Diamond-liked carbon (DLC) film is an important material and has many application in industry. Recently doping impurity into the DLC to change the properties of DLC thin film is a research topic attracted scientists. In this thesis, DLC films were deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) on the Si wafer and glass. Acetylene was used as the source of carbon, and nitrogen was doped in DLC need too dopants of grow N2 and NH3. The growth mechanism and differences of the nitrogen doped DLC films were studied by methods of NK measurement, SEM and nano indentation. The analysis of nano indentation showed that the hardness and Young¡¦s Module decreased with increasing N2 flow rate. However, for increased NH3 a flow rate, the hardness and Young¡¦s Module of DLC were increased. The characteristic peaks of nitrogen doped DLC in the FTIR transmittance spectra were studied, sp2 C=H bond(2945 cm-1), sp3 C-H bond(2910 cm-1), and also the C¡ÝN (2200cm-1)and C=N bond(1625cm-1) are observed in DLC. The results of FTIR shows nitrogen was doped into DLC successfully. The DLC thin films thickness was determined by the NK analysis, and it is found the deposition rate of DLC was increased with the increasing flow rate of N2. However, for increased NH3 flow rate, the DLC deposition rate was decreased. From SEM, micrographs the NH3 doped DLC yielded rough morphology. The surface of N2 doped DLC thin film, revealed smoother. A growth mechanism of diamond with different dopant was proposed and explained the properties of DLC thin film with different deposition condition.When N2 was used as dopant source, the N2+ ions were induced by plasma and attracted upward due to the RF self-bias voltage. Therefore ,the surface of thin film was not bombarded due to N2+ ions. On contrast, when the NH3 was used as dopant source, the NH2- ions were produced and distracted downward by the RF self-bias voltage. And then the surface of the thin film was etched by the NH2- ions. Form the XPS analysis, the composition of sp3 C-C(285.4 eV) and sp3 C-N (287.7 eV)were decreased with increased N2 flow rate.However, the composition of sp3 C-C and SP3 C-N were increased with decreasing the NH3 flow rate. The composition of nitrogen in the DLC film increased with higher N2 flow rate. The number of sp2 bond was increased and the hardness was decreased with higher amount of nitrogen in the DLC film. This result is consistent with the nano indentation,FTIR analysis and explained by the ionic transportation growth mechanism model.

Nas últimas décadas, questões sobre o controle de emissões em motores à combustão interna e sobre a redução de consumo de combustível vêm sendo debatidas globalmente, com claros desdobramentos em especificações de controles mais restritos, a fim de permitir a comercialização de novos motores à combustão interna a consumidores mais exigentes, que presam pela qualidade de vida e meio ambiente. Mesmo com a introdução de novas tecnologias, os motores ainda apresentam uma grande perda da energia gerada por conta do atrito mecânico. Com base neste contexto, os projetos dos novos motores visam uma melhor eficiência térmica e mecânica, com auxílio de soluções de engenharia que possam beneficiar o desempenho dos motores, resultando em uma melhor queima do combustível e menor atrito. Um dos contribuintes mais relevantes para o atrito num motor é o sistema pistão-anel de pistão-camisa de cilindro que é o foco de muitos trabalhos em busca da redução das perdas por atrito. As propriedades dos filmes à base de carbono tipo diamante (Diamond-Like Carbon - DLC) são bem conhecidas por apresentam alta resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito, tornando-se adequados para diferentes aplicações tribológicas. O presente trabalho discute a viabilidade técnica de se aplicar um filme DLC amorfo hidrogenado, com gradiente de composição química, sobre a superfície interna brunida de camisas de cilindro para redução do atrito. A metodologia aborda duas espessuras de filme: 2,5 e 12,5 μm, depositadas pelo processo de deposição química em fase vapor assistida por plasma (PACVD), como alternativa para redução do atrito do motor e, consequentemente, redução no consumo específico de combustível, e ainda na redução do desgaste dos anéis de pistão e da superfície de trabalho da camisa de cilindro. Comparando camisas de cilindro com mesma rugosidade na superfície interna, denominadas camisas de referência (sem revestimento interno) e camisas recobertas com filme DLC, testes de bancada com movimento recíproco de contato mostraram redução do coeficiente de atrito (COF) em até 19%. Testes de motor ciclo Otto e Diesel em banco de prova com dinamômetro conferiram, respectivamente, uma redução da pressão média efetiva de atrito (FMEP) do motor em até 12% e consumo específico de combustível (BSFC) em até 2,5% em rotações de 1000 a 1400 rpm. / In the last few decades questions about emissions level control for internal combustion engines as well as fuel consumption reduction have been debated in a global bases with clear deployments in more restricted control specifications to allow the commercialization of new internal combustion engines to more restrictive markets that look for a better life quality and environment. Even with the introduction of new technologies the engines still present a significant loss of energy due to the mechanical friction. With base in this context, the new development projects seek for high mechanical-thermal efficiency linked with engineer that can benefit the engine performance with a better combustion process and reduced friction as well. One of the most relevant contributors for the friction in an engine is the piston-piston ring-cylinder liner system which has been the focus of many research works with focus on reduce engine friction losses. The properties of Diamond-Like Carbon films (DLC) are well-known such as superior wear resistance and low friction coefficients that makes suitable for many different tribology applications. This work evaluates the application of a graded hydrogen amorphous DLC film with applied over cylinder liner running surface. The methodology approach two coating thickness: 2.5 and 12.5 μm, deposited by the plasma assisted chemical vapor deposition process (PACVD) as the alternative solution for engine friction reduction and thus a reduction on brake specific fuel consumption (BSFC), and a improved wear resistance behavior of the piston rings and cylinder liner contact surfaces as well. By using baseline parts without inner DLC coating and DLC coated parts with similar running roughness surfaces, comparative reciprocating bench tests showed a tendency of coefficient of friction (COF) reduction in up to 19%. In a same trend, fired gasoline and diesel engine tests showed a friction mean effective pressure reduction (FMEP) in to 12% and small brake specific fuel consumption (BSFC) in up to 2.5% at low engine speed range respectively.

