EP2996820B1 - Procede de depot d'un film compact de particules sur la surface interieure d'une piece presentant un creux delimite par cette surface interieure - Google Patents

Procede de depot d'un film compact de particules sur la surface interieure d'une piece presentant un creux delimite par cette surface interieure Download PDF

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EP2996820B1
EP2996820B1 EP14723781.2A EP14723781A EP2996820B1 EP 2996820 B1 EP2996820 B1 EP 2996820B1 EP 14723781 A EP14723781 A EP 14723781A EP 2996820 B1 EP2996820 B1 EP 2996820B1
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EP
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carrier liquid
particles
hollow
process according
protuberance
Prior art date
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EP14723781.2A
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Olivier Dellea
Philippe Coronel
Pascal Fugier
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Definitions

  • the invention relates to the field of processes and installations for depositing a compact film of particles on the inner surface of a part having a hollow delimited by this surface. It may for example be a deposition of particles ordered on the inner surface of a tubular part.
  • An example of implementation of this technique is disclosed in the document WO 2010/059682 .
  • the solid particles preferably of spherical shape, may for example be silica particles.
  • the invention has applications in various technical fields, such as the field of lighting and decorative objects, or that of surface structuring.
  • the rate of shrinkage of the workpiece must be controlled very precisely so that it is constant and equivalent to the growth rate of the particle network, which itself depends on the evaporation rate of the bath. Also, this deposit technique is particularly difficult to control because of the number important parameters that must be taken into account, to hope to obtain the deposit of a quality film on the inner surface of the room.
  • the invention is remarkable in that it offers a wide choice in the nature of the particles may be deposited on the inner surface of the part.
  • the invention is not limited to the use of colloidal solutions.
  • the invention is simple to implement compared to the technique of the prior art described above. This is explained by the principle adopted, which takes advantage of the surface current and slope of the protuberance to order the particles before they deposit on the inner surface.
  • the presence of the flow generating the protuberance implies that the surface current of the carrier liquid pushes the particles to contact it to move radially outwards, in the direction of the contact line forming a stop for these same particles.
  • the particles present thereon are also radially outwardly driven by gravity, due to the slope defined by this protuberance. Also, these two combined effects bring the energy necessary for the ordering of the particles against the line of contact.
  • the principle proposed by the invention also facilitates the controlled deposition of a heterogeneous compact film. To obtain such a heterogeneous film, it suffices to vary the nature and / or the size of the particles dispensed on the surface of the carrier liquid.
  • the method also comprises a step of placing, in the protuberance, an accentuation element of the slope defined by this protuberance, said slope accenting element having an outer surface of section narrowing in a direction opposite to that of said flow of carrier liquid generated in the hollow of the room.
  • the accent element has an outer surface of conical or frustoconical shape.
  • this slope enhancement element makes it possible to reinforce the pressure of the ordered particles against the nip, without requiring the increase of the power of the flow of carrier liquid generated in the hollow of the workpiece.
  • the stability of the protuberance is advantageously improved.
  • said protrusion and said accent element are coaxial, preferably centered in said recess of the workpiece.
  • the step of generating the flow of carrier liquid in said hollow is carried out using a liquid spray mouth arranged in said hollow.
  • the projection mouth is covered with one or more grids.
  • the method also comprises, simultaneously with the step for generating the flow of carrier liquid in said hollow, a step of suction of said carrier liquid, a suction mouth preferably being arranged in said hollow.
  • this suction mouth may be located outside the hollow.
  • the projection mouth and the suction mouth can communicate respectively with the outlet and the inlet of a pump. They can therefore be part of the same hydraulic circuit.
  • the step of transferring the compact film is implemented by moving said workpiece.
  • this transfer step of the compact film is implemented by lowering the surface of the carrier liquid in the remaining fixed part.
  • a solution combining the two above is also possible, without departing from the scope of the invention.
  • other elements of the installation such as the spray / suction mouths can be moved simultaneously with the liquid level.
  • the step of dispensing the particles is carried out using one or more nozzles, possibly mobile.
  • the goal is to obtain a relatively uniform dispensation all around the protuberance. Consequently, an annular nozzle centered on the protuberance can also be envisaged, without departing from the scope of the invention.
  • the nozzle could feed a dispenser providing uniform dispensing of particles all around the protuberance.
  • the method applies to a tubular part.
  • the cross-section of the inner surface of the part may be of any shape, symmetrical or asymmetrical, for example circular, square, or else incorporating concave and / or convex portions, or else present sharp, straight or obtuse angles.
  • the inner section can be scalable in size and / or shape.
  • the recess may extend along a straight line to form a tubular piece, or may extend over a non-straight line, for example curved, broken, etc.
  • the hollow of the part to be coated can be opening or through, without departing from the scope of the invention.
  • said particles of the compact film have a large dimension of the order of 1 nm to 500 ⁇ m.
  • the compact particle film is deposited on the inner surface of the workpiece is homogeneous or heterogeneous. In the latter case, particles of different sizes and / or different compositions make up the film.
  • the group of steps a) to d) is repeated for the deposition of several superposed, identical or different films. It is then a multilayer coating deposited on the inner surface delimiting the hollow.
  • the method preferably also includes a step of depositing a compact film of particles on the outer surface of the workpiece, simultaneously, before or after deposition of the compact film on the inner surface of the workpiece.
  • all the deposition techniques deemed appropriate are conceivable, in particular those ensuring the prior formation of a compact film of particles on the surface of a carrier liquid, before the transfer of this film on a substrate.
  • FIG. 1 With reference first to the figure 1 , there is shown an installation 1 for the deposition of a compact film of particles on the inner surface of a part 2.
  • the installation comprises a receptacle 3 receiving a carrier liquid 6. It is preferably a deionized water, on which the particles can float.
  • the part 2 and the container 3 can be confused.
  • the installation also comprises means for generating a flow of carrier liquid in the hollow 8 of the part 2 defined by its inner surface 10.
