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Tribo-Mechanical and Electrical Properties of Boron-Containing Coatings

Jincheng Qian

Ph.D. thesis (2015)

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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.

Résumé

Le développement de nouveaux revêtements protecteurs durs ayant une performance de pointe est très important pour le progrès scientifique relié à de plusieurs domaines industriels. L'application de revêtements protecteurs durs peut augmenter significativement la performance de pièces et composantes, étendre leur durée de vie ainsi que sauver de l'énergie dans maintes industries incluant l'aérospatial, l'automobile, les manufactures et bien d'autres. De plus, la multifonctionnalité des revêtements représente une valeur ajoutée dans d'autres domaines tels que l'optique, la microélectronique, le biomédical, le stockage magnétique de données, etc. Ainsi, les revêtements protecteurs avec des propriétés tribo-mécaniques améliorées et une résistance à la corrosion augmentée sont très en demande. Les caractéristiques des revêtements peuvent être ajustées en contrôlant leur microstructure sur une échelle répandue dans différents ordres de grandeur. Par exemple, les films avec des nanostructures, comme les super-réseaux, les nanocolonnes et les systèmes nanocomposites, montrent des caractéristiques très distinctes par rapport aux matériaux à une seule phase. Ils montrent des propriétés tribo-mécaniques supérieures grâce à la présence d'interfaces internes rigides et différentes fonctions peuvent être accomplies avec un matériau multi-phase. Les matériaux contenant du bore ont d'excellentes propriétés mécaniques et des caractéristiques électroniques très intéressantes, ce qui en fait de bons candidats pour les revêtements 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 très connus pour leur grande dureté, leur haute stabilité thermique et leur caractère chimique inerte. Un exemple intéressant est le nitrure de carbure de bore (BCN) qui possède plusieurs propriétés attrayantes grâce à la similarité 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 développer plus en détail la famille de revêtements contenant du bore, incluant le B1−xCx, le Ti−B−C et le BCN déposés par pulvérisation magnétron, pour améliorer leur performance sur mesure et obtenir de nouvelles fonctions en contrôlant leur microstructure à l'échelle nanométrique.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Wenjun Zhang, Ludvik Martinu, Jolanta-Ewa Sapieha
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1694/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 15 Jun 2015 15:11
Last Modified: 14 Nov 2022 11:23
Cite in APA 7: Qian, J. (2015). Tribo-Mechanical and Electrical Properties of Boron-Containing Coatings [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1694/

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