La métallisation de surface polymère par procédés plasmas

UNIVERSITÉ DE NANTES
Ecole polytechnique de l’Université de Nantes
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ÉCOLE DOCTORALE 3MPL
MOLECULES, MATIERES ET MATERIAUX EN PAYS DE LA LOIRE
Année 2014
La métallisation de surface polymère par procédés plasmas
- Etude de l’adhésion à l’interface métal/polymère
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THÈSE DE DOCTORAT
Discipline : Science des matériaux
Spécialité : Plasmas froids, couches minces et polymères
Présentée
et soutenue publiquement par
Charlène LAMBARÉ
Le 20 Novembre 2014, devant le jury ci-dessous
Président
Rapporteurs
Examinateurs
Mme GRANIER Agnès Directeur de recherche CNRS, IMN Université de Nantes
M. ROUCOULES Vincent Professeur, IS2M Université de Haute Alsace
M. SUPIOT Philippe Professeur, IEMN Université de Lille I
Mme DEBARNOT Dominique Maitre de conférences, IMMM Université du Maine
Mme LESCAON Marie Ingénieur, SOURIAU
M. MAT Philippe Ingénieur, SARREL
Mme PONCIN-EPAILLARD Fabienne Directeur de recherche CNRS, IMMM Université du Maine
M. TESSIER Pierre-Yves Maitre de conférences, IMN Université de Nantes
Directeur de thèse : TESSIER Pierre-Yves
Co-directeur de thèse : DEBARNOT Dominique
Co-encadrant de thèse : PONCIN-EPAILLARD Fabienne
N° attribué par la bibliothèque

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Remerciements
Ces travaux ont été réalisés en collaboration entre l’Institut des Matériaux Jean-Rouxel
de Nantes et le département Polymères, Colloïdes, Interfaces de l’Institut des Molécules et
Matériaux du Mans. Au travers ces quelques lignes, je voudrais remercier tous ceux qui, d’une
manière ou d’une autre, ont contribué de près ou de loin au bon déroulement de cette thèse et
à l’élaboration de ce mémoire de thèse, tant d’un point de vue humain que d’un point de vue
scientifique.
Je souhaite en premier lieu remercier l’ensemble des membres de mon encadrement de
thèse à savoir M. TESSIER Pierre-Yves (directeur de thèse), Mme DEBARNOT Dominique (co-
directeur de thèse) et Mme PONCIN-EPAILLARD Fabienne (co-encadrant de thèse) pour m’avoir
accordé leur confiance pour mener à bien cette étude et pour m’avoir épaulé tout au long de ces
trois années. Ils ont su se rendre disponible et être à l’écoute lors de cette thèse.
Je remercie également M. ROUCOULES Vincent (Professeur, IS2M - Université de Haute
Alsace) et M. SUPIOT Philippe (Professeur, IEMN - Université de Lille I) d’avoir accepté de juger
ce travail en qualité de rapporteurs. Merci à Mme GRANIER Agnès (Directeur de recherche, IMN
- Université de Nantes) d’avoir manifesté son intérêt pour ces travaux. Merci également à M.
MAT Philippe (Ingénieur, SARREL) et Mme LE SCAON Marie (Ingénieur, SOURIAU) d’avoir accepté
de participer à mon jury de thèse en tant que partenaires industriels directs de ces travaux de
thèse.
Je me dois également de remercier la région Pays de la Loire qui a permis de financer ces
travaux dans le cadre du projet régional COMPLIMA et les industriels SARREL et SOURIAU dont la
problématique appliquée à fait l’objet de cette thèse.
Je tiens à remercier tous les membres du département PCI de l’IMMM et de l’équipe
PCM de l’IMN et plus particulièrement Magali MARTIN, Frédérick NIEPCERON, Jean-Luc
MONEGER et Cyrille DECHANCE pour leur aide technique. Un merci également à Danielle
CHOPLIN, Isabelle BERTHAUD, Mauricette CHABOT, Catherine ROCHAS, Didou HULBERT pour
leur aide sur le plan administratif.
Je remercie l’ensemble des collaborateurs des différents sites qui m’ont accueilli à savoir
l’IMN de Nantes et le département PCI de l’IMMM. Je tiens notamment à remercier toutes les
personnes qui m’ont aidé d’un point de vue technique à un moment ou à un autre de cette
thèse : Jonathan HAMON et Vincent FERNANDEZ pour l’XPS à l’IMN ; Julien NICOLAS pour

