Desarrollo de Nanocompuestos de Base Carbono en Capa Fina por Arco Catódico para Aplicaciones Mecánicas y Biomédicas

Abstract

Esta tesis se enfoca en el crecimiento y caracterización estructural y funcional de capas finas de carburo de cromo, con el fin de establecer las relaciones entre la síntesis, estructura y propiedades.

La tecnología de depósito empleada en este estudio fue el arco catódico filtrado a partir de un blanco de cromo en una atmósfera reactiva de argón y acetileno (Ar + C2H2). Además, se diseñó un filtro lineal magnético para reducir el número de macropartículas que se depositan en las capas y que son inherentes al proceso de arco catódico.

Las capas se depositaron sobre diferentes tipos de sustratos, silicio, vidrio y acero con el fin de realizar diferentes caracterizaciones. Las principales caracterizaciones realizadas fueron espectroscopias de foto-electrones de rayos-X (XPS), Raman y de infra-rojo (FTIR), difracción de rayos-X (XRD), microscopia de transmisión electrónica (TEM), así como nanoindentación y ball-on disk.

Durante el desarrollo de esta tesis se ha logrado obtener por primera vez estructuras nanocompuestas formadas por nanocristales de carburo de cromo embebidas en una matriz de carbono amorfo hidrogenado, nc-CrC/a-C:H, y también estructuras nanocompuestas formadas por nanocristales de cromo embebidas en una matriz de carburo de cromo amorfo, nc-Cr/a-CrC depositadas por medio de la técnica de arco catódico filtrado. Se analizó principalmente el efecto de la presión total y presión parcial de acetileno y el voltaje de polarización aplicado a los sustratos sobre la composición química y la microestructura de las capas.

Los parámetros con mayor influencia en la composición química de las muestras resultaron ser la presión total y la presión parcial de acetileno, lo que permitió obtener capas con contenidos de carbono desde 13.1 hasta 72.4 at.%. El voltaje de polarización tuvo también una gran importancia en la composición química pero se encontró que principalmente tiene una fuerte influencia en la estructura cristalina de las capas. Las capas depositadas a altas presiones, 6•10-2 mbar, y ricas en carbono presentaron una estructura amorfa y/o con estructura de nanocompuesto consistente en nanocristales de carburo de cromo embebidos en una matriz de carbono amorfo hidrogenado, nc-CrC/a-C:H. Las capas depositadas a una presión intermedia, 3•10-2 mbar, presentaron composiciones químicas cercanas a la estequiometria del Cr3C2 y estructuras amorfas, nanocompuestas o altamente cristalinas en función del voltaje de polarización. Las capas depositadas a baja presión, 6•10-3 mbar, y ricas en cromo presentaron estructuras amorfas, estructuras nanocompuestas consistentes en nanocristales de cromo embebidos en una matriz de carburo de cromo amorfo, nc-Cr/a-CrC, y estructuras altamente cristalinas en función del voltaje de polarización.

Las capas presentaron diferentes combinaciones de dureza y coeficientes de fricción en función del contenido de carbono. Las capas depositadas a altas presiones y que fueron ricas en carbono presentaron los mejores valores de coeficientes de fricción, hasta 0.15, combinados con relativamente bajos valores de dureza, entre 3 y 8 GPa. Las capas depositadas a una presión intermedia, con composiciones químicas cercanas a la estequiometria del Cr3C2 presentaron los mejores resultados de dureza, hasta 33 GPa y a su vez buenos resultados de coeficiente de fricción, del orden de 0.3.

La combinación de buenas propiedades mecánicas y tribológicas proporciona un material en forma de capa fina con un futuro prometedor para el desarrollo de aplicaciones mecánicas, tribológicas y biomédicas.

This thesis is focused in the growth and structural and functional characterization of chromium carbide thin films with the aim to establish synthesis, structure and property performance relations.

The deposition technique employed in this study was filtered cathodic arc from a chromium target in a reactive argon and acetylene atmosphere. A linear magnetic filter was designed in order to reduce the macroparticles that reach the substrates and that are inherent to the cathodic arc process.

During the development of this thesis it was reported for the first time the deposition of nanocomposite structures of chromium carbide nanocrystals embedded in an amorphous hydrogenated carbon matrix, nc-CrC/a-C:H, and also nanocomposite structures of chromium nanocrystals embedded in an amorphous chromium carbide matrix, deposited by filtered cathodic arc technique.

The main parameters that influenced the chemical composition of the samples were the total pressure and acetylene partial pressure. The bias voltage also had a remarkably effect on the chemical composition, but it was found that it affects mainly to the crystalline structure of the films. The films deposited at high total pressure, 6•10(-2) mbar, were rich in carbon and presented an amorphous and/or nanocomposite structure consisting of chromium carbide nanocrystals embedded in an amorphous hydrogenated carbon matrix, nc-CrC/a-C:H. The films deposited at intermediate pressure, 3•10(-2) mbar, presented compositions near to the Cr(3)C(2) stoichiometry and amorphous, nanocomposite or highly crystalline structures as function of the bias voltage. The films deposited at low pressure, 6•10(-3) mbar, were rich in chromium and presented amorphous or nanocomposite structures consisting of chromium nanocrystals embedded in an amorphous chromium carbide matrix, nc-Cr/a-CrC.

The films presented different combinations of hardness and friction coefficient as function of the carbon content. The films rich in carbon, presented the lower friction, combined with a relatively low hardness. The films deposited with compositions near to the Cr(3)C(2) stoichiometry, presented the highest hardness, and good results of friction. The combination of excellent mechanical and tribological properties provides materials with a promising future for mechanical, tribological and biomedical applications.