Biomateriais metálicos devem apresentar uma combinação de propriedades como resistência à corrosão, biocompatibilidade e resistência mecânica. Os aços inoxidáveis austeníticos, especialmente do tipo AISI 316L, aliam estas propriedades com a possibilidade de fabricação a um baixo custo. No entanto, são susceptíveis à corrosão nos fluidos fisiológicos e seus produtos de corrosão podem causar reações alérgicas ou infecciosas nos tecidos vizinhos ao implante. No presente trabalho, a aplicação de revestimentos obtidos por processos de deposição física de vapor (PVD) sobre um aço inoxidável austenítico do tipo AISI 316L foi realizada a fim de aumentar sua resistência à corrosão e biocompatibilidade. Os filmes depositados foram de nitreto de titânio (TiN), carbonitreto de titânio (TiCN) e de carbono tipo diamante (DLC). Estes materiais têm alta dureza e resistência ao desgaste, além de biocompatibilidade intrínseca, características altamente desejáveis para aplicações biomédicas. A caracterização do comportamento eletroquímico do aço com os três tipos de revestimentos mostrou que a presença de defeitos na superfície das camadas depositadas exerce uma influência negativa sobre a resistência à corrosão do substrato. A presença dos defeitos foi evidenciada por microscopia eletrônica de varredura. Foi proposto um mecanismo, com base nos dados obtidos por espectroscopia de impedância eletroquímica, para explicar a evolução do comportamento eletroquímico do aço com os diferentes revestimentos ao longo do tempo de imersão. Foram também empregados dois tratamentos de passivação da superfície do aço em soluções de ácido sulfúrico e ácido nítrico, a fim de aumentar a resistência à corrosão do substrato. Os resultados indicaram que os tratamentos utilizados não foram eficientes para melhorar esta característica, mas podem ser modificados visando um desempenho superior. As propriedades eletrônicas dos filmes passivos formados, tanto sobre o aço sem tratamento de passivação como sobre o aço passivado, foram estudadas utilizando a abordagem de Mott-Schottky. Os filmes apresentaram um caráter duplex, mostrando comportamento de um semicondutor altamente dopado acima e abaixo do potencial de banda plana. A concentração de dopantes no filme passivo foi associada à resistência à corrosão do material. Os três revestimentos PVD investigados apresentaram comportamento não citotóxico. Considerando a diminuição do coeficiente de atrito do aço 316L, os revestimentos de TiCN e o DLC foram os mais eficientes. Estas características, aliadas ao fator custo, sugerem que a aplicação comercial destes materiais sobre implantes ortopédicos pode ser viável. No entanto, a resistência à corrosão, conforme a avaliação realizada no presente estudo, não foi adequada quando comparada ao desempenho do aço sem nenhum tipo de revestimento. Ao final do texto, são apresentadas algumas sugestões a fim de conseguir um desempenho superior para a capacidade protetora dos revestimentos PVD. / Metallic biomaterials must present a combination of properties such as corrosion resistance, biocompatibility and mechanical resistance. Austenitic stainless steels, especially AISI 316L combine these properties with the easy of fabrication at low cost. However, they are prone to corrosion in physiological solutions. Furthermore, their corrosion products may lead to infectious ou allergenic reactions in the tissues around the implant device. In the present work, coatings produced by physical vapour deposition (PVD) methods have been applied on the surface of a 316L stainless steel to increase its corrosion resistance and biocompatibility. Three thin films were tested: titanium nitride (TiN), titanium carbonitride (TiCN) and diamond-like carbon (DLC). These materials present high hardness, wear resistance and intrinsic biocompatibility that are key features when considering biomedical applications. The characterization of the electrochemical behavior of the stainless steel coated with the three different films showed that the presence of surface defects are deleterious to the corrosion resistance of the substrate. These defects were observed using scanning electron microscopy. The evolution of the electrochemical behavior of the coated steel was explained through a mechanism based on the experimental results obtained using electrochemical impedance spectroscopy. Two different passivation treatments were carried out on the stainless steel surface, either in sulfuric or nitric acid solutions, to increase its corrosion resistance. The results suggested que these treatments were not efficient, but may be modified to improve its performance. The electronic properties of the passive films of the non-passivated and passivated stainless steel were studied using the Mott-Schottky approach. The films presented a duplex character. Below the flatband potential the behavior is typical of a highly doped type-p semiconductor. Above the flatband potential is typical of a highly doped type-n semiconductor. The doping concentration in the passive film was determined and associated with the corrosion resistance of the substrate. All PVD coatings investigated showed non-cytotoxic behavior. DLC and TiCN coatings decreased the friction coefficient of the stainless steel substrate. These properties allied with the stainless steel low cost recommend their commercial use for implants materials purposes. Nevertheless the corrosion resistance presented by the coated-steel was inferior to that of the bare steel and should be improved. At the end of the present text, some suggestions are proposed in order to improve the corrosion protection performance of the PVD coatings.