Tribo-Mechanical and Electrical Properties of Boron-Containing Coatings

Le developpement de nouveaux revetements protecteurs durs ayant une performance de pointe est tres important pour le progres scientifique relie a de plusieurs domaines industriels. L’application de revetements protecteurs durs peut augmenter significativement la performance de pieces et composantes, etendre leur duree de vie ainsi que sauver de l’energie dans maintes industries incluant l’aerospatial, l’automobile, les manufactures et bien d’autres. De plus, la multifonctionnalite des revetements represente une valeur ajoutee dans d’autres domaines tels que l’optique, la microelectronique, le biomedical, le stockage magnetique de donnees, etc. Ainsi, les revetements protecteurs avec des proprietes tribo-mecaniques ameliorees et une resistance a la corrosion augmentee sont tres en demande. Les caracteristiques des revetements peuvent etre ajustees en controlant leur microstructure sur une echelle repandue dans differents ordres de grandeur. Par exemple, les films avec des nanostructures, comme les super-reseaux, les nanocolonnes et les systemes nanocomposites, montrent des caracteristiques tres distinctes par rapport aux materiaux a une seule phase. Ils montrent des proprietes tribo-mecaniques superieures grâce a la presence d’interfaces internes rigides et differentes fonctions peuvent etre accomplies avec un materiau multi-phase. Les materiaux contenant du bore ont d’excellentes proprietes mecaniques et des caracteristiques electroniques tres interessantes, ce qui en fait de bons candidats pour les revetements protecteurs fonctionnels durs. Par exemple, le nitrure de bore cubique (c-BN), le carbure de bore (B1−xCx) et le diborure de titane (TiB2) sont tres connus pour leur grande durete, leur haute stabilite thermique et leur caractere chimique inerte. Un exemple interessant est le nitrure de carbure de bore (BCN) qui possede plusieurs proprietes attrayantes grâce a la similarite structurale avec le carbone (graphite et diamant) ainsi que le nitrure de bore (BN en phase hexagonal ou cubique). L’objectif principal de cette recherche est de developper plus en detail la famille de revetements contenant du bore, incluant le B1−xCx, le Ti−B−C et le BCN deposes par pulverisation magnetron, pour ameliorer leur performance sur mesure et obtenir de nouvelles fonctions en controlant leur microstructure a l’echelle nanometrique. ----------Abstract The development of new hard protective coatings with advanced performance is very important for progress in a variety of scientific and industrial fields. Application of hard protective coatings can significantly improve the performance of parts and components, extend their service life, and save energy in many industrial applications including aerospace, automotive, manufacturing, and other industries. In addition, the multifunctionality of protective coatings is also required in many other application fields such as optics, microelectronics, biomedical, magnetic storage media, etc. Therefore, protective coatings with enhanced tribo-mechanical and corrosion properties as well as other functions are in demand. The coating characteristics can be adjusted by controlling the microstructure at different scales. For example, films with nanostructures, such as superlattice, nanocolumn, and nanocomposite systems, exhibit distinctive characteristics compared to single-phase materials. They show superior tribo-mechanical properties due to the presence of strong interfaces, and different functions can be achieved due to the multi-phase characteristics. Boron-containing materials with their excellent mechanical properties and interesting electronic characteristics are good candidates for functional hard protective coatings. For instance, cubic boron nitride (c-BN), boron carbide (B1−xCx), and titanium diboride (TiB2) are well known for their high hardness, high thermal stability, and high chemical inertness. An interesting example is the boron carbon nitride (BCN) compound that possesses many attractive properties because its structure is similar to that of carbon (graphite and diamond) and of boron nitride (BN in hexagonal and cubic phases). The main goal of this work is to further develop the family of Boron-containing films including B1−xCx, Ti−B−C, and BCN films fabricated by magnetron sputtering, and to enhance their performance by controlling their microstructure on the nanoscale. Their tribo-mechanical, corrosion, and electrical properties are studied in relation to the composition and microstructure, aiming at enhancing their performance for multi-functional protective coating applications via microstructural design.