Elaboration, caractérisation et tribologie de couches minces DLC (diamond-like carbon) pour la lubrification des mécanismes spatiaux

par Julien Fontaine

Thèse de doctorat en Matière condensée, surfaces et interfaces

Sous la direction de Christophe Donnet.

Soutenue en 2000

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    La lubrification des mécanismes spatiaux embarqués sur des satellites est un enjeu technologique considérable compte tenu du cahier des charges imposé en terme d'exigences fonctionnelles et opérationnelles. Ce travail de recherche a pour objectif d'élargir les performances des lubrifiants solides déjà utilisés dans la plupart des missions, notamment le MoS2. Ces lubrifiants présentent actuellement une durabilité insuffisante, une forte sensibilité à l'environnement et produisent trop de débris d'usure. Parmi les couches minces à forte potentialité dans de nombreux domaines (microélectronique, optique, biomédical), les couches de type DLC (Diamond-like Carbon) présentent un très large spectre de structures et de compositions ajustables par les procédés de dépôt. Notre choix s'est porté sur l'optimisation d'une famille de couches DLC susceptibles de répondre au cahier des charges d'au moins une application spatiale. Nous avons élaboré et optimisé la composition et la structure d'un multicouche à gradient fonctionnel à base de titane, carbone et hydrogène Ti/TiC(H)/a-CH par un procédé hybride PVD/PECVD. Les dépôts, mis au point en collaboration avec le groupe HEF, ont été réalisés sur éprouvettes et sur pièces de mécanismes réels tels que des roulements. Nous avons montré que des frottements sous vide faibles et peu bruités sont liés à la teneur en hydrogène dans la couche superficielle, teneur qui doit être supérieure à 45 % at. L'adhérence de la couche carbonée sur les substrats est conditionnée par la couche à gradient fonctionnel à base de titane. Les tests sur tribomètre de laboratoire et sur les bancs d'essais du CNES (Toulouse) démontrent que les multicouches optimisées répondent à un premier niveau de sélection pour une application spatiale, en termes de valeur et de stabilité de frottement d'une part, de résistance à l'usure d'autre part. Parallèlement à cette étude à finalité technologique, nous avons approfondi significativement les mécanismes de frottement faible observé également sur des couches DLC modèles déposées sur silicium par le centre de recherche Watson d'IBM (U. S. A. ). Nous avons ainsi dégagé une meilleure compréhension du rôle de l'hydrogène, présent dans les couches DLC ou sous forme gazeuse dans l'environnement du contact, sur les valeurs de frottement stabilisé. Nous avons également démontré l'influence de la composition chimique des surfaces en contact sur la cinétique du régime de frottement transitoire précédent le régime stabilisé. Le concept de dureté chimique "Chemical Hardness" a été appliqué et discuté à partir des résultats expérimentaux. Ce travail, soutenu par la région Rhône-Alpes, a été réalisé en cotutelle entre deux laboratoires de l'Institut Européen de Tribologie, le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes de l'Ecole Centrale de Lyon, et le Laboratoire de Mécanique des Contact de l'INSA de Lyon.


  • Résumé

    Lubrication of onboard space mechanisms is a key technological issue, considering the functional and operational requirements. This study aims to broaden the performances of solid lubricants already used in spacecraft, like MoS2. Current solid lubricants exhibit a short lifetime and a high sensitivity to environment, and they may pollute surrounding equipment due to wear debris formation. Among the thin coatings which arouse strong interests in various scopes (microelectronics, optics, biomedical. . . ), Diamond-Like Carbon (DLC) coatings present a very large spectra of structures and compositions, that can be tuned by process type and parameters. We focused our research on the optimization of a range of DLC coatings that would be likely to meet the requirements of at least one. Thus, in collaboration with the HEF group, we have deposited and adjusted the composition and structure of a functionally graded layer based on titanium, carbon and hydrogen (Ti/TiC(H)/a-C:H) by an hybrid PVD/PECVD deposition chamber. These coatings were obtained on lab samples as well as on real mechanisms, like bail bearings. We have shown that low and noiseless friction under high vacuum were related to the hydrogen content in the top-layer, which should be more than 45 at. %. The adhesion of the coatings on their substrates depends on the titanium-based graded layer. Experiments performed on laboratory tribometers and test machines at CNES facilities (Toulouse) confirmed that the optimized functionally graded layers could be selected for further qualification, both in terms of low and stable friction and of wear resistance. Concomitantly to this technological study, we concentrated on the phenomena that lead to low friction values under vacuum, that were also obtained on DLC coatings deposited on silicon by IBM Watson Research Center (USA). A better understanding of the hydrogen role on stabilized friction could be achieved, either as an element included in the coating or as a gas surrounding the contact. We have also shown the effect of surface chemistry on the kinetics of transient friction preceding the stabilized regime. The concept of "Chemical Hardness" was applied and discussed from experimental results. This work, supported by "Région Rhônes-Alpes", was achieved under the supervision of the Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, from Ecole Centrale de Lyon, and the Laboratoire de Mécanique des Contacts, from INSA-Lyon. This both laboratories are members of the Institut Européen de Tribologie.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (536 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 108 ref.

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T1850
  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
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