Green superlubricity mechanisms of OH-containing lubricants for hard carbon and Si-based materials

Mécanismes de supraglissement durables pour céramiques à base de silicium et revêtements DLC

Yun Long (1)

1 LTDS - Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes

The trend towards greater energy conservation and the reduction of greenhouse gases demands that fuel consumption of mechanical systems continues to be decreased. Solid and liquid lubrication may play essential role in energy preservation, as there are many moving parts in mechanical systems. In recent years, significant improvement in lowering energy consumption has been made by lowering friction. Some hard materials like Diamond-Like-Carbon (DLC) and silicon-based ceramics (SiC and Si3N4) have being studied since more than two decades as solid lubricants due to their exceptional tribological and mechanical properties, such as low friction. A unique and amazing tribological feature of some ceramics is their ability to show ultra-low friction force (0.01

L’efficacité énergétique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre exigent une diminution de la consommation de carburant des systèmes mécaniques. La lubrification solide et liquide, permettant de diminuer les pertes par frottement, peut jouer un rôle essentiel dans la préservation d'énergie des systèmes mécaniques qui comportent de nombreuses pièces mobiles. Ainsi, ces dernières années, la réduction de la consommation d'énergie a été considérablement améliorée grâce à de nouvelles technologies de lubrification.Certains matériaux durs comme les Diamond-Like-Carbon (DLC) et les céramiques à base de silicium (SiC et Si3N4) sont étudiés depuis plus de deux décennies comme lubrifiants solides en raison de leurs propriétés tribologiques et mécaniques exceptionnelles, en particulier un coefficient de frottement (CoF) faible. Une caractéristique tribologique unique et étonnante de certaines céramiques est leur capacité à présenter un frottement ultra-faible (CoF inférieur à 0,04) en présence de certains lubrifiants verts biodégradables comme l'eau, les alcools ou les acides gras insaturés...Cependant, à l'opposé des revêtements DLC, la lubrification à l'eau de certaines céramiques dures, principalement SiC et Si3N4, fournit un frottement extrêmement faible après une forte usure tribochimique du matériau, impliquant un enlèvement brut de matière et une diminution de la pression de contact, qui provoque finalement une transition vers un régime de lubrification hydrodynamique. Ainsi, de nombreuses études sur la manière de réduire davantage le CoF des DLC et des céramiques à base de Si sans engendrer une forte usure sont en cours. Des essais ont été faits en ajoutant de l'acide, du sel, des nanoparticules et des polymères à longue chaîne dans le solvant aqueux. Cependant, dans la plupart de ces cas, une vitesse de glissement très élevée est nécessaire pour atteindre l’objectif ci-dessus. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles technologies pour atteindre des niveaux de frottement super faibles, également appelés supraglissement (CoF inférieur ou égal à 0,01) et des taux d’usures modérés. L'idée directrice est de générer in situ des espèces fournissant du frottement faible. Par exemple, en analysant la trace d'usure formée sur l'acier après frottement d’un tribo-couple acier/ta-C (DLC) dans le glycérol, un fort signal du composé FeOOH est détecté. Les terminaisons -OH sur le FeOOH conduisent à un faible frottement en empêchant la formation d'une liaison forte à l’interface. Il est intéressant de noter qu'en remplaçant l'acier par le Si3N4, la réaction chimique entre le glycérol et ce dernier entraîne la génération de nanostructures de nitrures de graphene permettant l’obtention de supraglissement sur une plage de température très large. Inspirée par ce résultat, l'hypéricine, une molécule riche en cycles carbonés sextuples, est directement ajoutée au glycérol comme additif. Sa présence dans le glycérol réduit considérablement la période d’induction nécessaire pour atteindre le régime de supraglissement du couple acier/SiC. Contrairement à d’autres additifs aromatiques, l'hypéricine présente une grande affinité avec la surface en acier et alimente continument le contact pendant le glissement. [...]

L’efficacité énergétique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre exigent une diminution de la consommation de carburant des systèmes mécaniques. La lubrification solide et liquide, permettant de diminuer les pertes par frottement, peut jouer un rôle essentiel dans la préservation d'énergie des systèmes mécaniques qui comportent de nombreuses pièces mobiles. Ainsi, ces dernières années, la réduction de la consommation d'énergie a été considérablement améliorée grâce à de nouvelles technologies de lubrification.Certains matériaux durs comme les Diamond-Like-Carbon (DLC) et les céramiques à base de silicium (SiC et Si3N4) sont étudiés depuis plus de deux décennies comme lubrifiants solides en raison de leurs propriétés tribologiques et mécaniques exceptionnelles, en particulier un coefficient de frottement (CoF) faible. Une caractéristique tribologique unique et étonnante de certaines céramiques est leur capacité à présenter un frottement ultra-faible (CoF inférieur à 0,04) en présence de certains lubrifiants verts biodégradables comme l'eau, les alcools ou les acides gras insaturés...Cependant, à l'opposé des revêtements DLC, la lubrification à l'eau de certaines céramiques dures, principalement SiC et Si3N4, fournit un frottement extrêmement faible après une forte usure tribochimique du matériau, impliquant un enlèvement brut de matière et une diminution de la pression de contact, qui provoque finalement une transition vers un régime de lubrification hydrodynamique. Ainsi, de nombreuses études sur la manière de réduire davantage le CoF des DLC et des céramiques à base de Si sans engendrer une forte usure sont en cours. Des essais ont été faits en ajoutant de l'acide, du sel, des nanoparticules et des polymères à longue chaîne dans le solvant aqueux. Cependant, dans la plupart de ces cas, une vitesse de glissement très élevée est nécessaire pour atteindre l’objectif ci-dessus. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles technologies pour atteindre des niveaux de frottement super faibles, également appelés supraglissement (CoF inférieur ou égal à 0,01) et des taux d’usures modérés. L'idée directrice est de générer in situ des espèces fournissant du frottement faible. Par exemple, en analysant la trace d'usure formée sur l'acier après frottement d’un tribo-couple acier/ta-C (DLC) dans le glycérol, un fort signal du composé FeOOH est détecté. Les terminaisons -OH sur le FeOOH conduisent à un faible frottement en empêchant la formation d'une liaison forte à l’interface. Il est intéressant de noter qu'en remplaçant l'acier par le Si3N4, la réaction chimique entre le glycérol et ce dernier entraîne la génération de nanostructures de nitrures de graphene permettant l’obtention de supraglissement sur une plage de température très large. Inspirée par ce résultat, l'hypéricine, une molécule riche en cycles carbonés sextuples, est directement ajoutée au glycérol comme additif. Sa présence dans le glycérol réduit considérablement la période d’induction nécessaire pour atteindre le régime de supraglissement du couple acier/SiC. Contrairement à d’autres additifs aromatiques, l'hypéricine présente une grande affinité avec la surface en acier et alimente continument le contact pendant le glissement. [...]

Mots clés: Superlubricity mechanisms; Si-based ceramics; DLC materials; OH-based lubrication; Surface aromatization; Sustainable chemical polishing

Mots clés: Supraglissement; Céramiques à base de Si; Revêtements DLC; Lubrification aqueuse; Polissage chimique; Aromatisation de surface

Domaines: Autre

Yun Long. Green superlubricity mechanisms of OH-containing lubricants for hard carbon and Si-based materials. Other. Université de Lyon, 2020. English. ⟨NNT : 2020LYSEC040⟩. ⟨tel-03250754⟩