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Des fissures esthétiques dans des couches minces trahissent un nouveau mécanisme de rupture

by Jop - published on , updated on

Des fissures esthétiques dans des couches minces trahissent un nouveau mécanisme de rupture

Attractive cracks in thin films betray a new failure mechanism - Des motifs de rupture étonnamment réguliers en forme de spirales, d’allées oscillantes ou en bandes peuvent se propager dans des couches minces. Des physiciens viennent de mettre en évidence ce nouveau mode de rupture dans lequel la fissure à travers le film collabore avec le décollement de la couche.

(voir aussi l’actualité scientifique de l’INP au CNRS.)

Déposer une couche mince pour protéger une surface ou en modifier les propriétés est un procédé industriel fondamental. Il s’agit en effet aussi bien des peintures qui protègent nos murs que des couches optiques déposées sur nos vitres. Lors du dépôt ou au cours du temps, des contraintes de tension peuvent apparaître au sein du film. Généralement ces contraintes finissent par engendrer des fissures droites qui apparaissent successivement en se branchant à angle droit, détériorant les propriétés du film. Ces fissures conduisent aux craquelures familières que nous observons sur de la boue séchée ou sur une assiette en faïence. Une équipe de physiciens du laboratoire de Mécanique et Physique des Milieux Hétérogènes de l’ESPCI ParisTech (ESPCI / CNRS) et du laboratoire Surface du Verre et Interfaces (CNRS/Saint-Gobain Recherche) en collaboration avec le laboratoire de Physique Non-Linéaire de l’Université de Santiago du Chili (USACH) ont observé un mode de rupture très différent dans des films fragiles présentant une adhésion modérée avec le substrat. Les fissures répliquent en effet une structure initiale et forment des motifs géométriques réguliers, inhabituels dans les processus de rupture. Ces fissures sont d’autant plus étonnantes qu’elles peuvent apparaître sur des films considérés comme stables selon les critères classiques de la mécanique de la rupture. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

En observant la propagation de la fissure en temps réel dans des couches d’un à dix micromètres d’épaisseur, les chercheurs ont compris que le couplage entre le décollement et la rupture du film sur son épaisseur permet de relâcher les contraintes résiduelles dans de larges parties latérales du film et d’ainsi promouvoir la propagation des fissures. Lorsque les conditions de propagation résultent d’une compétition entre énergie de rupture et contraintes résiduelles, le mécanisme sélectionne une taille stable, beaucoup plus grande que l’épaisseur du film. Cette taille, indépendante du chargement et des propriétés mécaniques du matériau, définit l’espacement optimal entre deux fissures. La robustesse des motifs de rupture pourrait permettre d’utiliser ces fissures comme un outil pour produire des micro-objets ou pour structurer les surfaces à petites échelles. En dehors du monde de la nanotechnologie, un observateur curieux peut trouver les traces de ces étonnants motifs sur des films anciens de vernis ou de peinture, ou sur l’écorce de certains arbres (les marronniers par exemple).

Article : Joël Marthelot, Benoît Roman, José Bico, Jérémie Teisseire, Davy Dalmas, and Francisco Melo, "Self-replicating cracks: a collaborative fracture mode in thin films", Phys. Rev. Lett. 113, 085502 (2014)

Contact chercheur : Joël Marthelot
joel.marthelot@espci.fr

Vues microscopiques de la propagation de fissures dans des films adhérant modérément au substrat. Ces motifs résultent du couplage entre la fissuration et le décollement de la couche. Clichés : Joël Marthelot