  • the means here comprise a pump 12 connected to a pipe 14 at the end of which is a liquid projection mouth 16, oriented toward the surface 18 of the carrier liquid 6. More specifically, the mouth 16 placed in the liquid 6 is oriented so as to create a flow orthogonal to the liquid surface, this flow being therefore vertical.
  • the projection mouth 16 is centered in the recess 8 of the part, which is here a tubular piece whose inner surface 10 has a circular section. Also, the axis 16a of the mouth 16 coincides with the axis 10a of the inner surface 10 of the part 2 partially immersed in the carrier liquid 6 of the container 3.
  • a contact line 20 is defined at the interface between the inner surface 10 of the part and the surface 18 of the carrier liquid 6.
  • the pump 12 is connected at its inlet to a pipe 22 at the end of which is a liquid suction mouth 24.
  • This mouth can be placed in the recess 8 as shown in FIG. figure 1 , or externally to the piece 2, still in the container.
  • the liquid 6 sucked by the mouth 24 passes through the pump 12 before being ejected into the hollow 8 through the mouth 16.
  • the suction mouth is actually placed preferentially outside this hollow 8 in which the flow of liquid must be generated, for the formation of a protuberance on the surface.
  • the aforesaid protuberance is provided to form a slope on which the particles to be deposited can move by gravity and following the radially outwardly directed surface current lines.
  • the installation 1 further comprises an accentuating element of the slope defined by this protuberance.
  • This element is here a pin 28 having a conical outer surface 30 of section narrowing towards the bottom of the container.
  • the section of the conical surface 30 narrows in a direction opposite to that of propagation of the flow of carrier liquid to be generated in the recess 8, at the outlet of the mouth 16.
  • the pin 28 is arranged coaxially with the projection mouth 16. Its axis 28a is coincident with the axes 16a and 10a, and also coincides with the axis of the protuberance intended to be formed on the surface 18 of the carrier liquid.
  • the pin 28 penetrates coaxially therein so as to accentuate the slope of this protrusion on which the particles are intended to float. By this accentuation, the effect of displacement of these particles towards the contact line 20 is reinforced.
  • the conical surface 30 makes it possible to derive the surface current lines in a symmetrical manner, making it possible to obtain a uniform pressure at the periphery.
  • the pin 28 can penetrate into the protuberance of carrier liquid beyond its conical surface 30. It is made of a hydrophobic material to prevent the deposition of particles on its conical surface 30. The material retained is for example Teflon (PTFE) .
  • PTFE Teflon
  • the installation 1 further comprises means 34 for dispensing particles 4 to the surface 18 of the carrier liquid 6.
  • the size of the particles 4 can be between a few nanometers and several hundred micrometers.
  • the solid particles, preferably of spherical shape, may for example be silica particles.
  • Other particles of interest can be made of metal or metal oxide such as platinum, TiO2, polymer such as polystyrene or PMMA, carbon, etc. It can also be chemical molecules.
  • Other examples are glass fibers, PTFE particles, epoxy particles, Janus type particles, or so-called core-shell particles.
  • the particles are silica spheres of about 1 ⁇ m in diameter, stored in solution in the dispensing device 34.
  • the proportion of the medium is about 7 g of particles per 200 ml solution, here butanol.
  • the particles shown in the figures adopt a diameter greater than their actual diameter.
  • the dispensing device 34 has one or more controllable injection nozzles 36 of about 500 ⁇ m in diameter. Indeed, only a nozzle 36 has been represented on the figure 1 , but it is preferentially desired a substantially uniform particle exemption around the axis 10a, towards the surface 18. To do this, it can be provided several nozzles 36 distributed around the axis 10a, or one or several nozzles movable in a circular path centered on the same axis 10a.
  • the installation comprises means 40 making it possible to effect a relative displacement between the workpiece 2 and the surface 18 of the carrier liquid 6.
  • the means 40 make it possible to move the workpiece 2 vertically, along its axis 10a. , with the container 3 and its equipment remaining fixed. Conventional mechanical means with motor can be used to realize these means 40.
  • a method of depositing a compact film of particles 4 on the inner surface 10 of the part 2 will now be described with reference to the Figures 1 to 5 .
  • the part 2 is partially immersed in the carrier liquid 6, so as to define the line of contact 20 between the two surfaces 10, 18.
  • the pump 12 is actuated so as to generate the flow of the carrier liquid 44 in the recess 8, at the outlet of the projection mouth 16.
  • This flow 44 oriented vertically upwards, causes a protuberance 50 on the liquid surface 18 It therefore extends upwards and is centered on the axes 10a, 16a, 28a.
  • the protuberance 50 generally takes the form of a dome, the center of which is traversed by the pin 28 which accentuates the slope of this dome relative to the adjacent horizontal portion of the surface 18 of the carrier liquid.
  • the protrusion 50 is separated from this horizontal adjacent portion by a demarcation line 58 located more or less close to the inner surface 10 and centered in the recess 8.
  • the projection mouth 16 is covered with one or more grids (not shown). It may be stainless steel grids, for example square mesh with a pitch of 1 mm.
  • the particles 4 are dispensed on the surface 18 of the carrier liquid, and more specifically on the protuberance 50.
  • the particles 4 are automatically directed radially outwards in the direction of the nip 20, the made of the accentuated slope defined by the protuberance 50, and because of the surface current lines also oriented radially outwardly.
  • the dispensed particles 4 accumulate against the inner surface 10 at the contact line 20 forming a stop, all along thereof.
  • the upstream front 60 of these particles has a tendency to shift radially inwards towards the axes 10a, 16a, 28a.
  • the injection of particles 4 is continued even after this upstream front has exceeded the line 58 demarcation of the protuberance 50, so that it rises on the slope defined by it and that the particles partially surround the same protrusion.
  • the upstream front 60 of particles rises on the slope of the protuberance 50 so that it is at a given vertical distance from the demarcation line 58, as shown in FIGS. Figures 3 and 4 .