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modifizierung von Beschichtungen auf Basis von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC). Die Modifizierung erfolgte mittels Elektronenstrahl (eBeam) und sollte der Oberflächenfunktionalisierung durch die Steuerung der Zelladhäsion dienen. Das Anwendungsfeld der modifizierten DLC-Schichten findet sich im biomedizinischen Bereich. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren aus Formgedächtnislegierung (FGL) herangezogen. Diese sollen in Hüftendoprothesen genutzt werden. Ihre Aufgabe ist es, bei Implantatlockerung eine Wiederverankerung im Knochen, ohne äußeren Eingriff zu ermöglichen. Die Aktoren stellen an eine Beschichtung besondere Herausforderungen hinsichtlich Schichtstabilität und -flexibilität, Zelladhäsion sowie Barrierefunktion. Im Folgenden werden die untersuchten Schwerpunkte mit Bezug auf dieses Anwendungsbeispiel zusammenfassend dargestellt. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurden vier Abscheidemethoden für DLC-Beschichtungen verglichen: die plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PA CVD), das Magnetronsputtern (PVD-Spu), und die Lichtbogenverdampfung ungefiltert und -gefiltert (PVD-Arc bzw. PVD-Arcfil). Aus diesen Abscheidemethoden sollte eine für das medizintechnische Einsatzgebiet geeignete Methode zur DLC-Abscheidung ausgewählt werden. Dafür wurden folgende Kriterien untersucht: Schichtmorphologie und stabilität, Biokompatibilität und die Möglichkeit zur Modifizierung mittels eBeam. Es zeigte sich, dass mittels Magnetronsputtern homogene DLC-Schichten abgeschieden werden können. Diese Beschichtungen zeigen im Vergleich zu den Beschichtungen der anderen Abscheideverfahren die beste Biokompatibilität. Die Modifizierung der Schichten mittels eBeam ermöglicht eine gezielte Verringerung der Zelladhäsion auf den Oberflächen, ohne zelltoxische Nebenwirkungen. Mit diesem Resultat wird die ausgewählte Beschichtung den Funktionsansprüchen des Anwendungsbeispiels gerecht. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren einer intelligenten Hüftendoprothese herangezogen. Die Aktoren bestehen aus FGL-Material und sollen im Anwendungsfall eine intrakorporale Verformung durchführen. Die DLC-Beschichtung soll den Austritt von toxischen Nickelionen aus diesem Material verringern. Daher ist die Stabilität der DLC-Schichten auf den Aktoren für den zielgerechten Einsatz von grundlegender Bedeutung. Die Formflexibilität von DLC-Schichten ist aus der Literatur bekannt, womit sie eine geeignete Barrierebeschichtung für verformbare Bauteile darstellen, ohne dabei die Funktion des Substratmaterials zu beeinträchtigen. Grundlage für diese Formflexibilität stellen eine gute Schichthaftung und Langzeitstabilität dar. Auch an dieser Stelle zeigten die mittels Magnetronsputtern abgeschiedenen DLC-Schichten sehr gute Ergebnisse. Selbst die Beanspruchung durch wiederholte Desinfektion und Sterilisation führte bei dieser Beschichtung zu keiner Veränderung. Im Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese kann es an der Implantat-Knochen-Schnittstelle zu Mikrobewegungen kommen. Durch die im Vergleich zu den anderen Beschichtungen sehr guten Ergebnisse der PVD-Spu-Schichten bei der tribologischen Charakterisierung, stellen diese Schichten eine für das Anwendungsbeispiel geeignete Beschichtung dar. Ein geringer Reibwert gewährleistet dabei eine ungestörte Gewebsintegration. Das Magnetronsputtern wurde basierend auf diesen Ergebnissen als geeignete Abscheidemethode für die DLC-Beschichtung von Implantatmaterialien ausgewählt. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurden die Modifizierung der Beschichtung, die Reaktion im biologischen Kontakt und die Barrierefunktion der Schichten bewertet. Durch die eBeam-Modifizierung der DLC-Beschichtung wird eine Hydrophilierung erzielt, die mit einer signifikanten Verringerung der Zellzahl auf der Oberfläche verbunden ist. Nach Beurteilung der Schichtmorphologie von unbehandelten und modifizierten DLC-Oberflächen konnte ausgeschlossen werden, dass die Hydrophilierung auf Veränderungen der Oberflächenmorphologie zurück zu führen ist. Vielmehr wurden chemisch-energetische Veränderungen als Ursache identifiziert, wobei die indirekte eBeam-Wirkung während der Modifizierung zum Tragen kommt. Die Intensität der Hydrophilierung ist dosisabhängig und zeigt eine Art Sättigungsverhalten ab 500 kGy. