Les traitements de surface sont nécessaires pour de nombreuses applications. On peut vouloir traiter une surface pour la nettoyer, pour la
chauffer, pour la détruire ou encore pour modifier ses propriétés de surface (modifier ses propriétés d’adhésion par exemple). Pour se
faire, les plasmas fonctionnant à la pression atmosphérique constituent un très bon outil, qui possède l’avantage d’agir sur des constantes
de temps faibles et permet une action immédiate.
Ce projet de thèse se propose de développer et d’étudier des dispositifs basés sur des plasmas micro-onde permettant le traitement des
matériaux par exposition à un plasma fonctionnant à l’air et à la pression atmosphérique. Parmi les sources existantes, on peut trouver la
Torche à Injection Axiale (TIA), développée au LPGP, qui utilise l’énergie micro-onde et produit un jet de plasma composé d’un dard (zone
énergétique très lumineuse) et d’un panache (qui s’apparente à une post-décharge), dont le diamètre est de l’ordre du millimètre et la
hauteur de l’ordre de la dizaine de millimètres. Ce type de décharge a déjà été étudié à la fois expérimentalement et à l’aide de simulations
numériques, et son action sur les surfaces a été validée au LPGP pour le nettoyage en continu de surfaces métalliques. Même si un
traitement en défilement est possible, sa limitation tient dans la faible surface pouvant être traitée de manière instantanée.
Le travail proposé comporte plusieurs étapes. D’abord on s’attachera à définir de nouvelles configurations, capables de générer non plus
des jets mais soit des jets en série soit – mieux encore – des rideaux de plasmas, et ainsi de pouvoir traiter les plus grandes surfaces
possibles. Ainsi, la modélisation numérique du couplage électromagnétique (avec l’outil CST studio) sera employée afin de concevoir un
système efficace. Par la suite, le plasma sera caractérisé expérimentalement en fonction des paramètres opérationnels (flux, homogénéité
spatiale, etc.) mais aussi par rapport à la production d’espèces (température, densité, etc.).
L’action du plasma sur les matériaux traités peut produire différents aérosols, ozone, et autres composés organiques lors du traitement,
dans des proportions qui seront quantifiées par des méthodes d’analyse et une partie de l’étude consistera à établir les paramètres qui
permettent le contrôle des quantités produites en fonction du mélange gazeux envoyé dans le système.
Surface treatments are necessary for many applications. One can want to treat a surface to clean it, to heat it, to destroy it or to modify its
surface properties (modify its adhesion properties for example). To do this, plasmas operating at atmospheric pressure are a very good
tool, which has the advantage of acting on small time constants and allows an immediate action.
This thesis project proposes to develop and study devices based on microwave plasmas allowing the treatment of materials by exposure to
a plasma operating in air and at atmospheric pressure. Among the existing sources, we can find the Axial Injection Torch (‘Torche à
injection axiale’ – TIA), developed at the LPGP, which uses microwave energy and produces a plasma jet composed of a dart (very
luminous energetic zone) and a plume (which is similar to an afterglow), whose diameter is of the order of a millimeter and whose height is
of the order of a dozen millimeters. This type of discharge has already been studied both experimentally and with numerical simulations,
and its action on surfaces has been validated at the LPGP for the continuous cleaning of metal surfaces. Even if scrolling processing is possible, its limitation lies in the small area that can be processed instantly.
The proposed work includes several steps. First, we will define new configurations, able to generate either serial jets or – even better –
curtains of plasmas, and thus to treat the largest possible surfaces. Thus, numerical modeling of the electromagnetic coupling (with the
CST studio tool) will be used to design an efficient system. Subsequently, the plasma will be characterized experimentally in terms of
operational parameters (flux, spatial homogeneity, etc.) but also in terms of species production (temperature, density, etc.).
The action of the plasma on the treated materials can produce different aerosols, ozone, and other organic compounds during the
treatment, in proportions that will be quantified by analytical methods and part of the study will consist in establishing the parameters that
allow the control of the quantities produced as a function of the gas mixture sent into the system.