  • the upstream edge 60 can then be obtained near the line of contact between the outer surface of the pin 28 and the liquid 6.
  • the solid particles 4 are ordered to the surface 18 of the carrier liquid, between the demarcation line 58 and the upstream front 60 arranged around the protuberance 50, for example near its top.
  • the scheduling is carried out automatically, without assistance, thanks in particular to their kinetic energy and capillary forces used at the moment of impact on the front 60.
  • the scheduling is such that the compact film obtained has a structure called " hexagonal compact ", wherein each particle 4 is surrounded and contacted by six other particles 4 in contact with each other. It is then indifferently spoken of compact film of particles, or film of ordered particles.
  • the compact film of particles is transferred onto the inner surface 10 of the part 2.
  • This step is performed by moving the piece 2, namely by gradually removing the carrier liquid, in the vertical direction.
  • This step is schematized on the figure 5 . It operates by means 40 acting directly on the part 2 to move it, while simultaneously, the dispensing of the particles 4 is continued on the upstream front 60. This causes a transfer of the film on the inner surface 10 defining the hollow of the room.
  • the particle injection and the removal rate of the part 2 are adjusted so that the particle front 60 remains in a substantially identical position, shown on the FIG. Figures 3 and 4 .
  • the particle flow rate can be of the order of 0.1 ml / min to several tens of milliliters per minute, while the linear speed of the part 2, also called pulling speed, can be of order of a few mm / min to several hundred mm / min.
  • the piece 2 remains fixed and it is the level of the surface 18 of the carrier liquid 6 which is lowered.
  • This is for example achieved using the means 40 by lowering the container and all its equipment, in particular the mouths 16, 24.
  • a movable plate 62 can be secured to the mouths 16, 24 and slide along the inner surface 10 of the workpiece in the manner of a piston head.
  • the inner diameter D1 of the surface 10 of the part 2 can be of the order of 8 mm to several tens of centimeters.
  • the diameter D2 of the demarcation line 58 of the protuberance 50 is, for example, of the order of 25 mm, whereas the vertical distance "d" between the projection mouth 16 and the demarcation line 58 is for example of the order of 15 mm, but can be between a few millimeters and several tens of centimeters.
  • the height h of the protrusion 50, in configuration without the slope accenting pin, is for example of the order of 3 to 4 mm.
  • the diameter D2 of the demarcation line 58 of the protuberance 50 is between 30% and 50% of the diameter D1 of the inner surface 10.
  • the diameter D3 of the mouth 16 is for example between 8 mm and several tens of centimeters.
  • the maximum diameter of the conical pin 28 is of the order of a few millimeters to several centimeters, depending on the diameter D1 of the inner surface 10 of the part. More generally, the line of contact between the carrier liquid 6 and the conical surface 30 has a diameter of between 30% and 50% of the diameter D2 of the demarcation line 58 defining the protrusion 50.
  • the angle of the conical surface 30 relative to the axis 28a of the pin 28 is for example of the order of 45 °. Other values are nevertheless possible, for example from 20 ° to 170 °.
  • the particles 4 used may be homogeneous or heterogeneous.
  • the nature and / or the size of the particles 4 dispensed may vary during the deposition of the same layer, depending on the needs encountered.
  • the deposit may be interrupted along the inner surface 10 and then taken up again.
  • the deposition of the compact film of particles is then preferably carried out so as to create an iridescent effect. It may for example be to coat the inner surface of a bulb to give it this iridescent effect. To do this, microspheres of silicas may be used, for example with a diameter of about 1 micron. By changing to a diameter of approximately 0.3 ⁇ m, an opalescent effect is created.
  • the invention can also be applied to the field of structuring interior surfaces.
  • the inner surface of heat transfer fluid heat exchanger tubes, being structured increases the exchange surface with the fluid passing through this tube.
  • the particles deposited on the inner surface of the tube make it possible to act as focusing lenses for subsequently etching the substrate by laser.
  • the particles may be quartz, polystyrene or silica.
  • the inner surface of parts In the field of mechanics, it is also possible to structure the inner surface of parts to improve their coefficient of friction.
  • the structuring is then performed by plasma etching through a particle mask, preferably spherical silica particles. This principle can for example be applied in piston liners.
  • reverse opal type structuring can be applied to certain sensors of particular chemical species.
  • the reverse opal structuring is carried out inside tubes where a liquid circulates.
  • the periodic porosity of the inverse opal is then functionalized to capture on the surface the desired chemical species, likely to be contained in the liquid.
  • the capture of this species in the porosity of the periodic opal inverse structure consequently modifies the optical response of the opal (diffraction). This response is then detected and analyzed, so as to conclude whether or not the desired species is present.

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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Description

  • L'invention se rapporte au domaine des procédés et des installations de dépôt d'un film compact de particules sur la surface intérieure d'une pièce présentant un creux délimité par cette surface. Il peut par exemple s'agir d'un dépôt de particules ordonnées sur la surface intérieure d'une pièce tubulaire. Un exemple de mise en oeuvre de cette technique est divulgué dans le document WO 2010/059682 .
  • De préférence, elle concerne le dépôt d'un film de particules solides ordonnées présentant une taille comprise entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de micromètres. Les particules solides, de préférence de forme sphérique, peuvent par exemple être des particules de silice.
  • L'invention présente des applications dans des domaines techniques variés, comme par exemple le domaine de l'éclairage et des objets décoratifs, ou encore celui de la structuration de surface.
