Clichés microscope optique 50 µm
Clichés MEB 10 µm
Face brillante Face mate
Feuille d'aluminium alimentaire
1.1-Rugosité de l'échelle macroscopique à l'échelle microscopique
Une surface qui semble lisse au toucher peut se révéler rugueuse lors d'une observation microscopique. Ainsi, lors de l'une de nos visites à l'Institut des Matériaux de Nantes, nous avons réalisé des clichés au microscope optique et au microscope électronique à balayage MEB d'une feuille d'aluminium alimentaire (voir page précédente). A l'échelle microscopique, nous découvrons des surfaces rugueuses présentant des reliefs différents : la surface brillante est striée et la surface mate est irrégulière.
Deux questions se posent : quelle définition mathématique peut-on donner à la rugosité et comment peut-on la mesurer ?
De nombreuses définitions peuvent rendre compte de la rugosité. Celle que nous utilisons principalement dans ce rapport est la rugosité arithmétique moyenne Ra, qui est égale à la valeur moyenne de | y | sur toute la longueur L d'analyse.
La mesure de rugosité permet également d'accéder sur la portion analysée :
- à la hauteur Rp du pic maximal : Rp= ymax ;- à la profondeur Rc du creux maximal : Rc= | ymin |;
- à la rugosité totale Rt = Rp + Rc.
b- Principe de mesure de la rugosité
La rugosité se mesure toujours selon le même principe. A l'échelle macroscopique, une surface nous parait lisse ou rugueuse par le simple déplacement du doigt sur la surface. De la même façon un rugosimètre (ou profilomètre) est équipé d'un palpeur se déplaçant sur la surface. Le mouvement vertical de la pointe du palpeur est analysé numériquement pour déterminer les rugosités (Ra, Rp...) définies préalablement.
C'est le rayon de courbure de la pointe du palpeur qui fixe la sensibilité du rugosimètre. Nous avons simulé cette limitation de sensibilité en traçant la trajectoire du centre d'une roue se déplaçant sur un profil en carton (voir figure). Plus ce rayon de courbure est petit plus le profil détecté est proche de la réalité.
On choisira donc des pointes différentes selon la précision recherchée. En mécanique, on utilisera un rugosimètre avec une pointe de rayon courbure de l'ordre du dixième de micromètre tandis qu'en micro-électronique on aura plutôt recours au microscope à force atomique permettant d'accéder au relief d'une surface à l'échelle nanométrique (le principe de l'AFM est développé dans le paragraphe 1.1d).
Simulation de la précision d'un profilomètre ou rugosimètre
Les figures ont été obtenues en traçant la trajectoire du centre d'une roue se déplaçant sur un profil en carton. La différence entre le profil détecté et le profil réel de la surface est d'autant plus importante que le rayon de courbure R de la pointe du palpeur est grande : Ra < Rb < Rc < Rd.
c- Exemple d'utilisation d'un rugosimètre
Nous avons utilisé un rugosimètre (Perthen - Perthometer M4P) équipé d'une pointe dont le rayon de courbure est de l'ordre de 0,1 µm pour analyser la surface d'un échantillon en alliage d'aluminium. Les profils de rugosité figurent sur la page suivante.
Sur une longueur d'analyse de 1,5 mm, la rugosité arithmétique est seulement de 0,08 µm pour un déplacement de la pointe dans le sens des stries d'usinage et elle atteint 0,37 µm perpendiculairement à ces stries. (les exemples)
Rugosimètre
(Perthen - Perthometer M4P)
d- La microscopie à force atomique (AFM)
L'AFM mesure la force qu'exerce l'échantillon sur la pointe placée à l'extrémité d'une lame flexible. Un faisceau laser se réfléchit sur le ressort puis illumine une photodiode. Le détecteur mesure alors la déflexion de la lame. Cette déflexion est proportionnelle à la force d'interaction entre les atomes de la pointe et de la surface. Une fois le contact pointe-surface établi, l'échantillon est déplacé de manière à effectuer un balayage de la surface en maintenant la déflexion (donc la force) constante. L'image de la surface ainsi obtenue est constituée par les déplacements verticaux et horizontaux de l'échantillon par rapport à la pointe.
Grâce à sa pointe dont le rayon de courbure est de l'ordre de 10 nm (voire moins), le microscope à force atomique permet d'établir le relief d'une surface à l'échelle nanométrique. Il est notamment utilisé dans le domaine de la micro-électronique.
e- Exemple d'utilisation de l'AFM
Le microscope à force atomique nous a permis d'obtenir les images en relief de la face brillante et de la face mate d'une feuille d'aluminium alimentaire. Ces images (voir page suivante) confirment les observations faites au microscope optique et au microscope électronique à balayage (voir page 1). C'est-à-dire que la face brillante est striée tandis que la face mate est irrégulière.
Malgré cette différence de relief, les rugosités arithmétiques, déterminées lors de ces analyses AFM sur une surface de 1 µm², sont voisines :
Image au microscope à force atomique
Ra (face brillante) = 2,7 nm
Image au microscope à force atomique
Ra (face mate) = 2,2 nm.
