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.

Abstract

The adoption of thin film coating technologies has been quickly spreading to numerous major industrial and technological fields including machining tools, protective coatings, decorative films, high temperature resistant surfaces, optics, optoelectronic, magnetic and sensorics devices, biomedical prosthetic and microelectronics. As the requirements for high performance continuously increase, the coating of thee components must be adapted and tailored to withstand the tribomechanical solicitations to which they are subjected during the expected lifetime under their typical operation conditions. To meet this objective and associated challenges the multifunctional coating design concept has been widely adopted by the community. In this approach, a layered material is deposited on a supporting substrate in which each layer serves a specific role to the overall device functionality. However, as the complexity and intricacies involved in the design of such multifunctional coatings increase, so is the need for predictive modeling tools to assist in this task. Accordingly, the main objective of this thesis is to develop coating-scale tribomechanical numerical models, first to uncover the underlying mechanisms responsible for the degradation of the coated surfaces, and secondly to guide the coating architectural design to further improve the surface resilience. This thesis presents several case studies which are divided into three principal investigations. In the first study, we investigated the tribomechanical response of a duplex coated steel substrate, most notably the influence of a load-carrying underlayer on the formation of permanent indents and failure of the top coating. Using a quasi-static continuum mechanics indentation model, we were able to characterize and predict the critical conditions which lead to the apparition of the related surface damage. The second case study was related to the formation of crack patterns at the surface of an optical film deposited on a polymer substrate. Using an in situ tensile experiment and a corresponding plane strain finite element model, we investigated the fracturability and toughness of different stack configurations. By first characterizing the fracture properties of the single layers individually, we were able to uncover the fracture pathway in a multilayer coating and identify the most critical parameters responsible for the catastrophic failure of the stack. Finally, we probed the potential application of bio-inspired functionally graded coatings for enhanced protection against erosive wear. The influence of the mechanical depth profile on the load spreading and crack driving forces were investigated.