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der Anteil stickstoff- und sauerstoffhaltiger Funktionalitäten auf der DLC-Oberfläche zunimmt. Die Verringerung der Zellzahl, welche ebenfalls eine Art Sättigung bei 500 kGy zeigt, steht über die Proteinadhäsion mit diesen Veränderungen in direktem Zusammenhang. In Korrelation mit der Literatur scheint es durch die Zunahme der sauerstoffhaltigen Funktionalitäten zu einer veränderten Proteinadhäsion zu kommen. Dabei wird die Proteinkonformation verändert, was die anschließende Zelladhäsion verringert. Mittels eBeam können sehr feine Strukturen bis in den Mikrometerbereich modifiziert werden, was bedeutet, dass damit die Zelladhäsion in den aneinander angrenzenden Bereichen des Aktors gezielt eingestellt werden kann. Damit wird die DLC-Beschichtung mit dieser Modifizierung den Funktionsansprüchen des Aktorbauteiles gerecht. Die Analyse der Langzeitstabilität zeigte, dass die Modifizierung sowohl an Luft als auch in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) über einen Zeitraum von mindestens zwei Monaten stabil ist. Somit kann für das Anwendungsbeispiel die Modifizierung bereits langfristig vor dem Einsatz eines Implantates erfolgen. Bisher wurden derartige Modifizierungen hauptsächlich mittels Plasmabehandlung durchgeführt. Im Gegensatz zur vorliegenden Arbeit können damit jedoch keine zeitlich stabilen Effekte erzielt werden. Weitere Nachteile der Plasmamethoden ergeben sich durch Materialveränderungen und verhältnismäßig lange Prozesszeiten. Weiterhin wird laut Literatur bei der Plasmabehandlung von DLC-Oberflächen eine Steigerung der Zelladhäsion erzielt. In der vorliegenden Arbeit besteht das Ziel jedoch in der Verringerung der Zelladhäsion, wodurch sich auch unter diesem Aspekt die eBeam-Modifizierung gegenüber der Plasmamodifizierung als vorteilhaft erweist. Zusätzlich wurde neben der Langzeitstabilität für die eBeam-modifizierten DLC-Beschichtungen auch eine Stabilität gegenüber chemisch-mechanischer Reinigung mit anschließender Dampfsterilisation belegt. Da jedoch die FGL-Aktoren im Anwendungsbeispiel durch thermischen Energieeintrag aktiviert werden, könnte die herkömmliche Anwendung der Dampfsterilisation ein Problem darstellen. Auch dafür bietet die eBeam-Behandlung als alternative Sterilisationsmethode einen Lösungsansatz. Mit einer Sterilisationsdosis von lediglich 25 kGy ist die Anwendung des eBeams sowohl zur Sterilisation von unbehandelten als auch modifizierten DLC-Oberflächen möglich, ohne deren Eigenschaften oder die des beschichteten Substrates zu beeinflussen. Die eBeam-Modifizierung der DLC-Oberflächen bietet basierend auf den vorliegenden Ergebnissen eine Möglichkeit zur Steuerung der Zelladhäsion, da in den modifizierten Bereichen eine signifikante Verringerung der Zellzahl erzielt wird. Eine Verringerung der Zellzahl ist für die beweglichen Bereiche der FGL-Aktoren besonders wichtig, um deren Funktion zu gewährleisten (s. Abbildung 1). Für die modifizierten Schichten werden dabei keine Beeinträchtigung der Zellvitalität oder Veränderungen der Phasen des Zellzyklus festgestellt. Weiterhin ist belegt, dass von diesen Beschichtungen kein erhöhtes Entzündungspotential ausgeht, was den uneingeschränkten Einsatz der modifizierten DLC-Beschichtungen im biomedizinischen Bereich ermöglicht. Die unbehandelten DLC-Oberflächen hingegen sollen im Anwendungsbeispiel eine schnelle Implantatintegration gewährleisten. Auch diesem Anspruch wird die Beschichtung gerecht, da die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen auf diesen Oberflächen uneingeschränkt verläuft. Die Analyse des Calciumgehaltes als späten Differenzierungsmarker lässt sogar auf einen stimulierenden Effekt durch die Schichten schließen. Folglich kann für den Anwendungsfall der Hüftendoprothese eine beschleunigte Osseointegration erwartet werden. Die größte Herausforderung für die DLC-Beschichtungen bestand in der Verringerung des Nickelaustrittes aus dem FGL-Material. Die Ergebnisse der Extraktionsversuche belegen, dass aus unbeschichteten FGL Nickelionen austreten und die Stoffwechselaktivität von Osteoblasten beeinflussen. Auf DLC-beschichteten Proben hingegen kann kein messbarer Austritt von Nickelionen festgestellt werden. Im Direktkontakt mit humanen Osteoblasten zeigt sich auf den unbeschichteten FGL eine unnatürliche Zellmorphologie, was auf den Nickelaustritt zurückgeführt werden kann. Dahingegen erscheinen die Zellen auf den DLC-beschichteten Oberflächen in vitaler Morphologie. Diese Ergebnisse demonstrieren die Wirksamkeit der DLC-Beschichtung als Barriere gegenüber dem Austritt von Nickelionen. Zusammenfassend wird festgestellt, dass das Magnetronsputtern die Abscheidung von DLC-Schichten ermöglicht, die dem Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese mit FGL-Aktor sowohl hinsichtlich Barrierefunktion als auch Biokompatibilität gerecht werden. Die Modifizierung mittels eBeam gewährleistet dabei die gezielte Steuerung der Zellzahl, wodurch die DLC-Beschichtungen auch die biofunktionalen Ansprüche des Anwendungsbeispiels bedienen. DLC-Beschichtungen weisen aufgrund ihrer großen Variabilität hinsichtlich Materialeigenschaften und der sehr guten Biokompatibilität ein breites Spektrum für biomedizinische Anwendungen auf. Die eBeam-Modifizierung der Beschichtungen eröffnet aufgrund ihrer Langzeitstabilität darüber hinaus weitere Einsatzfelder. Vor allem die Option einer partiellen Oberflächenmodifizierung ermöglicht es, variierenden Funktionsansprüchen zahlreicher Anwendungen gerecht zu werden und die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse auf weitere Einsatzfelder zu übertragen.