  • De l'art antérieur, il n'existe qu'un faible nombre de techniques de dépôt d'un film compact de particules sur la surface intérieure d'une pièce. L'une d'elles est décrite dans le document intitulé « Continuous Convective Assembling of Fine Particules into Two-Dimensional Arrays on Solid Surfaces », Langmuir 1996, 12 1303-1311 , Dimitrov and Nagayama. Cette technique consiste globalement à placer verticalement la pièce dans un bain de suspension colloïdale, et de la retirer lentement au fur et à mesure de l'évaporation du bain. Cette évaporation au niveau de la ligne de contact entre le bain et la surface intérieure de la pièce crée un flux convectif de liquide, qui entraîne les particules du bain vers cette même ligne de contact. Cela initie un réseau de particules qui devient compact du fait des forces de capillarité qui attirent les particules entre elles.
  • La vitesse de retrait de la pièce doit être contrôlée de façon très précise de manière à ce qu'elle soit constante et équivalente à la vitesse de croissance du réseau de particules, elle-même dépendant de la vitesse d'évaporation du bain. Aussi, cette technique de dépôt est particulièrement difficile à contrôler en raison du nombre important de paramètres dont il faut tenir compte, pour espérer obtenir le dépôt d'un film de qualité sur la surface intérieure de la pièce.
  • Parallèlement, la mise en oeuvre de cette technique se limite bien évidemment à l'emploi de solutions colloïdales, et n'offre donc pas une grande diversité dans la nature des particules susceptibles d'être déposées.
  • Enfin, le dépôt contrôlé d'un film compact hétérogène est compliqué, car il requiert une vidange complète du bain dès que la nature et/ou la dimension des particules est amenée à changer.
  • Pour résoudre au moins partiellement ces inconvénients, l'invention a tout d'abord pour objet un procédé de dépôt d'un film compact de particules sur la surface intérieure d'une pièce présentant un creux délimité par cette surface intérieure, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    1. a) placer ladite pièce dans un liquide porteur de manière à définir une ligne de contact entre une surface de ce liquide porteur et la surface intérieure de la pièce ;
    2. b) générer un flux de liquide porteur dans ledit creux de la pièce en direction de la surface du liquide porteur, de manière à ce que cette surface du liquide porteur présente une protubérance ;
    3. c) dispenser les particules à la surface du liquide porteur de manière à générer un film compact de particules flottant sur le liquide porteur entre ladite ligne de contact et un front amont de particules agencé autour de la protubérance ; et
    4. d) transférer le film compact de particules sur la surface intérieure de la pièce en opérant un déplacement relatif entre cette pièce et la surface du liquide porteur, tout en poursuivant la dispense des particules sur ledit front amont entourant la protubérance à la surface du liquide porteur.
  • L'invention est remarquable en ce qu'elle offre un large choix dans la nature des particules susceptibles d'être déposées sur la surface intérieure de la pièce. En particulier, l'invention n'est pas limitée à l'emploi de solutions colloïdales.
  • En outre, l'invention est simple à mettre en oeuvre comparativement à la technique de l'art antérieur décrite ci-dessus. Cela s'explique par le principe retenu, qui met à profit le courant de surface et la pente de la protubérance pour ordonner les particules avant leur dépôt sur la surface intérieure. En effet, tout d'abord, la présence du flux générant la protubérance implique que le courant en surface du liquide porteur pousse les particules à son contact à se diriger radialement vers l'extérieur, en direction de la ligne de contact formant butée pour ces mêmes particules. De plus, grâce à la présence même de la protubérance, les particules présentes sur celle-ci sont également conduites radialement vers l'extérieur par gravité, du fait de la pente définie par cette protubérance. Aussi, ces deux effets combinés amènent l'énergie nécessaire à l'ordonnancement des particules contre la ligne de contact. Ils sont ainsi judicieusement retenus pour créer, à la surface du liquide porteur, le film compact de particules dont le concept est par exemple divulgué dans le document Sachin Kinge, "Self-Assembling Nanoparticles at Surfaces and Interfaces", ChemPhysChem 2008, 9, 20-42 .
  • Le principe proposé par l'invention facilite également le dépôt contrôlé d'un film compact hétérogène. Pour obtenir un tel film hétérogène, il suffit de faire varier la nature et/ou la dimension des particules dispensées à la surface du liquide porteur.
  • De préférence, le procédé comprend également une étape visant à placer, dans la protubérance, un élément d'accentuation de la pente définie par cette protubérance, ledit élément d'accentuation de pente présentant une surface extérieure de section se rétrécissant dans une direction opposée à celle dudit flux de liquide porteur généré dans le creux de la pièce. De préférence, l'élément d'accentuation présente une surface extérieure de forme conique ou tronconique.
  • Cela permet d'une manière simple d'accentuer la pente de la protubérance sur laquelle flottent les particules, et renforce ainsi l'effet de déplacement de ces particules en direction de la ligne de contact. Par conséquent, cet élément d'accentuation de pente permet de renforcer la pression des particules ordonnées contre la ligne de contact, sans nécessiter l'augmentation de la puissance du flux de liquide porteur généré dans le creux de la pièce. La stabilité de la protubérance s'en trouve avantageusement améliorée.
  • De préférence, ladite protubérance et ledit élément d'accentuation sont coaxiaux, de préférence centrés dans ledit creux de la pièce.
  • De préférence, l'étape visant à générer le flux de liquide porteur dans ledit creux est réalisée à l'aide d'une bouche de projection de liquide agencée dans ledit creux. Pour diminuer encore davantage les risques d'instabilité de la protubérance et les éventuelles turbulences en surfaces, la bouche de projection est recouverte d'une ou plusieurs grilles.
  • De préférence, le procédé comprend également, simultanément à l'étape visant à générer le flux de liquide porteur dans ledit creux, une étape d'aspiration dudit liquide porteur, une bouche d'aspiration étant préférentiellement agencée dans ledit creux. Alternativement, cette bouche d'aspiration peut être située en dehors du creux. Pour obtenir une surface de liquide porteur restant à un même niveau durant la mise en oeuvre du procédé, les débits de projection de liquide et d'aspiration de liquide sont de préférence sensiblement identiques.
  • La bouche de projection et la bouche d'aspiration peuvent communiquer respectivement avec la sortie et l'entrée d'une pompe. Elles peuvent donc faire partie d'un même circuit hydraulique.
