Note publique d'information : 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.
Note publique d'information : 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.
paprika.idref.fr
data.idref.fr
Documentation