Les enjeux écologiques liés au réchauffement climatique, et plus généralement la lutte contre la pollution, ont occasionné une révolution sans précédent dans le domaine des transports. De nombreuses recherches portant sur l’identification de voies d’amélioration du rendement mécanique des moteurs à combustion interne ont été menées au cours de ces dernières décennies. Dans les moteurs Diesel, le contact Segments-Piston-Chemise (SPC) représente à lui seul près de 40 % des pertes d’énergie par frottement mécanique totales du moteur. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre général de la lubrification des moteurs Diesel en présence de suies et s’intéresse plus particulièrement au poste SPC pour des contacts Diamond-Like Carbon (DLC) lubrifiés. Ce travail de thèse s’appuie sur des outils de tribométrie originaux pour reproduire les cinématiques particulières des contacts impliqués au niveau de la segmentation. Cette thèse s’attache à identifier l’influence d’un lubrifiant vieilli en fonctionnement sur les mécanismes de lubrification et les mécanismes de frottement associés de couches minces dures de type DLC, en balayant l’ensemble des régimes de lubrification pour des conditions stationnaires et transitoires. Les revêtements DLC développés dans le cadre de ce travail de thèse ont permis de diminuer significativement le frottement limite en conditions stationnaires et transitoires. La déstructuration du lubrifiant via la formation d’agrégats, générés par le passage des suies, ou par une annulation temporaire de la vitesse d’entraînement représentative des cinématiques de contact observées en zone SPC, sont gouvernés par le triptyque, lubrifiant, surface et cinématique de contact. Enfin, l’analyse de la réponse tribologique de l’interface lubrifiée en conditions stationnaires et transitoires permet à la modélisation théorique du frottement lors d’un cycle complet de glissement à vitesses variables. / Ecological issues related to global warming, and more generally the reduction of pollution, have lead to a major revolution in the field of transport. Considerable research work has been carried out during the past decades in order to improve the mechanical efficiency of internal combustion engines. In Diesel engines, almost 40 % of total engine energy losses due to mechanical friction occur in the Piston rings-Piston-Cylinder contact (PPC). The overall framework of this PhD thesis is Diesel engine lubrication in presence of soot and this work focuses more particularly on Diamond-Like Carbon (DLC) lubricated contacts for PPC region. Unique tribometry tools are used to reproduce the particular contact kinematics involved in the piston assembly. This thesis aims to identify the influence of an aged lubricant on the lubrication and friction mechanisms of DLC hard coatings for all lubrication regimes in steady-state and transient conditions. DLC coatings developed during this thesis significantly reduce the boundary friction in steady-state and transient conditions. The lubricant destructuring due to aggregate formation, generated by the passage of soot, or by a temporary vanishing of the entrainment speed, are governed by the triplet, lubricant, surface and contact kinematics. Finally, the analysis of the tribological response of the lubricated interface in steady-state and transient conditions leads to the theoretical modeling of the friction during a complete cycle of sliding at variable velocities.

Le poly-aryl-éther-éther-cétone (PEEK) est un polymère thermoplastique qualifié de haute performance. Celui-ci suscite l’intérêt de la recherche et de l’industrie pour ses propriétés mécaniques remarquables et sa grande stabilité chimique. Cependant, le PEEK reste relativement sensible à l’usure. Le dépôt d’un revêtement dur à la surface d’un matériau sujet à l’usure est un moyen de protéger ce dernier de l’usure. Les revêtements de type diamond-like carbon (DLC) sont des matériaux connus pour avoir une très bonne résistance à l’usure permettant de protéger efficacement les substrats sur lesquels ils sont déposés. La génération d’une texturation à la surface du matériau d’intérêt est un autre moyen de contrôler son usure. Les lasers femtosecondes se révèlent être des dispositifs très intéressants pour réaliser rapidement des texturations de grande précision. Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour objectif de combiner le dépôt d’un revêtement de surface de type DLC et la texturation de surface par laser femtoseconde afin d’améliorer les performances tribologiques du PEEK. La démarche employée a consisté, dans un premier temps, à élaborer un revêtement DLC permettant de protéger efficacement le PEEK de l’usure et ayant une excellente adhérence avec celui-ci puis, à étudier l’influence de la texturation de surface, et plus précisément l’influence des paramètres géométriques de la texturation, sur le comportement tribologique du PEEK revêtu de DLC. / Poly-ether-ether-ketone (PEEK) is a thermoplastic polymer which is often described as a high performance polymer. It is a material subjected to intensive academic and industrial researches for its remarkable bulk mechanical properties and its high chemical stability. However, PEEK is relatively sensitive to wear. The deposition of hard coatings onto materials subjected to wear is a means of protecting them from wear. Diamond-like carbon (DLC) coatings are known to be highly resistant to wear allowing to efficiently protect the substrate onto which they are deposited. Surface texturing is another means of controlling wear. Femtosecond lasers have proven to be very interesting devices in order to quickly produce high-precision textured surfaces. The work presented in this thesis aims at combining the deposition of a DLC coating and laser surface texturing in order to improve the tribological properties of PEEK. The approach was first to develop a highly adherent DLC coating able to efficiently protect the PEEK substrate from wear and then to study the influence of surface texturing, and more precisely the influence of some geometrical parameters, on the tribological behavior of the DLC-coated PEEK. Tt