  • De préférence, l'étape de transfert du film compact est mise en oeuvre en déplaçant ladite pièce.
  • Alternativement, cette étape de transfert du film compact est mise en oeuvre en abaissant la surface du liquide porteur dans la pièce restant fixe. Une solution combinant les deux précédentes est également envisageable, sans sortir du cadre de l'invention. Dans la seconde solution visant à abaisser la surface du liquide porteur dans la pièce, d'autres éléments de l'installation comme les bouches de projection / d'aspiration peuvent être déplacés simultanément avec le niveau de liquide.
  • De préférence, l'étape visant à dispenser les particules est réalisée à l'aide d'une ou plusieurs buses, éventuellement mobiles. Le but est d'obtenir une dispense relativement uniforme tout autour de la protubérance. Par conséquent, une buse annulaire centrée sur la protubérance peut également être envisagée, sans sortir du cadre de l'invention. Alternativement, la buse pourrait alimenter un distributeur assurant la dispense uniforme de particules tout autour de la protubérance.
  • Par exemple, le procédé s'applique à une pièce tubulaire.
  • Plus généralement, la section de la surface intérieure de la pièce peut être de forme quelconque, symétrique ou dissymétrique, par exemple circulaire, carrée, ou encore intégrant des portions concaves et/ou convexes, ou bien encore présenter des angles aigus, droits ou obtus. De plus, la section intérieure peut être évolutive en taille et/ou en forme. Par ailleurs, le creux peut s'étendre le long d'une ligne droite pour former une pièce tubulaire, ou bien s'étendre sur une ligne non droite, par exemple courbe, brisée, etc. Enfin, le creux de la pièce à revêtir peut être débouchant ou traversant, sans sortir du cadre de l'invention.
  • De préférence, lesdites particules du film compact présentent une grande dimension de l'ordre de 1 nm à 500 µm.
  • De préférence, le film compact de particules est déposé sur la surface intérieure de la pièce est homogène ou hétérogène. Dans ce dernier cas, des particules de tailles différentes et/ou de compositions différentes composent le film. D'autre part, il est possible de revêtir la surface intérieure de la pièce en alternant des portions revêtues et des portions non-revêtues, par exemple pour former des interruptions périodiques du film le long de la surface intérieure délimitant le creux.
  • Par exemple, le groupe d'étapes a) à d) est répété pour le dépôt de plusieurs films superposés, identiques ou différents. Il s'agit alors d'un revêtement multicouche déposé sur la surface intérieure délimitant le creux.
  • Enfin, le procédé comprend de préférence également une étape visant à déposer un film compact de particules sur la surface extérieure de la pièce, simultanément, avant ou après le dépôt du film compact sur la surface intérieure de la pièce. Dans ce cas de figure, toutes les techniques de dépôt réputées appropriées sont envisageables, en particulier celles assurant la formation préalable d'un film compact de particules à la surface d'un liquide porteur, avant le transfert de ce film sur un substrat.
  • L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé tel que décrit ci-dessus, comprenant :
    • un récipient recevant le liquide porteur ;
    • des moyens pour générer le flux de liquide porteur dans ledit creux de la pièce, en direction de la surface du liquide porteur ;
    • des moyens de dispense des particules à la surface du liquide porteur ; et
    • des moyens permettant d'opérer un déplacement relatif entre la pièce et la surface du liquide porteur.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.
  • Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;
    • la figure 1 montre une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé de dépôt d'un film compact de particules, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention ;
    • les figures 2 à 5 représentent différentes étapes d'un procédé de dépôt mis en oeuvre à l'aide de l'installation montrée sur la figure précédente, selon un mode de réalisation préféré ;
    • la figure 6 représente une vue similaire à celle de la figure 5, selon une alternative de réalisation ; et
    • la figure 7 représente une vue de l'installation montrée sur les figures précédentes, sur laquelle ont été référencées plusieurs cotes.
  • En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté une installation 1 pour le dépôt d'un film compact de particules sur la surface intérieure d'une pièce 2.
  • L'installation comprend un récipient 3 recevant un liquide porteur 6. Il s'agit de préférence d'une eau dé-ionisée, sur laquelle les particules peuvent flotter.
  • Selon une alternative, la pièce 2 et le récipient 3 peuvent être confondus.
  • L'installation comporte également des moyens pour générer un flux de liquide porteur dans le creux 8 de la pièce 2 défini par sa surface intérieure 10. Les moyens comprennent ici une pompe 12 reliée à une canalisation 14 à l'extrémité de laquelle se trouve une bouche 16 de projection de liquide, orientée en direction de la surface 18 du liquide porteur 6. Plus précisément, la bouche 16 placée dans le liquide 6 est orientée de manière à créer un flux orthogonal à la surface de liquide, ce flux étant donc vertical. De plus, la bouche de projection 16 est centrée dans le creux 8 de la pièce, qui est ici une pièce tubulaire dont la surface intérieure 10 présente une section circulaire. Aussi, l'axe 16a de la bouche 16 est confondu avec l'axe 10a de la surface intérieure 10 de la pièce 2 plongée partiellement dans le liquide porteur 6 du récipient 3.
  • D'ailleurs, il est noté qu'une ligne de contact 20 est définie à l'interface entre la surface intérieure 10 de la pièce et la surface 18 du liquide porteur 6.
  • En outre, la pompe 12 est reliée à son entrée à une canalisation 22 à l'extrémité de laquelle se trouve une bouche d'aspiration de liquide 24. Cette bouche peut être placée dans le creux 8 comme représenté sur la figure 1, ou extérieurement à la pièce 2, toujours dans le récipient. De ce fait, le liquide 6 aspiré par la bouche 24 transite par la pompe 12 avant d'être éjecté dans le creux 8 par la bouche 16. Il est noté que pour limiter les turbulences au sein du creux 8, la bouche d'aspiration est effectivement placée préférentiellement en dehors de ce creux 8 dans lequel le flux de liquide doit être généré, pour la formation d'une protubérance en surface.
