Compréhension de l’influence de l’environnement sur les mécanismes de lubrification solide des couches minces à base carbone

Understanding the influence of environment on the solid lubrication processes of carbon-based thin films

• Auteur / Autrice : Komlavi Dzidula Koshigan
• Direction : Julien Fontaine, Fabrice Dassenoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 29/09/2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Donnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Dienwiebel, Robert W. Carpick
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Denape, Stefano Mischler
• DOI : 10.70675/4390f2bfzc7a8z49d2z8d24z41778c0c787c

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoindentation

Lubrification

Couches minces

Mots clés libres

Lubrification solide

Diamond-Like Carbon

A-C:H:Si:O

Analyse de surface

XPS

NEXAFS

Raman

Nanoindentation

Tribologie en environnement contrôlé

Tribofilms

Ré-hybridation

Solid lubricants

Diamond-like Carbon

A-C:H:Si:O

Surface analysis

XPS

NEXAFS

Raman

Nanoindentation

Environment-controlled tribology

Tribofilms

Re-hybridization

Résumé

Les revêtements de carbone amorphe hydrogéné (a-C:H) avec incorporation de silicium et d’oxygène (a-C:H:Si:O) sont une catégorie de lubrifiants solides, de la famille des Diamond-Like Carbon (DLC), présentant aussi bien de bonnes propriétés mécaniques que tribologiques et une bonne stabilité thermique. Bien qu’il soit établi que le comportement tribologique de ces couches est moins dépendant de l’environnement que celui des couches a-C:H, sans éléments d’addition, l’origine physicochimique de ce comportement reste à élucider. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre une collaboration internationale entre le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes de l’Ecole Centrale Lyon et le département de Génie Mécanique et Mécanique Appliquée de l’Université de Pennsylvanie, et a pour objectifs d’apporter des réponses à ces questions ouvertes. Un large éventail de techniques expérimentales complémentaires, notamment la nanoindentation, la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie à mesure de force (FFM), la microscopie optique et électronique, le Raman, la spectroscopie de photoélectron X (XPS) et la spectroscopie de structure près du front d’absorption de rayons X (NEXAFS) a été mis en oeuvre pour non seulement établir une carte d’identité mécanique, structurale et chimique du revêtement initial, mais aussi comprendre les modifications structurelles induites par le frottement. Afin de contrôler l’environnement au cours des essais tribologiques, nous avons utilisé d’une part un tribomètre linéaire alternatif, que nous avons équipé d’un système de soufflage de gaz permettant de changer rapidement l’environnent au cours des essais, et d’autre part un tribomètre analytique à environnement contrôlé autorisant des expérimentations tant sous vide poussé qu’à pression élevée de gaz. Ainsi, nous avons pu montrer que le coefficient de frottement augmente avec le taux de vapeur d’eau dans l’environnement et cela est réversible lorsqu’on diminue brusquement l’humidité. En outre, la vapeur d’eau protège la couche de l’usure alors que la présence d’oxygène la favorise. Grace aux observations en microscopie électronique, nous avons pu prouver que le comportement tribologique des couches a- C:H:Si:O, lors d’un frottement contre de l’acier 100Cr6, est essentiellement contrôlé par la formation de jonctions adhésives dans l’interface. Sous vide poussé ou à faible pression de gaz (<1 mbar de vapeur d’eau, <10 mbar d’oxygène ou <50 mbar d’hydrogène), la rupture de ces jonctions adhésives a lieu dans l’acier, résultant en un transfert de matériau de l’acier vers l’a-C:H:Si:O s’accompagnant d’un coefficient de frottement élevé (μ≈1.2). Au delà de ces pressions seuils de gaz, les jonctions adhésives se rompent du côté du a-C:H:Si:O, le transfert de matière s’opérant alors dans la direction opposée, du revêtement vers l’acier. Des analyses NEXAFS ont révélé que ce phénomène s’expliquait par une réaction dissociative entre les éléments du gaz environnant et les liaisons carbone C–C contraintes, favorisée par la sollicitation mécanique en extrême surface de l’a-C:H:Si:O. Ceci résulte en une diminution drastique du coefficient de frottement à des valeurs d’un ordre de grandeur inférieures à celles obtenues dans la configuration précédente. L’ensemble de ces résultats nous a ainsi permis de développer un modèle expérimental expliquant les mécanismes fondamentaux d’interaction entre l’environnement et les lubrifiants solides du type a-C:H:Si:O.

Like Carbon (DLC) coatings that exhibit outstanding mechanical properties, thermal stability and tribological performance. It is well established that the frictional and wear performances of a-C:H:Si:O are less dependent on environment than that of pure hydrogenated amorphous carbon (a-C:H). However the fundamental mechanisms accounting for such excellent tribological behavior of a-C:H:Si:O are still not fully understood. The present work, which is part of a collaboration between the Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes of Ecole Centrale de Lyon and the department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics of University of Pennsylvania, consists in using a multi-scale, multidisciplinary and multi-technique experimental approach for understanding the influence of environment on the tribological response of a-C:H:Si:O. A wide rang of complementary techniques, including nanoindentation, Atomic Force Microscopy (AFM), Friction Force Microscopy (FFM), optical and electron microscopy, Raman, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and near edge x-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS), have thus been used to fully characterize the structure, composition and mechanics of the studied material, as deposited as well as after tribological testing. Control of the environment has been achieved first thanks to an open air linear reciprocating tribometer that we equipped with a gas blowing system, thus allowing a quick change of the sliding environment, and a environment-controlled analytical tribometer operating from high vacuum to elevated pressures of desired gases. We were able to evidence the strong influence of the amount of water vapor in the environment on the friction behavior of a- C:H:Si:O, with a reversible behavior when abruptly changing the environment. Contrary to water vapor, oxygen promotes the wear of a-C:H:Si:O. SEM observations revealed that while sliding a-C:H:Si:O against 52100 steel, the frictional response is controlled by the build-up and the release of adhesive junctions within the interface. Under high vacuum and below a threshold pressure of water vapor (1 mbar), oxygen (10 mbar) and hydrogen (50 mbar), adhesive junctions are released in the steel, resulting in a transfer of material from steel to a-C:H:Si:O and in a high coefficient of friction (μ≈1.2). However, as the gas pressure is increased above the threshold, the adhesive junctions break on the a-C:H:Si:O side, leading to a material transfer in the opposite direction, from the a-C:H:Si:O to the steel. NEXAFS spectroscopy revealed that a dissociative reaction occurs between the gaseous species and the strained C–C atoms in the near surface region ofa-C:H:Si:O, thus resulting in a drastic decrease of the steady state coefficient of friction by at least an order of magnitude. In light of these observations, an analytical model has been proposed to describe the fundamental interaction mechanisms between the environment and the a-C:H:Si:O/steel tribopairs.