Comment caractériser les liaisons moléculaires dans une couche de conversion ?
Question
Le développement de nouvelles couches de conversion pour la protection des matériaux peut être freiné par un manque d’information sur les interactions moléculaires qui s’établissent entre le substrat métallique et le traitement chimique.
Ce cas d’étude montre comment le ToF-SIMS s’avère être un outil très efficace, comme support à la R&D, pour montrer la conversion effective de l’aluminium après le dépôt d’un revêtement par voie sol gel. De plus, cet exemple illustre la possibilité d’évaluer le taux de réticulation de la couche déposée à partir des données fournies par les spectres de masse. Ces informations permettent de comprendre les performances d’une solution développée spécifiquement pour la protection contre la corrosion.
Expertise
Le ToF-SIMS est connu comme étant une technique d’analyse performante capable de fournir des informations moléculaires précises sur les premiers nanomètres de la surface d’un matériau. Grâce à ses canons de profilage, l’équipement disponible chez Materia Nova permet aussi d’analyser des couches de plusieurs dizaines de microns d’épaisseur avec une résolution nanométrique. Nous illustrons, dans ce cas d’étude, la capacité du ToF-SIMS à analyser les interactions moléculaires à l’interface entre un support en aluminium et une couche d’une dizaine de microns déposée par sol gel.
Les revêtements analysés s’intègrent dans le cadre du développement de nouvelles couches de conversion (sans chrome VI) notamment chez notre partenaire Axcentive. Les procédés de substitution présentent encore de nombreuses limites et n’ont pas toujours les performances attendues. Dans sa démarche d’accompagnement des industriels dans des projets d’innovation responsables, Materia Nova a également développé une expertise dans ce domaine.
Cette étude compare ici la résistance à la corrosion de l’aluminium recouvert de 2 revêtements à base de silicium (déposé par voie sol-gel) et explique, grâce au ToF-SIMS, les raisons de ces différences de performance.
Tests en brouillard salin :
La résistance à la corrosion des deux formulations sol-gel est évaluée grâce à un vieillissement en brouillard salin.
Après 300 heures en BS, on constate clairement que le revêtement 1 (épaisseur 2 µm) n’est pratiquement pas attaqué alors que le revêtement 2 (épaisseur : 10 µm) est très corrodé.
Analyse de l’interface par ToF-SIMS :
Pour expliquer pourquoi le revêtement 1 est plus résistant, des analyses par profilage ToF-SIMS sont réalisées depuis la surface du revêtement jusqu’au substrat d’aluminium. Le revêtement 1 est un oxyde métallique pur (SiO2) ; le revêtement 2 contient, en plus, des groupements organiques (R).
La conversion de l'aluminium peut être évaluée en suivant l’ion SiOAl+ (fluo jaune).
- Sur l’échantillon 1, on constate que cet ion SiOAl+ est principalement présent à l’interface entre le revêtement et le substrat en aluminium (1µm environ). De plus, l’ion Al2OH+ n’est plus détecté, ce qui indique une conversion totale au voisinage de l’interface.
- Sur l’échantillon 2, l’ion SiOAl+ est détecté à travers toute l’épaisseur de la couche mais l’intensité du signal décroît au voisinage de l’interface avec le substrat. De plus, l’intensité de l’ion Al2OH+ reste constante dans toute la couche révélant une conversion plus faible dans cet échantillon.
Détermination du taux de réticulation :
Le taux de réticulation des couches déposées peut-être estimé en suivant l’ion Si2O2+ (fluo bleu). L’intensité de cet ion est bien plus importante pour le revêtement 1. Celui-ci est donc le plus réticulé ; ce qui explique qu’il présente de meilleures propriétés barrières.
Solution
Cette étude montre que le ToF-SIMS est un outil très performant pour caractériser les couches de conversion. Là où d’autres techniques fournissent uniquement une information sur la stochiométrie des éléments, le ToF-SIMS permet, d’une part, d’identifier les espèces moléculaires en présence et, d’autre part, de déterminer leur répartition dans l’épaisseur de la couche.
Les meilleures performances anti-corrosion d’une des formulations analysées dans cette étude s’expliquent par 2 facteurs fondamentaux difficilement accessibles via d’autres techniques :
- une meilleure conversion de l'aluminium en SiOAl+ au voisinage de l’interface,
- une meilleure densité de réticulation (formation de Si2O2+) optimisant les propriétés barrière du revêtement.
Ce type d’investigation est possible sur des couches de quelques dizaines de µm.
Pour en savoir plus, cette étude a fait l’objet d’une publication dans la revue Results in Surfaces and Interfaces (https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2024.100270)