Supra-frottement des films DLC : GDR 2449 « Couches Minces de Carbone Amorphe et Nanostructuré » Poitiers, 26 et 27 Septembre 2002 Supra-frottement des films DLC : Un lien avec les propriétés viscoplastiques ? Julien Fontaine Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes Ecole Centrale de Lyon

Forte teneur en hydrogène Généralités sur le frottement des DLC… Quels films présentent les plus faibles valeurs ? Dans l’air ambiant: Obtention de coefficients de frottement dans la gamme 0.05 à 0.3 Films a-C meilleurs que a-C:H (µ<0.15) Sous vide ou avec gaz inerte: Obtention de coefficients voisin de 0.01 Effet prépondérant de l’hydrogène Miyake et al. (87), Zaidi et al. (94), Le Huu et al. (95), Yun et al.(97) Formation d’un film de transfert Donnet et al. (94) Supra-frottement possible (µ~10-3) Donnet et al. (97), Erdemir et al. (00) Films a-C:H (PACVD) Forte teneur en hydrogène Robertson (98, 02)

Expériences de frottement menées au LTDS Tribomètre analytique sous ultra-vide Charge: 0.5 à 5 N Rayon de courbure: 1.5 à 20 mm Vitesse: 0.01 to 1 mm/s

Résultats sur le frottement des DLC Importance de la teneur en hydrogène (1) Sous air ambiant : Pas de différences significatives Sous ultra-vide : Seuil en teneur en hydrogène entre frottement fort et faible Donnet et al. (97)

Comportement de couches DLC « modèles » (IBM) Résultats sur le frottement des DLC Importance de la teneur en hydrogène (2) Comportement de couches DLC « modèles » (IBM)

Sous hydrogène gazeux : diminution drastique du frottement Résultats sur le frottement des DLC Lubrification par l’hydrogène gazeux Sous hydrogène gazeux : diminution drastique du frottement Donnet et al. (01)

Explique le frottement ultra-faible (10-2), mais: Résultats sur le frottement des DLC Mécanisme de réduction du frottement Plans de glissement Explique le frottement ultra-faible (10-2), mais: Pourquoi et comment les films DLC permettent l’obtention du supra-frottement (10-3) ?

Films a-C:H obtenus par différents procédés PACVD Films Diamond-Like Carbon étudiés au LTDS CVD assistée par plasma Films a-C:H obtenus par différents procédés PACVD Échantillons IBM dc-PACVD à partir de C6H12 ou C2H2 Polarisation: -500 à -800 V - Substrat: Si Donnet et al. (97) Échantillons HDP (High Density Plasma) rf-PACVD à partir de C2H2 ou C2H2 + H2 Polarisation: -50 et -120 V - Substrat: Si Sanchez-Lopez et al. (00, 01) Échantillons industriels (HEF) Procédé hybride PVD / dc-PACVD à partir de C2H2 Polarisation: -35 à -260 V - Substrat: Acier Z100CD17 Fontaine et al. (99), Donnet et al. (99)

Seuil en teneur en hydrogène Résultats sur le frottement des DLC Transition entre frottement faible et fort HDP: 26-30 % at. IBM: 34-40 % at. HEF: ~ 46 % at. Coefficient de frottement sous UHV Seuil en teneur en hydrogène dépendant du procédé… Teneur en hydrogène (%at.)

Structure des films a-C:H Rôle de l’hydrogène Modèle structural des a-C:H : Réseau Covalent Aléatoire Angus et al. (88, 91) Teneur en hydrogène liée à la réticulation du réseau covalent Observations expérimentales: Hydrogène non lié Grill et al. (92), Donnet et al. (99) Clusters sp2 (aromatiques, à 5 ou 7 atomes…) Robertson (95, 02) Structure complexe Caractérisation difficile  Propriétés mécaniques ?

Fonction de la profondeur et de la vitesse de déformation Propriétés mécaniques des films a-C:H Expérimental: nano-indentation Nano-Indenter XP (MTS) Vitesse de déformation constante Lucas et al. (97), Bucaille et al. (01) Mesures en mode dynamique 32 Hz 15mN -5 5 10 15 20 -500 500 1000 1500 2000 2500 Déplacement ( nm ) Charge ( mN Mesure de la dureté et du module d’Young : Fonction de la profondeur et de la vitesse de déformation

Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1) Propriétés mécaniques des films a-C:H Dureté et vitesse de déformation: éch. IBM x=0,076 x=0,028 x=0,014 x=0,068 H%  Dureté (GPa) Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1) La dureté suit une loi de type Norton-Hoff: x: exposant viscoplastique x=0: comportement plastique 0<x<1: viscoplastique x=1: visqueux La dureté diminue et la viscoplasticité augmente avec la teneur en hydrogène

Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1) Propriétés mécaniques des films a-C:H Dureté et vitesse de déformation: éch. HDP H%  x=0,037 x=0,029 x=0,004 x=0,019 Dureté (Gpa) Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1) Résultats confirmés avec les échantillons HDP

Exposant viscoplastique Viscoplastique: supra-frottement Frottement sous ultravide et propriétés mécaniques Corrélation: viscoplasticité et supra-frottement Plastique: Frottement élevé Viscoplasticité: Relaxation du réseau Coefficient de frottement sous UHV UHV friction coefficient Alignement des atomes, des “chaînes” ou des aspérités?  Expériences complémentaires requises… Exposant viscoplastique Viscoplastique: supra-frottement

Comment contrôler la viscoplasticité des films a-C:H? La piste des dopants… Film DLC fluoré (IBM): a-C:F:H • Précurseurs: C6F6 + H2 • Polarisation: -600 V rf à 40 mTorr • Composition: 18 % at. F / 5 % at. H Donnet et al. (97) = 23 % d’atomes monovalents Coefficient de frottement sous UHV µ=0,005 Nombre de cycles

Comment contrôler la viscoplasticité des films a-C:H? DLC dopé au fluor Dureté supérieure aux films a-C:H Exposant viscoplastique élevé (comparé aux a-C:H) x=0,060 UHV friction coefficient  Hardness (Gpa) Dureté (GPa) Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1) Coefficient de frottement sous UHV Exponential load rate P’/P (s-1) Exposant viscoplastique Propriétés mécaniques : • Dureté H0: 16 GPa • Exposant viscoplastique: 0.060

Conclusions Une nouvelle approche du faible frottement des films a-C:H • Le supra-frottement (sous UHV) est contrôlé par la teneur en hydrogène • Le seuil en hydrogène dépend du procédé de dépôt • Les films a-C:H peuvent présenter un caractère viscoplastique • La viscoplasticité est corrélée au supra-frottement • Le dopage permet de contrôler les propriétés mécaniques des DLC  Optimisation de films DLC à bas frottement et grande dureté? Questions ouvertes: • Quel phénomène physique explique un tel comportement? • A quelle échelle se passe ce phénomène: atomes, chaînes, aspérités? • Les films plastiques sont supra-frottant en présence d’H2 gazeux…