtement de protection est déposé en plusieurs couches successives. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les rainures sont imprimées par application d'un moule sur la couche de matériau polymère. 30 7) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle les rainures sont imprimées par application d'une molette sur la couche de matériau polymère. 25 11 8) Dispositif avec surface structurée renforcée, comportant un support métallique recouvert d'une couche en matériau polymère, des rainures étant pratiquées dans l'épaisseur de ladite couche, ladite couche étant recouverte d'un revêtement de protection composé de carbone amorphe de structure locale proche du diamant. 9) Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l'épaisseur de la couche en matériau polymère est comprise entre 50 pm et 1000 pm, dans lequel la profondeur des rainures varie entre 10 pm et 500 pm et dans lequel l'épaisseur du revêtement de protection varie entre 0,1 pm et 10 pm. 10) Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel le matériau polymère est choisi parmi les résines époxydiques, les résines polyuréthanes et 15 les huiles vinyliques. 11) Application du dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, à une surface solide en déplacement relatif par rapport à un fluide en interaction aéro ou hydro dynamique. 12) Application selon la revendication 11, dans laquelle la surface solide est choisie dans le groupe contenant : un revêtement interne de conduite, un revêtement d'aile, de pale d'éolienne, la surface extérieur d'un engin roulant ou volant. 20 25