Advanced characterization of hard diamond-like carbon films deposited by high power impulse magnetron sputtering in Ar-Ne plasmas

Abstract

Diamond-like carbon (DLC) films have become an intriguing and versatile class of solid lubricants, holding the promise of diverse applications in advanced materials and tribology. This thesis embarks on an in-depth exploration of DLC films, utilizing a varied set of analytical techniques to decipher their structural complexities, mechanical responses, and tribological capabilities. The extensive investigation covers deposition processes using High-power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) in Deep Oscillation Magnetron Sputtering (DOMS) mode, analyses of thermal stability, evaluations of homogeneity by thickness, examination of hydrogenation effects, and considerations for eco-friendly tribological technologies as a solid lubricant at high temperatures in dry conditions.A substantial portion of the research is dedicated to assessing the thermal stability of DLC films deposited by HiPIMS-DOMS. The evaluation involves subjecting the films to high-temperature annealing procedures and conducting rigorous mechanical and tribological experiments, along with microstructural and local structure analyses. Furthermore, Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) is utilized to expand the thermal stability investigation through quantitative measurements of carbon hybridization states. Remarkably, films deposited with a 50% Ne composition demonstrate remarkable robustness, maintaining stable microstructures and tribomechanical performance even under intense annealing conditions at temperatures as high as 700 ºC, and resisting graphitization up to 800 ºC. It's worth noting that the study identifies thermal activation energy and argon effusion as crucial mechanisms influencing the graphitization process in DLC films deposited in a pure Ar plasma, at temperatures ranging from 700 to 800 ºC.The research includes a thorough analysis of DLC films deposited using HiPIMS-DOMS to assess their structural uniformity in thickness. This methodology enables a detailed examination of the homogeneity and composition of DLC films throughout different growth stages. Moreover, the application of NEXAFS and Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) enables a comprehensive quantitative examination of the changes in carbon hybridization states. By systematically adjusting deposition parameters and introducing a 50% Ne component in the discharge gas, improvements in DLC film homogeneity are demonstrated, along with the mitigation of the atomic shadowing effect.The effects of hydrogenation on DLC films take center stage, unraveling the intricate interplay between hydrogen incorporation, surface morphology, frictional behavior, and wear resistance. The research underscores the pivotal role of hydrogen in tailoring the mechanical and tribological properties of DLC films, offering insights into optimizing their performance in diverse applications. The research also identified the optimal methane percentage for achieving a high deposition rate in the fabrication of hydrogenated DLC films, a crucial aspect for industrial applications.The research highlights the comprehensive evaluation of high-temperature tribological tests conducted on both hydrogenated and hydrogen-free DLC films, shedding light on their respective solid lubricating performances under extreme conditions. The results unveiled distinct advantages of hydrogenated DLC films over their hydrogen-free counterparts in terms of superior solid lubricating properties at elevated temperatures, showcasing ultra-low frictional behavior. However, it's noteworthy to emphasize that despite these differences, hydrogen-free DLC films remain viable for applications in high-temperature environments, particularly in lubricated contacts, where their performance has been previously demonstrated.The comprehensive findings derived from this research not only underscore the promising potential of DLC films deposited by HiPIMS-DOMS for specific applications but also contribute significant insights into adopting eco-conscious approaches in lubricant technology for an eco-friendly and more sustainable future. The recommendations derived from this study serve as a guide for future endeavors, steering the path toward tailored DLC films that cater to a spectrum of applications. From tribology to eco-friendly solid lubrication practices, the implications of this research extend beyond the realm of DLC films, contributing to the broader landscape of advanced materials and sustainable technologies.

