Modeling the Tribomechanical Properties of Multifunctional Thin Film Coatings

L'adoption des traitements de surface par dépôt de revêtements à couche mince s'est rapidement propagée dans divers champs industriels et technologiques tels que les outils d'usinage, les revêtements protecteurs, les revêtements décoratifs, les surfaces hautement réfractaires, les filtres optiques, les composantes optoélectroniques, les dispositifs magnétiques et sensoriels, les prothèses biomédicales et la microélectronique. Avec l'augmentation des requis de performance, les revêtements utilisés pour ces dispositifs doivent être adaptés et conçus pour survivre aux conditions tribomécaniques d'opérations, et ce pour la durée de vie attendue. Pour atteindre cette cible, le concept du design par revêtements multifonctionnels a largement été embrassé par la communauté. Cette approche consiste à déposer une multicouche dans laquelle chacune des couches joue un rôle spécifique dans le fonctionnement global du dispositif. En revanche, avec l'augmentation de la complexité et des subtilités impliquées dans le design de couches multifonctionnelles, un besoin important de développer des outils et modèles prédictifs se manifeste. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles numériques reproduisant les conditions tribomécaniques à l'échelle des revêtements; premièrement pour élucider les mécanismes fondamentaux responsables de la dégradation des surfaces revêtues et dans un deuxième temps assister le design de l'architecture des revêtements pour augmenter leur résilience structurale. Lors de l'accomplissement de cette thèse, trois principaux sujets ont été approfondis. La première étude concerne la réponse mécanique d'un revêtement bicouche déposé sur acier, en particulier l'influence d'une inter-couche à haute capacité de charge sur la formation d'empreintes résiduelles ainsi que sur la défaillance du revêtement de surface. En exploitant un modèle de mécanique des milieux continus quasi statique, nous avons caractérisé et prédit les conditions critiques qui mènent à ce type d'endommagement. La deuxième étude porte sur la formation d'un réseau de fissure à la surface d'un revêtement optique déposé sur un substrat de polymère. À l'aide d'essais de traction in situ et d'un modèle à éléments finis en contraintes planes correspondant, nous avons étudié la fracturation et la ténacité de différentes configurations multicouches. En commençant par la caractérisation des propriétés de rupture de monocouches, nous avons clarifié le chemin de fracturation à travers le revêtement et ainsi identifié les paramètres critiques responsables de la défaillance catastrophique du film.