Pr

1
GDR 2449  Couches Minces de Carbone Amorphe et
Nanostructuré  Poitiers, 26 et 27 Septembre 2002
Julien Fontaine Laboratoire de Tribologie et
Dynamique des Systèmes Ecole Centrale de Lyon
2
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 lhydrogène Miyake et al. (87), Zaidi et al.
(94), Le Huu et al. (95), Yun et
al.(97) Formation dun film de transfert Donnet
et al. (94) Supra-frottement possible (µ10-3)
Donnet et al. (97), Erdemir et al. (00)
Dans lair ambiant Obtention de coefficients de
frottement dans la gamme 0.05 à 0.3 Films a-C
meilleurs que a-CH (µlt0.15)
Films a-CH (PACVD) Forte teneur en hydrogène
Robertson (98, 02)
3
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
4
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)
5
Résultats sur le frottement des DLC Importance
de la teneur en hydrogène (2)
Comportement de couches DLC  modèles  (IBM)
6
Résultats sur le frottement des
DLC Lubrification par lhydrogène gazeux
Sous hydrogène gazeux  diminution drastique du
frottement
Donnet et al. (01)
7
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 lobtention du supra-frottement (10-3)
?
8
Films Diamond-Like Carbon étudiés au LTDS CVD
assistée par plasma
Films a-CH 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)

9
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.)
10
Structure des films a-CH Rôle de lhydrogène
Modèle structural des a-CH 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 ?
11
Propriétés mécaniques des films
a-CH Expérimental nano-indentation
Nano-Indenter XP (MTS)
12
Propriétés mécaniques des films a-CH Dureté et
vitesse de déformation éch. IBM
x exposant viscoplastique x0 comportement
plastique 0ltxlt1 viscoplastique x1 visqueux
La dureté diminue et la viscoplasticité augmente
avec la teneur en hydrogène
13
Propriétés mécaniques des films a-CH Dureté et
vitesse de déformation éch. HDP
Résultats confirmés avec les échantillons HDP
14
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
15
Comment contrôler la viscoplasticité des films
a-CH? La piste des dopants
Film DLC fluoré (IBM) a-CFH Précurseurs
C6F6 H2 Polarisation -600 V rf à 40 mTorr
Composition 18 at. F / 5 at. H
Donnet et al. (97)
23 datomes monovalents
Coefficient de frottement sous UHV
µ0,005
Nombre de cycles
16
Comment contrôler la viscoplasticité des films
a-CH? DLC dopé au fluor
Dureté supérieure aux films a-CH Exposant
viscoplastique élevé (comparé aux a-CH)
x0,060
Dureté (GPa)
Hardness (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
17
Conclusions
Une nouvelle approche du faible frottement des
films a-CH Le supra-frottement (sous UHV) est
contrôlé par la teneur en hydrogène Le seuil en
hydrogène dépend du procédé de dépôt Les films
a-CH 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 dH2 gazeux