Fissure sur substrat flexible

La mécanique des couches minces sur substrat flexible est un sujet d’intérêt industriel croissant, motivé par le développement de l’électronique flexible (l’éclairage et photovoltaïque flexibles (figure 5.1A)). Pour un industriel comme Saint-Gobain, une potentialité prometteuse est de fonctionnaliser des surfaces en les recouvrant d’un film plastique (par exemple en déposant sur une surface de verre une feuille de polymère fonctionnalisée par une couche barrière d’oxyde ou une couche de faible émissivité). Les difficultés pour décrire la propagation de fissures dans la couche proviennent des contrastes de modules élastiques entre la couche mince rigide et le substrat de polymère, de la plasticité du substrat et de la faible adhésion entre la couche et le substrat. La compréhension de la mécanique est importante pour guider le design de structures plus complexes permettant de maintenir l’intégrité du film à grande déformation. Un défi pour les applications est notamment de maintenir la conductivité électrique des couches malgré les déformations imposées par le substrat. Dans un contexte plus fondamental, la compréhension du phénomène de fissuration sur un substrat flexible constitue une méthode prometteuse pour caractériser les propriétés mécaniques des films minces. Il est par exemple possible de déterminer les modules élastiques, la ténacité ou l’énergie d’adhésion d’une feuille de graphène à partir de l’observation de la propagation de fissures dans la feuille déposée sur un substrat de polymère mis en traction uniaxiale (Jiang et al. (2013)). Les premières observations expérimentales de la fragmentation de films rigides déposés sur des substrats de polymère par microscopie optique insitu (Leterrier et al. (1997b,a)) sont motivées par l’étude de couches barrières d’oxyde de silicium déposée sur du PET. En appliquant des modèles de transfert de contrainte parfaitement plastique développés par Hu & Evans (1989) pour modéliser la fissuration de films déposés sur des métaux ductiles, ces auteurs remontent à une valeur de cisaillement à l’interface qu’ils relient à la plasticité du substrat. Handge et al. (2000) observent les dépendances en loi de puissance de la taille des fragments en fonction de la déformation appliquée et examinent le cas plus général d’un transfert de contrainte non linéaire à l’interface. Frank et al. (2011) déterminent expérimentalement les champs de contrainte dans les fragments et la taille de déchargement par diffraction de rayons X. Thouless et al. (2011) examinent l’influence de la propagation des fissures dans le substrat sur la fragmentation. La fragmentation de dépôt ductile comme une monocouche de cuivre déposée sur un substrat polymérique conduit à des morphologies de fissures très différentes de celles des films d’oxyde. Lu et al. (2007) mettent en évidence le maintien de la conductivité électrique à grande déformation, importante pour les applications en électronique flexible. L’observation des fissures par microscopie électronique montre l’apparition de zones localisées où l’endommagement et le décollement de la couche coexistent. Dans ce chapitre, nous nous intéresserons à la fissuration d’un film mince de faible émissivité développé par Saint-Gobain. Cet empilement original pré- 122 Fissure sur substrat flexible sente une couche d’argent entourée de deux diélectriques d’oxyde de zinc (figure 5.1B). L’argent permet d’obtenir une réflexion efficace de l’infra-rouge tout en gardant une bonne transmission dans le visible. Les couches de ZnO favorisent l’adhésion de l’argent et limitent son oxydation au contact de l’air. Nous étudierons dans un premier temps un système modèle composé d’une monocouche d’oxyde de zinc sur un substrat d’ETFE. Nous verrons ensuite comment l’ajout d’une couche d’argent ductile change les propriétés de fissuration de l’empilement.

Une couche de peinture sur une membrane de latex

Évelyne Kolb et al. (2002) ont étudié la fragmentation d’une couche de peinture relativement fine et rigide (de module de Young Ef = 1 GPa, d’épaisseur hf = 100µm) déposée sur un substrat mou et épais (de module de Young Es = 1 MPa et d’épaisseur hs = 4 mm). Le problème est unidimensionnel car la largeur de la bande de peinture (2 cm) est faible devant sa longueur (20 cm). Le système est mis en traction uniaxiale. Nous observons une rupture séquentielle. Les fissures se propagent à peu près au milieu de chaque fragment de couche formé par les fissures qui se sont propagées précédemment (figure 5.2). Effet du rapport des modules : un argument en loi d’échelle. Estimons la taille de déchargement élastique autour d’une fissure lorsque le substrat est moins rigide que le film. En régime permanent (pour des fissures suffisamment longues), le confinement de l’énergie élastique est dû à la rigidité du substrat. Lorsque le substrat est moins rigide que le film, la taille de déchargement élastique autour des fissures ℓ est grande et est fixée par la capacité du substrat à se déformer. En effet cette ouverture de fissure relâche une énergie dans le film Ef ∼ Ef ℓhf ǫ 2 , mais produit un cisaillement dans le substrat δu/ℓ avec δu ∼ ǫℓ (déplacement du film). Le cisaillement ajoute une énergie Es ∼ Esℓ 2 ǫ 2.