  • Comme cela sera décrit ci-après, la protubérance précitée est prévue pour former une pente sur laquelle les particules à déposer peuvent se déplacer par gravité et en suivant les lignes de courant de surface orientées radialement vers l'extérieur.
  • Pour améliorer encore davantage ces effets visant à déplacer les particules contre la ligne de contact 20, l'installation 1 comporte de plus un élément d'accentuation de la pente définie par cette protubérance. Cet élément est ici un pion 28 présentant une surface extérieure conique 30 de section se rétrécissant en allant vers le fond du récipient. En d'autres termes, la section de la surface conique 30 se rétrécit dans une direction opposée à celle de propagation du flux de liquide porteur destiné à être généré dans le creux 8, en sortie de la bouche 16.
  • Le pion 28 est agencé coaxialement à la bouche de projection 16. Son axe 28a est donc confondu avec les axes 16a et 10a, et également confondu avec l'axe de la protubérance destinée à être formée à la surface 18 du liquide porteur.
  • Lorsque la protubérance est formée, le pion 28 pénètre coaxialement dans celle-ci de manière à accentuer la pente de cette protubérance sur laquelle les particules sont destinées à flotter. Par cette accentuation, l'effet de déplacement de ces particules en direction de la ligne de contact 20 est renforcé.
  • De plus, la surface conique 30 permet de dériver les lignes de courant de surface de manière symétrique, permettant l'obtention d'une pression uniforme en périphérie.
  • Le pion 28 peut pénétrer dans la protubérance de liquide porteur au-delà de sa surface conique 30. Il est réalisé dans un matériau hydrophobe pour empêcher le dépôt des particules sur sa surface conique 30. Le matériau retenu est par exemple du Téflon (PTFE).
  • L'installation 1 comporte par ailleurs des moyens 34 de dispense de particules 4 à la surface 18 du liquide porteur 6. La taille des particules 4 peut être comprise entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de micromètres. Les particules solides, de préférence de forme sphérique, peuvent par exemple être des particules de silice. D'autres particules d'intérêt peuvent être faites de métal ou d'oxyde de métal comme le Platine, le TiO2, de polymère comme le polystyrène ou le PMMA, de carbone, etc. Il peut aussi s'agir de molécules chimiques. D'autres exemples sont les fibres de verre, les particules en PTFE, en époxy, les particules du type Janus, ou encore les particules dites coeur-coquille.
  • Plus précisément, dans le mode de réalisation préféré, les particules sont des sphères de silice d'environ 1 µm de diamètre, stockées en solution dans le dispositif de dispense 34. La proportion du milieu est d'environ 7 g de particules pour 200 ml de solution, ici du butanol. Naturellement, pour des raisons de clarté, les particules représentées sur les figures adoptent un diamètre supérieur à leur diamètre réel.
  • Le dispositif de dispense 34 présente une ou plusieurs buses d'injection 36 commandables, d'environ 500 µm de diamètre. En effet, seule une buse 36 a été représentée sur la figure 1, mais il est préférentiellement souhaité une dispense de particules sensiblement uniforme autour de l'axe 10a, en direction de la surface 18. Pour ce faire, il peut donc être prévu plusieurs buses 36 réparties autour de l'axe 10a, ou bien une ou plusieurs buses mobiles selon une trajectoire circulaire centrée sur ce même axe 10a.
  • Enfin, l'installation comporte des moyens 40 permettant d'opérer un déplacement relatif entre la pièce 2 et la surface 18 du liquide porteur 6. Dans ce mode de réalisation, les moyens 40 permettent de déplacer verticalement la pièce 2, selon son axe 10a, avec le récipient 3 et ses équipements restant fixes. Des moyens mécaniques conventionnels à moteur peuvent être utilisés pour réaliser ces moyens 40.
  • Un procédé de dépôt d'un film compact de particules 4, sur la surface intérieure 10 de la pièce 2, va maintenant être décrit en référence aux figures 1 à 5.
  • Tout d'abord, comme le montre la figure 1, la pièce 2 est partiellement immergée dans le liquide porteur 6, de manière à définir la ligne de contact 20 entre les deux surfaces 10, 18.
  • Ensuite, comme cela est schématisé sur la figure 2, la pompe 12 est actionnée de manière à générer le flux de liquide porteur 44 dans le creux 8, en sortie de la bouche de projection 16. Ce flux 44, orienté verticalement de manière ascendante, provoque une protubérance 50 sur la surface de liquide 18. Elle s'étend donc vers le haut et est centrée sur les axes 10a, 16a, 28a. La protubérance 50 prend globalement la forme d'un dôme, dont le centre est traversé par le pion 28 qui accentue la pente de ce dôme relativement à la partie adjacente horizontale de la surface 18 du liquide porteur. La protubérance 50 est séparée de cette partie adjacente horizontale par une ligne de démarcation 58, située plus ou moins proche de la surface intérieure 10 et centrée dans le creux 8.
  • Il est noté que pour la formation d'une protubérance 50 la plus stable possible, sans turbulences néfastes pour les étapes ultérieures de circulation des particules, la bouche de projection 16 est recouverte d'une ou plusieurs grilles (non représentées). Il peut s'agir de grilles en acier inoxydable, par exemple à maille carrée avec un pas de 1 mm.
  • Cette configuration avec la protubérance 50 représentée sur la figure 2 est maintenue durant toute la mise en oeuvre du procédé, et accompagnée parallèlement d'une étape continue d'aspiration du liquide 6 par la bouche dédiée 24. Cette aspiration est schématisée par la flèche 52 sur la figure 2.
