Soutenance de thèse de Louise Burdin – le 8/12/2025 – Texturation multifonctionnelle et bioinspirée de pièces polymères microinjectées
Composition du jury proposé :
- M. Stéphane Benayoun - Professeur, École Centrale de Lyon - Directeur de thèse
- M. Abdou Djouadi - Professeur, Université de Nantes - Rapporteur
- M. Frédéric Guittard - Professeur, Université de Côte d'Azur - Rapporteur
- Mme Agnès Aymonier - Ingénieure, Roxel - Examinatrice
- M. Sylvain Deville - Directeur de recherche, ILM - Examinateur
- M. Julien Jumel - Professeur, ENSTA Bretagne - Examinateur
- Mme Anne-Catherine Brulez - Ingénieure docteure, ITECH - Co-encadrante de thèse
Résumé
L’accrétion de la glace sur des équipements exposés à de faibles températures, telles que les ailes d’avion, les câbles électriques ou les pales d’éoliennes, constitue un enjeu majeur en raison des risques et des dégradations qu’elle engendre. Les solutions actives existantes, comme l’utilisation de liquides de dégivrage, restent coûteuses, énergivores et néfastes pour l’environnement. Dans ce contexte, les stratégies passives, visant à élaborer des surfaces dotées de propriétés glaciophobes, suscitent un intérêt croissant. Parmi elles, les surfaces superhydrophobes, qui peuvent s’obtenir par texturation, sont particulièrement prometteuses. Cependant, la diversité et la complexité des mécanismes impliqués conduisent à des résultats parfois contradictoires dans la littérature, ce qui explique qu’aucune solution réellement industrialisable n’ait encore émergé. L’objectif des travaux présentés dans ce manuscrit est de concevoir des pièces polymères superhydrophobes et glaciophobes par microinjection à partir d’empreintes de moule microtexturées. L’étude bioinspirée réalisée sur les ailes du papillon Morpho peleides montre que de telles surfaces peuvent constituer une source d’inspiration pour concevoir des surfaces glaciophobes. Toutefois, la complexité multi-échelle de ces structures naturelles a conduit à privilégier des motifs plus simples (réseaux carrés de plots cylindriques) et reproductibles industriellement. Une étude statistique, basée sur une analyse en composantes principales, a montré que la pente des motifs constituait un paramètre clé pour maintenir un état superhydrophobe. Cette étude a également permis de définir les paramètres topographiques des motifs à texturer sur les empreintes du moule d’injection. La texturation a été réalisée à partir des technologies de microfabrication de composants de la microélectronique (photolithographie, gravures et dépôts plasma, ...). Un protocole spécifiquement développé pour l’acier des empreintes du moule consiste en une gravure plasma {Cl2/Ar} suivie d’un post-traitement {H2}, destiné à éliminer les chlorures non volatils et à limiter la corrosion. La protection contre cette dernière a été renforcée par un dépôt de Cr/CrN, recouvrant uniformément les empreintes et présentant une bonne adhérence et une excellente tenue mécanique. Ce protocole a permis d’obtenir des motifs de dimensions micrométriques, avec des profondeurs de l’ordre de la dizaine de microns, qui ont ensuite été fidèlement répliqués, et ce de manière répétable, sur les pièces plastiques par microinjection. Les essais ont par ailleurs montré que la vitesse d’injection constituait un paramètre clé pour assurer une bonne qualité de réplication. Les propriétés glaciophobes ont ensuite été caractérisées à l’aide d’un banc d’essais spécialement développé, intégrant la mesure du temps de retard au gel et de l’adhésion de la glace dans un environnement à humidité contrôlée. Les résultats ont montré qu’un angle de contact élevé ne constituait pas un critère suffisant pour prédire les performances glaciophobes. Au contraire, une faible densité de lignes de contact et une faible hystérèse se sont révélées essentielles pour retarder l’apparition du gel et réduire l’adhésion de la glace respectivement. Enfin, les essais de durabilité ont mis en évidence la robustesse des pièces injectées, les textures ne présentant aucun endommagement après de nombreuses sollicitations mécaniques. Ces travaux démontrent la pertinence de multifonctionnaliser la surface des pièces tout en limitant les étapes de fabrication, afin de maîtriser les coûts et de réduire l’empreinte environnementale des procédés. Ils ouvrent également des perspectives pour la conception de surfaces glaciophobes multifonctionnelles, en soulignant la nécessité d’explorer de nouvelles géométries, d’évaluer différents polymères et d’élargir les conditions expérimentales pour mieux représenter les environnements réels en milieu froid.Abstract
Ice accretion on equipment exposed to low temperatures, such as aircraft wings, power lines, or wind turbine blades, represents a major challenge due to the risks and damage it induces. Existing active solutions, such as the use of de-icing fluids, remain costly, energy-intensive, and environmentally harmful. In this context, there is a growing interest in passive strategies designed to develop icephobic surfaces. Among them, superhydrophobic surfaces, which can be obtained through surface texturing, appear particularly promising. However, the diversity and complexity of the mechanisms involved often lead to contradictory results in the literature, and no truly industrializable solution has yet emerged. The objective of this work is to design polymer components with superhydrophobic and icephobic properties, produced by microinjection using microtextured mold inserts. A bioinspired study of Morpho peleides butterfly wings showed that such natural surfaces can serve as inspiration for icephobic designs. Nevertheless, the multiscale complexity of these structures led to the choice of simpler, more reproducible geometries (square arrays of cylindrical pillars) compatible with industrial replication. A statistical study based on principal component analysis revealed that the pattern slope is a key parameter for maintaining superhydrophobicity. This analysis also enabled the identification of topographic parameters to be transferred to the injection mold inserts. The texturing was carried out using microfabrication processes derived from microelectronics (photolithography, plasma etching, and deposition). A dedicated protocol was developed for the mold steel, consisting of {Cl2/Ar} plasma etching followed by {H2} post-treatment to remove non-volatile chlorides and limit corrosion. Protection was further improved by a Cr/CrN coating, which ensured uniform coverage, strong adhesion, and high mechanical resistance. This process yielded micrometric features with depths on the order of tens of microns, which were faithfully and reproducibly replicated onto polymer parts through microinjection. Injection tests also highlighted the crucial role of injection speed in ensuring high replication quality. Icephobic properties were then characterized using a dedicated test bench, enabling the measurement of freezing delay time and ice adhesion under controlled humidity. The results demonstrated that targeting a Cassie-Baxter state with a high contact alone is not sufficient to ensure icephobic performance. Instead, a low density of contact lines and low hysteresis were found to be essential for delaying ice nucleation and reducing ice adhesion, respectively. Durability tests further demonstrated the robustness of the injected parts, with no damage observed on the textures after repeated mechanical solicitations. This work demonstrates the relevance of multifunctionalizing surfaces while minimizing processing steps, in order to control costs and reduce the environmental footprint of manufacturing. It also opens perspectives for the development of multifunctional icephobic surfaces, emphasizing the need to investigate new geometries, evaluate different polymers, and broaden experimental conditions to better represent real cold-environment applications.Mots clé
Mouillage, Superhydrophobie, Glaciophobie, Bioinspiration, Photolithogravure, InjectionKeywords
Wetting,Superhydrophobicity,Icephobicity,Bioinspiration,Photolithography,Injection molding
Date de publication : 25/11/2025
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