La législation européenne sur les émissions des véhicules devient de plus en plus sévère et ceci afin de minimiser l'impact sur l'environnement de la pollution occasionnée par les moteurs à combustion interne. La réduction des pertes par frottement et une plus faible consommation du carburant représentent différents aspects sur lesquels il est possible d’intervenir dans ce sens. Pour diminuer les pertes par frottement, plusieurs approches ont été utilisées, soit au niveau du design des pièces mécaniques, soit au niveau de l’optimisation du lubrifiant pour un contact considéré. Le dithiocarbamate de molybdène (MoDTC) est l’un des additifs modificateur de frottement permettant d’atteindre les plus faibles coefficients de frottement pour un contact acier/acier lubrifié en régime limite. La molécule se décompose dans le contact à des températures et des pressions élevées, en formant des feuillets lamellaires de MoS2 sur les surfaces frottantes. Cependant, il est nécessaire d'optimiser la durée de vie de ces additifs, en empêchant leurs appauvrissements ou dégradations prématurés dans le lubrifiant. Il a été montré, en effet, que les performances du MoDTC sont sensibles au temps de fonctionnement du moteur et sont donc liées à sa dégradation. L'objectif principal de cette thèse était donc de mieux comprendre le comportement tribologique (frottement et usure) d’une huile de base contenant du MoDTC en fonction de la dégradation du lubrifiant pour des contacts acier/acier et DLC/acier. L’approche utilisée pour mieux comprendre le comportement du MoDTC lorsqu'il est soumis à une dégradation thermo-oxydative consiste à combiner des expériences tribologiques, à des caractérisations de surface (XPS, FIB / TEM / EDX, Raman, SEM) et à des caractérisations chimiques des huiles (chromatographie en phase liquide, spectroscopie de masse, FT-IR). Un lien direct et cohérent entre la composition du tribofilm et la voie de décomposition chimique de l'additif MoDTC proposée a été mise en évidence. Les additifs modernes sont conçus pour être utilisés sur des surfaces à base de fer. Il est donc essentiel d'optimiser simultanément les lubrifiants et les revêtements pour améliorer leurs performances. Dans cette thèse, un modèle d'usure du revêtement DLC hydrogéné lubrifié en présence de MoDTC a été proposé. Nous avons établi à l’aide de plusieurs techniques, que l’usure est due principalement à la formation de carbure de molybdène présent dans le tribofilm formé à la surface de l’acier. / European legislation on vehicle emissions continues to become more severe to minimize the impact of Internal Combustion Engines (ICE) on the environment. One area of significant concern in this respect is the reduction of friction losses resulting in reduced emissions and as well as higher fuel efficiency and lower fuel consumption. To decrease these losses, several approaches have been made particularly at design of mechanical parts stage and at experimental level to optimize lubricant components. A great contribution to solve the problem can be given by the optimization of the additives package blended into the engine lubricants. The molybdenum dithiocarbamate (MoDTC) is the additive showing the best tribological performance by acting as friction modifier. It decomposes under high temperatures and pressure, forming layered structures on the engine surfaces. However, the use of effective friction reducing additives to achieve low boundary friction coefficient is not enough to have great engine fuel efficiency. In addition, in fact, it is needed also to maximize their durability, preventing premature consumption or depletion of these additives. It has been shown, in fact, that the friction reduction performance of MoDTC is sensitive to engine operating time and that is related to the degradation of MoDTC itself. In the first part of my thesis we tried to get a good comprehension of the chemical mechanisms of MoDTC ageing and to study the impact on the tribological properties. The chemical bulk oil characterization of MoDTC blended into the base oil when subjected to thermo-oxidative degradation allowed to propose a new hypothetical chemical pathway followed by the friction modifier molecules during the ageing process. At the same time, these findings were linked to the impact of the MoDTC degradation on its tribological properties. As reported in literature, another MoDTC drawback is its strong antagonism with DLC coating. In fact, when DLC-involving contacts are lubricated by MoDTC-containing base oil, a catastrophic DLC wear is produced. For this reason, in the second part of the project a multi-techniques approach has been adopted to get a better understanding of this wear mechanism. The combination of all the findings allowed to propose for the first time a new wear mechanism based on the formation of molybdenum carbide species inside the contact. A strong chemical interaction between the molybdenum-based species formed on the steel counter-body and the carbon of the DLC material has been supposed, leading to the formation of MoC species. All the results found are discussed to clarify the correlation between degradation time, tribological performance and tribofilm characterizations in both steel/steel and DLC/steel contact.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modifizierung von Beschichtungen auf Basis von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC). Die Modifizierung erfolgte mittels Elektronenstrahl (eBeam) und sollte der Oberflächenfunktionalisierung durch die Steuerung der Zelladhäsion dienen. Das Anwendungsfeld der modifizierten DLC-Schichten findet sich im biomedizinischen Bereich. