Kimheng MENG – Mécanisme d'endommagement par cloquage des revetements: Influence de la plasticité et délaminage

Jury

Vincent GUIPONT (Charge de recherche, Mines Paris Tech), Rapporteur
Cécile LANGLADE (Professeure des universités, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard), Rapporteure
Megan CORDILL (Senior scientist, Erich Schmid Institute for Materials Science), Examinatrice
Jean-Yvon FAOU (Ingénieur de recherche, Saint-Gobain Recherche), Examinateur
Marc VERDIER (Directeur de recherche, CNRS Alpes), Examinateur
Damien FAURIE (Professeur des universités, Sorbonne Université Paris Nord), Examinateur

Abstract

Les films minces et les revêtements, utilisés dans une large gamme d’applications technologiques, sont souvent produits industriellement par des techniques de pulvérisation physique en phase vapeur, ce qui peut entraîner des niveaux très élevés de contraintes internes. Ces contraintes élevées déclenchent des mécanismes d’endommagement, tels que le délaminage induit par le flambage. La prévention du flambage est donc un enjeu majeur pour les applications industrielles des revêtements. Diverses morphologies de flambement ont été fréquemment observées, telles que les rides droites et les cloques circulaires. Ces morphologies de flambement évoluent souvent vers des morphologies plus complexes par une combinaison de structure cloquée et de propagation de fissures à la frontière, donnant la naissance à des structures connues sous le nom de cordons de téléphone ou de structures varices.

Dans ce travail, nous rapportons des rides droites et des cloques circulaires observées expérimentalement par microscopie optique et à force atomique sur des films minces ductiles d’or déposés par un dépôt physique en phase vapeur sur des substrats en silicium. Il est montré que, quelles que soient les dimensions du flambage, ses déflexions maximales sont supérieures à celles attendues par la théorie élastique (basée sur les équations de la plaque élastique de Föppl-Von Karman). En utilisant des simulations par la méthode des éléments finis (FEM), il est montré que la prise en compte des déformations plastiques dans le film explique bien les structures de flambement observées expérimentalement. Les modules élastiques du film mince, ainsi que l’ensemble complet des paramètres de la loi plastique, ont été identifiés à l’aide d’essais de nano-indentation couplés à des solutions d’éléments finis. Les résultats numériques sont présentés, discutés et comparés aux observations expérimentales, éclairant la genèse de ces structures, soulignant en particulier l’importance de prendre en compte l’historique de chargement du film (développement de contraintes à l’intérieur du film pendant le dépôt). De plus, nous étudions la croissance de cloques circulaires à partir de défauts de décollement initiaux. Pour les films minces élastiques, cette croissance est connue pour être instable, conduisant à des formes non axisymétriques. Ce résultat est confirmé par les calculs FEM, couplant le flambage d’une plaque avec un modèle de zone cohésive (CZM). De plus, un nouveau résultat a été obtenu : la déformation plastique joue un rôle clé dans la stabilisation de la forme circulaire des cloques pendant la croissance. Cela explique pourquoi des cloques circulaires peuvent être observées sur des films d’or.