  • Ensuite, en référence aux figures 3 et 4, les particules 4 sont dispensées à la surface 18 du liquide porteur, et plus spécifiquement sur la protubérance 50. En arrivant sur celle-ci, les particules 4 sont automatiquement dirigées radialement vers l'extérieur en direction de la ligne de contact 20, du fait de la pente accentuée définie par la protubérance 50, et en raison des lignes de courant de surfaces orientées également radialement vers l'extérieur.
  • Progressivement, les particules dispensées 4 viennent s'accumuler contre la surface intérieure 10 au niveau de la ligne de contact 20 formant butée, tout le long de celle-ci. Durant cette phase d'amorçage du film compact, le front amont 60 de ces particules a tendance à se décaler radialement vers l'intérieur, en direction des axes 10a, 16a, 28a. L'injection de particules 4 est poursuivie même après que ce front amont ait dépassé la ligne 58 de démarcation de la protubérance 50, afin qu'il remonte sur la pente définie par celle-ci et que les particules entourent en partie cette même protubérance. Effectivement, il est fait en sorte que le front amont 60 de particules remonte sur la pente de la protubérance 50 de manière à ce qu'il se situe à une distance verticale donnée de la ligne de démarcation 58, comme montré sur les figures 3 et 4. Le front amont 60 peut alors être obtenu à proximité de la ligne de contact entre la surface extérieure du pion 28 et le liquide 6.
  • A cet instant, les particules solides 4 sont ordonnées à la surface 18 du liquide porteur, entre la ligne de démarcation 58 et le front amont 60 agencé autour de la protubérance 50, par exemple à proximité de son sommet. L'ordonnancement s'effectue automatiquement, sans assistance, grâce notamment à leur énergie cinétique et aux forces capillaires mises à profit au moment de l'impact sur le front 60. L'ordonnancement est tel que le film compact obtenu présente une structure dite « hexagonale compacte », dans laquelle chaque particule 4 est entourée et contactée par six autres particules 4 en contact entre elles. Il est alors indifféremment parlé de film compact de particules, ou de film de particules ordonnées.
  • Une fois que les particules ordonnancées 4 forment la couronne souhaitée à la surface du liquide porteur, il est procédé au transfert du film compact de particules sur la surface intérieure 10 de la pièce 2.
  • Cette étape est réalisée en déplaçant la pièce 2, à savoir en la retirant progressivement du liquide porteur, selon la direction verticale. Cette étape est schématisée sur la figure 5. Elle s'opère à l'aide des moyens 40 agissant directement sur la pièce 2 pour la déplacer, alors que simultanément, la dispense des particules 4 est poursuivie sur le front amont 60. Cela entraîne un transfert du film sur la surface intérieure 10 définissant le creux de la pièce.
  • Au cours du transfert, l'injection de particules et la vitesse de retrait de la pièce 2 sont réglées de sorte que le front de particules 60 reste dans une position sensiblement identique, montrée sur les figures 3 et 4. Pour ce faire, le débit de particules peut être de l'ordre de 0,1 ml/min à plusieurs dizaines de millilitres par minute, tandis que la vitesse linéaire de la pièce 2, également dénommée vitesse de tirage, peut être de l'ordre de quelques mm/min à plusieurs centaines de mm/min.
  • Durant ce tirage, le récipient 3 et ses équipements restent fixes, seule la pièce 2 étant mise en mouvement.
  • Dans un autre mode de réalisation schématisé sur la figure 6, durant l'étape de transfert, la pièce 2 reste fixe et c'est le niveau de la surface 18 du liquide porteur 6 qui est abaissée. Cela est par exemple réalisé à l'aide des moyens 40 en abaissant le récipient et tous ses équipements, en particulier les bouches 16, 24. Pour faciliter le déplacement relatif entre ces éléments, une platine mobile 62 peut être solidarisée aux bouches 16, 24, et glisser le long de la surface intérieure 10 de la pièce à la manière d'une tête de piston.
  • Alternativement, il est possible d'abaisser le niveau de liquide 6 dans le récipient 3 restant fixe, par exemple en prévoyant un débit plus fort pour le flux d'aspiration 52 que pour le flux sortant 44. Cela revient à vider progressivement le récipient 3 de son liquide 6, tout en maintenant la pièce fixe.
  • La figure 7 montre plusieurs cotes préférées pour la mise en oeuvre de l'invention. Tout d'abord, le diamètre intérieur D1 de la surface 10 de la pièce 2 peut être de l'ordre de 8 mm à plusieurs dizaines de centimètres. Le diamètre D2 de la ligne de démarcation 58 de la protubérance 50 est par exemple de l'ordre de 25 mm, tandis que la distance verticale « d » entre la bouche de projection 16 et la ligne de démarcation 58 est par exemple de l'ordre de 15 mm, mais peut s'inscrire entre quelques millimètres et plusieurs dizaines de centimètres. La hauteur h de la protubérance 50, en configuration sans le pion d'accentuation de pente, est par exemple de l'ordre de 3 à 4 mm.
  • De manière plus générale, il est prévu que le diamètre D2 de la ligne de démarcation 58 de la protubérance 50 soit compris entre 30% et 50% du diamètre D1 de la surface intérieure 10.
  • En outre, le diamètre D3 de la bouche 16 est par exemple compris entre 8 mm et plusieurs dizaines de centimètres.
  • Même si cela n'est pas représenté sur la figure 7, il est prévu que le diamètre maximal du pion conique 28 soit de l'ordre de quelques millimètres à plusieurs centimètres, suivant le diamètre D1 de la surface intérieure 10 de la pièce. Plus généralement, la ligne de contact entre le liquide porteur 6 et la surface conique 30 présente un diamètre compris entre 30% à 50% du diamètre D2 de la ligne de démarcation 58 définissant la protubérance 50.
  • L'angle de la surface conique 30 par rapport à l'axe 28a du pion 28 est par exemple de l'ordre de 45°. D'autres valeurs sont néanmoins envisageables, par exemple de 20° à 170°.
  • Il est noté que la succession des étapes précitées peut être réitérée pour déposer plusieurs films superposés sur la surface intérieure 10 de la pièce.