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren aus Formgedächtnislegierung (FGL) herangezogen. Diese sollen in Hüftendoprothesen genutzt werden. Ihre Aufgabe ist es, bei Implantatlockerung eine Wiederverankerung im Knochen, ohne äußeren Eingriff zu ermöglichen. Die Aktoren stellen an eine Beschichtung besondere Herausforderungen hinsichtlich Schichtstabilität und -flexibilität, Zelladhäsion sowie Barrierefunktion. Im Folgenden werden die untersuchten Schwerpunkte mit Bezug auf dieses Anwendungsbeispiel zusammenfassend dargestellt. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurden vier Abscheidemethoden für DLC-Beschichtungen verglichen: die plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PA CVD), das Magnetronsputtern (PVD-Spu), und die Lichtbogenverdampfung ungefiltert und -gefiltert (PVD-Arc bzw. PVD-Arcfil). Aus diesen Abscheidemethoden sollte eine für das medizintechnische Einsatzgebiet geeignete Methode zur DLC-Abscheidung ausgewählt werden. Dafür wurden folgende Kriterien untersucht: Schichtmorphologie und stabilität, Biokompatibilität und die Möglichkeit zur Modifizierung mittels eBeam. Es zeigte sich, dass mittels Magnetronsputtern homogene DLC-Schichten abgeschieden werden können. Diese Beschichtungen zeigen im Vergleich zu den Beschichtungen der anderen Abscheideverfahren die beste Biokompatibilität. Die Modifizierung der Schichten mittels eBeam ermöglicht eine gezielte Verringerung der Zelladhäsion auf den Oberflächen, ohne zelltoxische Nebenwirkungen. Mit diesem Resultat wird die ausgewählte Beschichtung den Funktionsansprüchen des Anwendungsbeispiels gerecht. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren einer intelligenten Hüftendoprothese herangezogen. Die Aktoren bestehen aus FGL-Material und sollen im Anwendungsfall eine intrakorporale Verformung durchführen. Die DLC-Beschichtung soll den Austritt von toxischen Nickelionen aus diesem Material verringern. Daher ist die Stabilität der DLC-Schichten auf den Aktoren für den zielgerechten Einsatz von grundlegender Bedeutung. Die Formflexibilität von DLC-Schichten ist aus der Literatur bekannt, womit sie eine geeignete Barrierebeschichtung für verformbare Bauteile darstellen, ohne dabei die Funktion des Substratmaterials zu beeinträchtigen. Grundlage für diese Formflexibilität stellen eine gute Schichthaftung und Langzeitstabilität dar. Auch an dieser Stelle zeigten die mittels Magnetronsputtern abgeschiedenen DLC-Schichten sehr gute Ergebnisse. Selbst die Beanspruchung durch wiederholte Desinfektion und Sterilisation führte bei dieser Beschichtung zu keiner Veränderung. Im Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese kann es an der Implantat-Knochen-Schnittstelle zu Mikrobewegungen kommen. Durch die im Vergleich zu den anderen Beschichtungen sehr guten Ergebnisse der PVD-Spu-Schichten bei der tribologischen Charakterisierung, stellen diese Schichten eine für das Anwendungsbeispiel geeignete Beschichtung dar. Ein geringer Reibwert gewährleistet dabei eine ungestörte Gewebsintegration. Das Magnetronsputtern wurde basierend auf diesen Ergebnissen als geeignete Abscheidemethode für die DLC-Beschichtung von Implantatmaterialien ausgewählt. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurden die Modifizierung der Beschichtung, die Reaktion im biologischen Kontakt und die Barrierefunktion der Schichten bewertet. Durch die eBeam-Modifizierung der DLC-Beschichtung wird eine Hydrophilierung erzielt, die mit einer signifikanten Verringerung der Zellzahl auf der Oberfläche verbunden ist. Nach Beurteilung der Schichtmorphologie von unbehandelten und modifizierten DLC-Oberflächen konnte ausgeschlossen werden, dass die Hydrophilierung auf Veränderungen der Oberflächenmorphologie zurück zu führen ist. Vielmehr wurden chemisch-energetische Veränderungen als Ursache identifiziert, wobei die indirekte eBeam-Wirkung während der Modifizierung zum Tragen kommt. Die Intensität der Hydrophilierung ist dosisabhängig und zeigt eine Art Sättigungsverhalten ab 500 kGy. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der Anteil stickstoff- und sauerstoffhaltiger Funktionalitäten auf der DLC-Oberfläche zunimmt. Die Verringerung der Zellzahl, welche ebenfalls eine Art Sättigung bei 500 kGy zeigt, steht über die Proteinadhäsion mit diesen Veränderungen in direktem Zusammenhang. In Korrelation mit der Literatur scheint es durch die Zunahme der sauerstoffhaltigen Funktionalitäten zu einer veränderten Proteinadhäsion zu kommen. Dabei wird die Proteinkonformation verändert, was die anschließende Zelladhäsion verringert. Mittels eBeam können sehr feine Strukturen bis in den Mikrometerbereich modifiziert werden, was bedeutet, dass damit die Zelladhäsion in den aneinander angrenzenden Bereichen des Aktors gezielt eingestellt werden kann. Damit wird die DLC-Beschichtung mit dieser Modifizierung den Funktionsansprüchen des Aktorbauteiles gerecht. Die Analyse der Langzeitstabilität zeigte, dass die Modifizierung sowohl an Luft als auch in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) über einen Zeitraum von mindestens zwei Monaten stabil ist. Somit kann für das Anwendungsbeispiel die Modifizierung bereits langfristig vor dem Einsatz eines Implantates erfolgen. Bisher wurden derartige Modifizierungen hauptsächlich mittels Plasmabehandlung durchgeführt. Im Gegensatz zur vorliegenden Arbeit können damit jedoch keine zeitlich stabilen Effekte erzielt werden. Weitere Nachteile der Plasmamethoden ergeben sich durch Materialveränderungen und verhältnismäßig lange Prozesszeiten. Weiterhin wird laut Literatur bei der Plasmabehandlung von DLC-Oberflächen eine Steigerung der Zelladhäsion erzielt. In der vorliegenden Arbeit besteht das Ziel jedoch in der Verringerung der Zelladhäsion, wodurch sich auch unter diesem Aspekt die eBeam-Modifizierung gegenüber der Plasmamodifizierung als vorteilhaft erweist. Zusätzlich wurde neben der Langzeitstabilität für die eBeam-modifizierten DLC-Beschichtungen auch eine Stabilität gegenüber chemisch-mechanischer Reinigung mit anschließender Dampfsterilisation belegt. Da