Projet ANR-11-NS09-0003 – MADDiLiN : Comportement Mécanique et Durabilité de Couches Minces DLN (Diamond-Like Nanocomposites): une Collaboration Internationale pour la Compréhension des Phénomènes Tribo-Mécaniques Multi-Physiques
Programme : Blanc International I - SIMI 9 - Sciences de l'ingénierie, matériaux, procédés, énergie (Blanc Inter I SIMI 9) 2011
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Julien FONTAINE (Ecole Centrale de Lyon)
Partenaires : Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes; UPenn
Montant : 300560.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 48 mois
Résumé : L’objectif de ce projet consiste à élucider les phénomènes physiques fondamentaux expliquant la bonne durabilité tribo-mécanique d’une famille de matériaux déposés en couches minces nommés « Diamond-Like Nanocomposites » (DLN). Les DLN sont des films minces amorphes constitués d’un réseau interconnecté de silice et de carbone amorphe hydrogéné. Ils se caractérisent par une durabilité impressionnante, se traduisant par des performances mécaniques et tribologiques élevées, y compris dans des conditions de sollicitation sévères (température, pression de contact, vide, environnements humides et oxydants).
Pour mener à bien ce projet, une nouvelle collaboration internationale s’est établie entre chercheurs de l’Université de Pennsylvanie (Philadelphie, USA) et du Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS ; Lyon, France). Cette collaboration a commencé début 2010, et a déjà fait l’objet en septembre 2010 d’un séjour du Pr. Carpick au LTDS en tant que professeur invité pendant six semaines. Pendant son séjour, il a travaillé directement avec J. Fontaine et S. Bec. Les premières expériences sur une couche mince DLN menées à cette occasion ont permis de mettre en évidence d’une part une dureté élevée de la couche et d’autre part l’existence d’un régime de supra-glissement (coefficient de frottement inférieur à 0.01), qui motivent le travail proposé. L’équipe va aborder ce sujet en proposant un programme de recherche intégré, pluridisciplinaire, multi-échelle et multi-technique, mettant à profit les capacités uniques et complémentaires des deux partenaires. Le projet donnera lieu à des échanges prolongés d’étudiants et de chercheurs entre les deux institutions.
L’intérêt de ce travail résidera dans l’établissement des relations d’une part entre le comportement tribo-mécanique des DLN et les propriétés volumiques et surfaciques, et d’autre part entre ces propriétés et la composition et la structure du matériau. En effet, le comportement tribo-mécanique des couches minces est en général étudié de manière paramétrique, des conditions de dépôt étant choisies et le comportement mesuré, conduisant à de nouvelles conditions de dépôt, et ainsi de suite. Dans ce projet, nous proposons une approche différente, en cherchant une compréhension fondamentale du comportement tribo-mécanique, afin de révéler l’importance de propriétés spécifiques du matériau, qui impliquent une structure et une composition particulières. Cette collaboration internationale associera donc des compétences complémentaires, rendues nécessaires par la forte interdépendance des propriétés des matériaux, et par les nombreuses techniques requises pour les étudier. Ainsi, elle permettra une exploration scientifique impossible à conduire individuellement. Des couches minces DLN de différentes compositions seront étudiées, afin d’explorer les relations entre structure, propriété et comportement fonctionnel. Notre objectif n’est pas d’optimiser les méthodes d’élaboration ou la structure des couches résultantes. En revanche, nous avons besoin de films minces variés pour comprendre comment les comportements mécanique et tribologique sont affectés par les propriétés et la structure du matériau.
En prolongement de ce travail, la conception et l’optimisation non seulement de couches minces DLN, mais plus généralement de matériaux amorphes, seront facilitées. Une telle contribution est particulièrement utile, car il est attendu des matériaux à base carbone qu’ils fonctionnent de plus en plus dans des conditions sévères, par exemple dans le cadre d’applications telles que la mise en forme des matériaux (nano-usinage), le stockage des données ou les systèmes nano-mécaniques, ou plus généralement dans les domaines de l’énergie, l’aérospatial, l’automobile. Comme les matériaux amorphes sont très répandus et ont de multiples applications, tout nouvel éclairage sur la façon dont leur comportement est déterminé par leur composition et leur structure pourra permettre de progresser.