  • En outre, pour le dépôt d'un film, les particules 4 employées peuvent être homogènes ou hétérogènes. Aussi, la nature et/ou la dimension des particules 4 dispensées peuvent varier au cours du dépôt d'une même couche, en fonction des besoins rencontrés. De manière analogue, le dépôt peut être interrompu le long de la surface intérieure 10, puis repris.
  • Enfin, il est aussi possible de déposer, par des techniques conventionnelles, un ou plusieurs films compacts de particules sur la surface extérieure de la pièce 2.
  • Plusieurs applications sont possibles pour l'invention décrite ci-dessus.
  • Il s'agit tout d'abord du domaine de l'éclairage et des objets décoratifs. Le dépôt du film compact de particules est alors de préférence réalisé de manière à créer un effet iridescent. Il peut par exemple s'agir de revêtir la surface intérieure d'une ampoule pour lui conférer cet effet iridescent. Pour ce faire, des microsphères de silices peuvent être utilisées, par exemple d'un diamètre d'environ 1 µm. En passant à un diamètre d'environ 0,3 µm, il se crée un effet opalescent.
  • L'invention peut également s'appliquer au domaine de la structuration de surfaces intérieures. A titre d'exemple indicatif, la surface intérieure des tubes d'échangeurs thermiques à fluides caloporteurs, en étant structurée, permet d'augmenter la surface d'échange avec le fluide traversant ce tube. Dans le cas présent, les particules déposées sur la surface intérieure du tube permettent d'agir comme des lentilles de focalisation pour la gravure ultérieure du substrat par laser. Les particules peuvent ici être en quartz, polystyrène ou silice.
  • Dans le domaine de la mécanique, il est également possible de structurer la surface intérieure de pièces pour améliorer leur coefficient de frottement. La structuration s'effectue alors par gravure plasma au travers d'un masque de particules, de préférence des particules de silice sphériques. Ce principe peut par exemple être appliqué dans les chemises de pistons.
  • Dans le domaine du médical également, la structuration du type opale inverse peut être appliquée sur certains capteurs d'espèces chimiques particulières. La structuration opale inverse est réalisée à l'intérieur de tubes où circule un liquide. La porosité périodique de l'opale inverse est alors fonctionnalisée pour capter en surface l'espèce chimique recherchée, susceptible d'être contenue dans le liquide. La captation de cette espèce dans la porosité de la structuration périodique opale inverse modifie en conséquence la réponse optique de l'opale (la diffraction). Cette réponse est ensuite détectée et analysée, de manière à conclure à la présence ou non de l'espèce chimique recherchée.

Claims (15)

  1. Procédé de dépôt d'un film compact de particules (4) sur la surface intérieure (10) d'une pièce (2) présentant un creux (8) délimité par cette surface intérieure, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    a) placer ladite pièce (2) dans un liquide porteur (6) de manière à définir une ligne de contact (20) entre une surface (18) de ce liquide porteur et la surface intérieure (10) de la pièce ;
    b) générer un flux de liquide porteur (44) dans ledit creux (8) de la pièce en direction de la surface (18) du liquide porteur, de manière à ce que cette surface du liquide porteur présente une protubérance (50) ;
    c) dispenser les particules (4) à la surface du liquide porteur de manière à générer un film compact de particules flottant sur le liquide porteur (6) entre ladite ligne de contact (20) et un front amont (60) de particules agencé autour de la protubérance (50) ; et
    d) transférer le film compact de particules (4) sur la surface intérieure (10) de la pièce en opérant un déplacement relatif entre cette pièce (2) et la surface (18) du liquide porteur, tout en poursuivant la dispense des particules (4) sur ledit front amont (60) entourant la protubérance (50) à la surface (18) du liquide porteur.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également une étape visant à placer, dans la protubérance (50), un élément (28) d'accentuation de la pente définie par cette protubérance, ledit élément d'accentuation de pente présentant une surface extérieure (30) de section se rétrécissant dans une direction opposée à celle dudit flux de liquide porteur (44) généré dans le creux (8) de la pièce.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite protubérance (50) et ledit élément d'accentuation (28) sont coaxiaux, de préférence centrés dans ledit creux (8) de la pièce (2).
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape visant à générer le flux de liquide porteur (44) dans ledit creux est réalisée à l'aide d'une bouche (16) de projection de liquide agencée dans ledit creux (8).
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bouche de projection (16) est recouverte d'une ou plusieurs grilles.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également, simultanément à l'étape visant à générer le flux de liquide porteur (44) dans ledit creux, une étape d'aspiration dudit liquide porteur (52), une bouche d'aspiration (24) étant préférentiellement agencée dans ledit creux (8).
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d) est mise en oeuvre en déplaçant ladite pièce (2).
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape d) est mise en oeuvre en abaissant la surface (18) du liquide porteur dans la pièce (2) restant fixe.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape visant à dispenser les particules est réalisée à l'aide d'une ou plusieurs buses (36), éventuellement mobiles.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite pièce (2) est tubulaire.
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites particules (4) présentent une grande dimension de l'ordre de 1 nm à 500 µm.
  12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le film compact de particules (4) déposé sur la surface intérieure (10) de la pièce est homogène ou hétérogène.
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le groupe d'étapes a) à d) est répété pour le dépôt de plusieurs films superposés.
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également une étape visant à déposer un film compact de particules sur la surface extérieure de la pièce (2).
  15. Installation (1) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend :
    - un récipient (3) recevant le liquide porteur (6) ;
    - des moyens pour générer le flux de liquide porteur (44) dans ledit creux (8) de la pièce, en direction de la surface (18) du liquide porteur ;
    - des moyens (34) de dispense des particules à la surface (18) du liquide porteur ; et
    - des moyens (40) permettant d'opérer un déplacement relatif entre la pièce (2) et la surface (18) du liquide porteur.
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