jedoch die FGL-Aktoren im Anwendungsbeispiel durch thermischen Energieeintrag aktiviert werden, könnte die herkömmliche Anwendung der Dampfsterilisation ein Problem darstellen. Auch dafür bietet die eBeam-Behandlung als alternative Sterilisationsmethode einen Lösungsansatz. Mit einer Sterilisationsdosis von lediglich 25 kGy ist die Anwendung des eBeams sowohl zur Sterilisation von unbehandelten als auch modifizierten DLC-Oberflächen möglich, ohne deren Eigenschaften oder die des beschichteten Substrates zu beeinflussen. Die eBeam-Modifizierung der DLC-Oberflächen bietet basierend auf den vorliegenden Ergebnissen eine Möglichkeit zur Steuerung der Zelladhäsion, da in den modifizierten Bereichen eine signifikante Verringerung der Zellzahl erzielt wird. Eine Verringerung der Zellzahl ist für die beweglichen Bereiche der FGL-Aktoren besonders wichtig, um deren Funktion zu gewährleisten (s. Abbildung 1). Für die modifizierten Schichten werden dabei keine Beeinträchtigung der Zellvitalität oder Veränderungen der Phasen des Zellzyklus festgestellt. Weiterhin ist belegt, dass von diesen Beschichtungen kein erhöhtes Entzündungspotential ausgeht, was den uneingeschränkten Einsatz der modifizierten DLC-Beschichtungen im biomedizinischen Bereich ermöglicht. Die unbehandelten DLC-Oberflächen hingegen sollen im Anwendungsbeispiel eine schnelle Implantatintegration gewährleisten. Auch diesem Anspruch wird die Beschichtung gerecht, da die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen auf diesen Oberflächen uneingeschränkt verläuft. Die Analyse des Calciumgehaltes als späten Differenzierungsmarker lässt sogar auf einen stimulierenden Effekt durch die Schichten schließen. Folglich kann für den Anwendungsfall der Hüftendoprothese eine beschleunigte Osseointegration erwartet werden. Die größte Herausforderung für die DLC-Beschichtungen bestand in der Verringerung des Nickelaustrittes aus dem FGL-Material. Die Ergebnisse der Extraktionsversuche belegen, dass aus unbeschichteten FGL Nickelionen austreten und die Stoffwechselaktivität von Osteoblasten beeinflussen. Auf DLC-beschichteten Proben hingegen kann kein messbarer Austritt von Nickelionen festgestellt werden. Im Direktkontakt mit humanen Osteoblasten zeigt sich auf den unbeschichteten FGL eine unnatürliche Zellmorphologie, was auf den Nickelaustritt zurückgeführt werden kann. Dahingegen erscheinen die Zellen auf den DLC-beschichteten Oberflächen in vitaler Morphologie. Diese Ergebnisse demonstrieren die Wirksamkeit der DLC-Beschichtung als Barriere gegenüber dem Austritt von Nickelionen. Zusammenfassend wird festgestellt, dass das Magnetronsputtern die Abscheidung von DLC-Schichten ermöglicht, die dem Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese mit FGL-Aktor sowohl hinsichtlich Barrierefunktion als auch Biokompatibilität gerecht werden. Die Modifizierung mittels eBeam gewährleistet dabei die gezielte Steuerung der Zellzahl, wodurch die DLC-Beschichtungen auch die biofunktionalen Ansprüche des Anwendungsbeispiels bedienen. DLC-Beschichtungen weisen aufgrund ihrer großen Variabilität hinsichtlich Materialeigenschaften und der sehr guten Biokompatibilität ein breites Spektrum für biomedizinische Anwendungen auf. Die eBeam-Modifizierung der Beschichtungen eröffnet aufgrund ihrer Langzeitstabilität darüber hinaus weitere Einsatzfelder. Vor allem die Option einer partiellen Oberflächenmodifizierung ermöglicht es, variierenden Funktionsansprüchen zahlreicher Anwendungen gerecht zu werden und die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse auf weitere Einsatzfelder zu übertragen.

Um die Klimaziele der Europäischen Union („Klimaneutralität“ bis zum Jahr 2050) zu erreichen, muss Deutschland im Verkehrssektor insbesondere bei Personenkraftwagen (Pkw) drastisch CO2-Emissionen reduzieren, da der Anteil von Pkw an allen in Deutschland emittierten Treibhausgasen circa 12 % (Jahr 2021) betrug. Um diese Emissionen zu verringern, wird verstärkt auf erneuerbare Energien und die Elektrifizierung von Pkws gesetzt. Es ist allerdings noch unklar, wieviel Zeit bis zur flächendeckenden Umstellung auf überwiegend batterieelektrische Pkws tatsächlich vergehen wird, sei es in Deutschland und der EU und insbesondere global. Trotz der fortschreitenden Elektrifizierung von Pkws, sind Verbrennungsmotoren weiterhin von großer Bedeutung, da sie weder an den Einsatz in Pkws noch an fossile Kraftstoffe gebunden sind. Es gilt daher, die bei Verbrennungsmotoren anfallenden energetischen Verluste weiterhin bestmöglich zu reduzieren. Vielversprechende Ansätze der Oberflächenfunktionalisierung, wie diamantartige Kohlenstoffbeschichtungen und Laserinterferenz-Mikrostrukturierungen, bieten Möglichkeiten, unnötige Reibverluste und Verschleiß in mechanischen Systemen zu reduzieren. Hierdurch werden Energieeffizienz und Langlebigkeit technischer Systeme gesteigert.

The widespread use of low friction PVD coatings on machine elements is limited by the high costs associated with fulfilling the demands on the surface quality of both the supporting substrate and the counter surface. In this work, an attempt is made at lowering these demands, by adding a sacrificial carbon overcoat to a TaC/aC low friction coating. Both coatings were deposited by planar magnetron DC sputtering, as separate steps in a single PVD-process. Coatings were deposited on substrates of two different surface roughnesses, in order to test the ability of this coating system to function on rougher substrates. Reciprocating ball on disc tests was performed, using balls with two different surface roughnesses. The worn surfaces were investigated using 3-D profilometry and SEM. The ability of the different overcoats to initially reduce the roughness of both the coated surface and the counter surface and to produce stable, low-friction conditions was examined for the different initial roughnesses. The implications for design of efficient run-in coatings for various systems are discussed.