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l’usinage à l’ENSIM ; Benoit ANGLERAUD et Nicole LANGLOIS pour l’AFM et le profilomètre à
l’IMN ; Thibaut GARIN pour le MEB à l’IMMM ; Olivier NOEL pour l’AFM de l’IUT du Mans et
Lazhar BENYAHIA pour les essais de traction. Je souhaite aussi remercier Michel DORGET,
Isabelle GIMENEZ, Christelle PORCHERON, Sophie POIRIER, Tanguy CIRET et Tanguy HONORE
pour leur accueil au CTTM et pour leur précieuse aide.
Un merci également à mes collègues Sandie PIOGE et Radouane SELLAK pour leur
précieuse collaboration dans la préparation des enseignements à l’IUT.
J’adresse, plus particulièrement une pensée à l’ensemble des doctorants et post-
doctorants, des plus anciens aux petits nouveaux, que j’ai rencontré aux cours de ces trois
années pour les bons moments partagés avec eux. Merci à ceux du " 3
ème
" : Alexia, Anna, Atchu,
Bach, Céline, Damien, Fabien, Fanny, Flavien, Frédérico, Gireesh, Julien, Lionel, Malika, Myriam,
Omar, Peggy, Radouane, René, Sylvain, Tuan, Walailuk,…
Un merci tout particulier à tous mes camarades de "l’ENSIM" : Abdoul, Andrii, Chus,
Claudine, Houria, Jeanne, Kateryna, Naima, Olga, Patrice, Pavlo, Roman et Roxanne. Merci pour
votre soutien et pour tous les bons moments passés avec vous !
Je tiens aussi à remercier mes collègues de l’IMN qui m’ont toujours accueilli à bras
ouvert lors de mes missions à Nantes et avec qui j’ai passé d’agréables moments : Antoine, Axel,
Julien C., Julien K., Madec, Nicolas, Romain, Sabine, Salma,…
Je remercie également Cédric MARTIN et Camille DOUARD pour leur soutien tout au long
de ces dernières années et un merci tout particulier à Docteur Annaïg LE COMTE…. merci pour
ton soutien immense même de l’autre côté de l’océan ! Merci pour tous tes conseils et ton aide,
on aura été dans le même bateau jusqu’au bout !!
Enfin, en tout dernier lieu, j’adresse une pensée toute particulière à mon compagnon
Guillaume pour son soutien inconditionnel tout au long de cette thèse et à ses nombreux
encouragements ainsi qu’à mes parents et mes sœurs qui ont contribué à cet aboutissement de
par leur soutien. Une pensée également à ma famille et mes amis qui m’ont soutenu ces
dernières années.
A ceux que j’ai oublié…

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Sommaire
Introduction générale..............................................................................................1
Chapitre I : L’adhésion de couche métallique déposée par plasma sur polymère......5
Introduction..............................................................................................................................7
I. 1. Adhésion d’un métal sur des polymères.............................................................................8
I. 1. 1. Rappel des mécanismes d’adhésion..........................................................................8
I. 1. 1. i. L’ancrage mécanique..................................................................................8
I. 1. 1. ii. L’ancrage spécifique................................................................................11
I. 1. 2. Utilisation d’une couche primaire d’adhérence......................................................12
I. 1. 3. Critères de bonne ou mauvaise adhésion...............................................................12
I. 2. Elaboration : la métallisation des polymères.....................................................................14
I. 2. 1. Elaboration par voie chimique.................................................................................14
I. 2. 2. Elaboration par voie électrochimique.....................................................................16
I. 2. 3. Elaboration par voie plasma froid...........................................................................17
I. 2. 3. i. Définition d’un plasma..............................................................................18
I.2.3.i.i Le plasma : quatrième état de la matière......................................18
I.2.3.i.ii La classification des plasmas.........................................................18
I.2.3.i.iii Les plasmas froids basse pression : une solution ?.......................20
I.2.3.i.iv La génération d’une phase plasma...............................................21
I.2.3.i.v Les réactions entre particules dans les plasmas froids..................21
I.2.3.i.vi Les interactions plasma-surface...................................................22
I.2.3.i.vii Notion de gaine plasma et potentiels..........................................25
I. 2. 3. ii. Dépôt organométallique..........................................................................27
I. 2. 3. iii. Modification et fonctionnalisation de surface polymère........................28
I.2.3.iii.i Les mécanismes............................................................................28
I.2.3.iii.ii Modification de surface polymère par plasma froid...................30
I. 2. 3. iv. Vieillissement..........................................................................................32
I. 2. 4. Elaboration par voie physique - métallisation par PVD...........................................32
I. 2. 4. i. Evaporation..............................................................................................32
I. 2. 4. ii. Pulvérisation............................................................................................33
I.2.4.ii.i Principe de la pulvérisation...........................................................33