Os filmes de carbono amorfo tipo diamante (DLC) tornaram-se uma classe intrigante e versátil de lubrificantes sólidos, prometendo diversas aplicações em materiais avançados e tribologia. Esta tese embarca numa exploração aprofundada dos filmes DLC, utilizando um conjunto variado de técnicas analíticas para decifrar as suas complexidades estruturais, respostas mecânicas e capacidades tribológicas. A investigação extensiva abrange processos de deposição usando Sputtering de Magnetron de Impulso de Alta Potência (HiPIMS) no modo de Sputtering de Magnetron de Oscilação Profunda (DOMS), análises de estabilidade térmica, avaliações de homogeneidade por espessura, exame de efeitos de hidrogenação e considerações para tecnologias tribológicas ecologicamente amigáveis como lubrificante sólido em altas temperaturas em condições secas.Uma parte substancial da pesquisa é dedicada à avaliação da estabilidade térmica de filmes DLC depositados por HiPIMS-DOMS. A avaliação envolve submeter os filmes a procedimentos de têmpera em alta temperatura e conduzir experimentos mecânicos e tribológicos rigorosos, juntamente com análises microestruturais e de estrutura local. Além disso, a Estrutura Fina de Absorção de Raios-X Próximo à Borda (NEXAFS) é utilizada para expandir a investigação da estabilidade térmica através de medições quantitativas dos estados de hibridização de carbono. Notavelmente, filmes depositados com uma composição de 50% de Ne demonstram uma robustez notável, mantendo microestruturas estáveis e desempenho tribomecânico mesmo sob condições intensas de têmpera a temperaturas tão altas quanto 700 ºC, e resistindo à grafitação até 800 ºC. Vale ressaltar que o estudo identifica a energia de ativação térmica e a efusão de argônio como mecanismos cruciais que influenciam o processo de grafitação em filmes DLC depositados num plasma de Ar puro, em temperaturas variando de 700 a 800 ºC.A pesquisa inclui uma análise detalhada de filmes DLC depositados usando HiPIMS-DOMS para avaliar a sua uniformidade estrutural em termos de espessura. Esta metodologia permite uma análise minuciosa da homogeneidade e composição dos filmes DLC ao longo das diferentes fases de crescimento. Além disso, a aplicação da Espectroscopia de Perda de Energia de Elétrons (EELS) e NEXAFS permite uma análise quantitativa abrangente das mudanças nos estados de hibridização do carbono. Através do ajuste sistemático dos parâmetros de deposição e introdução de uma componente de 50% de Ne no gás de descarga, são demonstradas melhorias na homogeneidade dos filmes de DLC, juntamente com a mitigação do efeito de sombreamento atômico.Os efeitos da hidrogenação nos filmes DLC ganham destaque, desvendando a intrincada interação entre a incorporação de hidrogênio, morfologia da superfície, comportamento de atrito e resistência ao desgaste. A pesquisa destaca o papel crucial do hidrogênio na adaptação das propriedades mecânicas e tribológicas dos filmes DLC, oferecendo insights para otimizar seu desempenho em diversas aplicações. O estudo também identificou a porcentagem ideal de metano para alcançar uma alta taxa de deposição na fabricação de filmes DLC hidrogenados, um aspecto crucial para aplicações industriais.O estudo destaca a avaliação abrangente de testes tribológicos em alta temperatura realizados tanto em filmes DLC hidrogenados quanto em filmes DLC isentos de hidrogênio, lançando luz sobre suas respectivas performances como lubrificantes sólidos em condições extremas. Os resultados revelaram vantagens distintas dos filmes DLC hidrogenados sobre seus homólogos isentos de hidrogênio em termos de propriedades superiores de lubrificação sólida em temperaturas elevadas, exibindo um comportamento de atrito ultra baixo. No entanto, é importante salientar que, apesar destas diferenças, os filmes DLC sem hidrogénio continuam a ser viáveis para aplicações em ambientes de alta temperatura, especialmente em contactos lubrificados, onde o seu desempenho já foi demonstrado anteriormente.As descobertas abrangentes derivadas desta pesquisa não apenas destacam o potencial promissor dos filmes DLC depositados por HiPIMS-DOMS para aplicações específicas, mas também contribuem com insights significativos para a adoção de abordagens ecologicamente conscientes na tecnologia de lubrificantes, visando um futuro mais eco-amigável e sustentável. As recomendações derivadas deste estudo servem como guia para empreendimentos futuros, direcionando o caminho em direção a filmes DLC personalizados que atendam a uma variedade de aplicações. Desde a tribologia até práticas de lubrificação sólida ecologicamente corretas, as implicações desta pesquisa se estendem além do âmbito dos filmes DLC, contribuindo para a paisagem mais ampla de materiais avançados e tecnologias sustentáveis.