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 ?

Supra-frottement des films DLC :

Un lien avec les propriétés viscoplastiques ?

Julien Fontaine

Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes

Ecole Centrale de Lyon

Généralités sur le frottement des DLC…Quels films présentent les plus faibles

valeurs ?

Sous vide ou avec gaz inerte:

Obtention de coefficients voisin de 0.01

Effet prépondérant de l’hydrogèneMiyake 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 hydrogèneRobertson (98, 02)

Hydrocarbures

(pas de dépôt)

Polymères réticulés

a-C:H

ta-C:H

a-C

ta-C

Carbone

vitreux

H

C sp3

C sp2

Diamant

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)

Expériences de frottement menées au LTDSTribomètre analytique sous ultra-vide

Charge: 0.5 à 5 NRayon de courbure: 1.5 à 20 mmVitesse: 0.01 to 1 mm/s

Résultats sur le frottement des DLCImportance 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

0.01

0.1

1

Friction coefficient

20% 24% 28% 30% 34% 40% 42%

Hydrogen content (at. %)

Ambient airUHV

Donnet et al. (97)

Résultats sur le frottement des DLCImportance de la teneur en hydrogène (2)

Comportement de couches DLC « modèles » (IBM)

D é pôt A C8 A C5 C Y5

P r éc urs e u r C2

H2

C2

H2

C6

H12

Te nsi o n - 8 0 0 V - 5 0 0 V - 5 0 0 V

C s p2

: C s p3

( % ) 7 0 : 3 0 6 5 : 3 5 5 6 : 4 4

Te n e ur e n H 3 4 % 4 0 % 4 2 %

H li é à C ( F T I R ) 5 7 % 7 3 % 1 0 0 %

F r ott eme nt

0,001

0,01

0,1

1

0 500 1000

Number of cycles

0,001

0,01

0,1

1

0 500 1000

Number of cycles

0,001

0,01

0,1

1

0 500 1000

Number of cycles

T r a c e d ’ u s ur e

100 µm

100 µm

100 µm

Résultats sur le frottement des DLCLubrification par l’hydrogène gazeux

Sous hydrogène gazeux : diminution drastique du frottement

AC 8

T = 1 5 0 ° C – 1 h P a H2

AC 8

T = 2 5° C – 1 0 h P a H2

AC 8

T = 2 5° C - 1 0 h P a A r

0,001

0,01

0,1

1

0 100 200 300 400 500

Number of cycles

0,001

0,01

0,1

1

0 100 200 300 400 500

Number of cycles

0,001

0,01

0,1

1

0 100 200 300 400 500

Number of cycles

100 µm

100 µm

Donnet et al. (01)

Résultats sur le frottement des DLCMécanisme de réduction du frottement

Explique le frottement ultra-faible (10-2), mais:

Pourquoi et comment les films DLC permettent l’obtention du supra-frottement (10-3) ?

Plans de glissement

Films Diamond-Like Carbon étudiés au LTDSCVD assistée par plasma

Échantillons IBM dc-PACVD à partir de C6H12 ou C2H2

Polarisation: -500 à -800 V - Substrat: Si Donnet et al. (97)

Films a-C:H obtenus par différents procédés PACVD

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)

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)

0.001

0.01

0.1

1

20 30 40 50 60

HDP samples

Hydrogen content (at. %)

0.001

0.01

0.1

1

20 30 40 50 60

HDP samples

IBM samples

Hydrogen content (at. %)

Résultats sur le frottement des DLCTransition entre frottement faible et fort

0.001

0.01

0.1

1

20 30 40 50 60

HDP samplesIBM samplesHEF samples

Hydrogen content (at. %)

Seuil en teneur en hydrogène

dépendant du procédé…

HDP: 26-30 % at.

IBM: 34-40 % at.

HEF: ~ 46 % at.

Co

effi

cien

t d

e fr

ott

emen

t so

us

UH

V

Teneur en hydrogène (%at.)

Structure des films a-C:HRôle 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)

€

sp3

sp2=9⋅H−18−13⋅H

Structure complexe

Caractérisation difficile

Propriétés mécaniques ?

Propriétés mécaniques des films a-C:HExpérimental: nano-indentation

),( RhH ′ε& ),( RhE ′ω

Mesure de la dureté et du module d’Young :Fonction de la profondeur et de la vitesse de déformation

Mesures en mode dynamique

32 Hz

15mN

-5

0

5

10

15

20

-500 0 500 1000 1500 2000 2500

Déplacement ( nm)

Ch

arg

e ( m

N)

PP

hh

&&

& ∝∝ε

Vitesse de déformation constante

Lucas et al. (97), Bucaille et al. (01)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

00 exp

t

tPP⇒

Nano-Indenter XP (MTS)

Propriétés mécaniques des films a-C:HDureté et vitesse de déformation: éch. IBM

La dureté suit une loi de type Norton-Hoff:

€

H=H0⋅̇ ε x

x: exposant viscoplastiquex=0: comportement plastique

0<x<1: viscoplastiquex=1: visqueux

La dureté diminue et la viscoplasticité augmente

avec la teneur en hydrogène

0.1

1

10

100

0.001 0.01 0.1 1

CY5CY6.5AC5AC8

Strain rate P'/P (s-1

)

x=0,076

x=0,028

x=0,014

x=0,068

H%

D

ure

té

(GP

a)

Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1)

Propriétés mécaniques des films a-C:HDureté et vitesse de déformation: éch. HDP

Résultats confirmés avec les échantillons HDP

0.1

1

10

100

0.001 0.01 0.1 1

HDP58HDP57HDP55HDP56

Strain rate P'/P (s-1

)

H%

x=0,037

x=0,029

x=0,004

x=0,019

D

ure

té

(Gp

a)

Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1)

Frottement sous ultravide et propriétés mécaniquesCorrélation: viscoplasticité et supra-frottement

0.001

0.01

0.1

1

0 0.02 0.04 0.06 0.08

IBM samples

HDP samples

Viscoplastic exponent

Plastique:Frottement élevé

Viscoplastique: supra-frottement

Viscoplasticité:Relaxation du réseau

UH

V f

rict

ion

co

effi

cien

t

Expériences complémentaires

requises…Co

effi

cien

t d

e fr

ott

emen

t so

us

UH

V

Exposant viscoplastique

Alignement des atomes, des “chaînes” ou des aspérités?

0.001

0.01

0.1

1

0 100 200 300 400 500 600

Number of cycles

UHV friction coefficient

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

µ=0,005

Donnet et al. (97)

= 23 % d’atomes monovalents

Co

effi

cien

t d

e fr

ott

emen

t so

us

UH

V

Nombre de cycles

Comment contrôler la viscoplasticité des films a-C:H?DLC dopé au fluor

Dureté supérieure aux films a-C:HExposant viscoplastique élevé

(comparé aux a-C:H)

0.1

1

10

100

0.001 0.01 0.1 1

Strain rate P'/P (s-1

)

x=0,060

Propriétés mécaniques :• Dureté H0: 16 GPa• Exposant viscoplastique: 0.060

Har

dn

ess

(Gp

a)

Exponential load rate P’/P (s-1)

0.001

0.01

0.1

1

0 0.02 0.04 0.06 0.08

IBM samples

HDP samples

Viscoplastic exponent

UH

V f

rict

ion

co

effi

cien

t

Co

effi

cien

t d

e fr

ott

emen

t so

us

UH

V

Exposant viscoplastique

D

ure

té (

GP

a)

Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1 )

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

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…

Optimisation de films DLC à bas frottement et grande dureté?