Les films minces de Diamond-Like Carbon sont couramment employés dans les moteurs automobiles. Leur très faible coefficient de frottement et leur haute dureté permettent en effet d’optimiser les performances et la durée de vie des véhicules. Cependant, la plupart des lubrifiants utilisés dans les moteurs sont élaborés pour fonctionner avec des surfaces métalliques. Il est donc envisageable d’améliorer le comportement tribologique de films de DLC en leur conférant un caractère métallique par l’introduction d’éléments dopants en quantité limitée et contrôlée (15 % au maximum) dans la matrice de carbone amorphe. Un réacteur de dépôt industriel muni d’une technologie de dépôt hybride a été utilisé. Celle-ci combine la PECVD pour l’élaboration du DLC hydrogéné à la pulvérisation cathodique magnétron pour le dopage. Quatre éléments ont été introduits à différentes concentrations dans le DLC : aluminium, cuivre, molybdène et niobium. Les propriétés physico-chimiques des dépôts ont été caractérisées par XPS (composition et liaisons chimiques) et spectroscopie Raman (structure). La dureté, le frottement et l’usure à sec et en conditions lubrifiées, ainsi que l’énergie de surface des films ont également été caractérisés. Deux études in situ de tenue des DLC en température ont été conduites par spectroscopie Raman. Par comparaison avec un film de DLC pur, le dopage entraîne une modification de la structure du DLC, et par conséquent une réduction de la dureté des couches. Cependant, excepté dans le cas du cuivre, ceci s’accompagne d’une diminution significative du coefficient de frottement et de l’usure à sec des couches. En revanche, en dépit de ce résultat prometteur, l’impact sur les propriétés tribologiques en milieu lubrifié est plus modéré et fortement lié à la composition du lubrifiant employé. Enfin le transfert industriel du dopage a été étudié et validé dans le cas du dopage à l’aluminium. / Diamond-Like Carbon thin films are commonly used in automotive engines. Thanks to their very low friction coefficient and high hardness, it is indeed possible to optimize the performances and the lifetime of vehicles. However, most of the lubricants that are used in engines are designed to be in contact with metallic surfaces. So it might be possible to improve the global tribological behaviour of DLC films by giving them a metallic character. This can be achieved with the introduction of doping elements in limited and controlled amount (maximum 15 at. %) in the amorphous carbon matrix. An industrial scale reactor has been used with a hybrid coating technology combining PECVD for the deposition of hydrogenated DLC and magnetron sputtering for the introduction of the dopants. Four elements have been tested with various amounts in the DLC: aluminium, copper, molybdenum and niobium. The physico-chemical properties of the films have been characterized by XPS (chemical composition and bonding) and Raman spectroscopy (structure). Hardness, friction and wear in both dry and lubricated conditions, and surface energy have also been determined. Two in situ studies under temperature have been conducted by Raman spectroscopy for deposited thin films. Compared to a pure DLC, doping led to a modification of the structure resulting in a decrease in hardness. However, except for copper doping, a significant reduction of friction and wear in dry conditions is observed. Despite this promising result, the impact of doping on lubricated tribological behaviour is limited and strongly dependent on the composition of the lubricant itself. Finally, the industrial transfer of DLC metallic doping has been studied and validated.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2015LIMO0077 |
| Date | 05 November 2015 |
| Creators | Kilman, Laureline |
| Contributors | Limoges, Tristant, Pascal, Jaoul, Cédric, Dutreilh-Colas, Maggy |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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