Synthèse de nanolubrifiants à base de carbones fluorés

Synthesis of nanolubricants, fluorinated carbon-based

• Auteur / Autrice : Elodie Disa
• Direction : Marc Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 16/11/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : (LMI) Laboratoire des Matériaux Inorganiques
• Jury : Président / Présidente : André Hamwi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Bonnamy, Roger Gadiou, Philippe Thomas, Katia Guerin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Bonnamy, Roger Gadiou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Lubrifiants solides

Fluoration

Fluorures de graphite

Mots clés libres

Nanocarbone

Fluoration

Stabilité thermique

Lubrifiant solide

Tribofilm

Revêtement composite

Silicone

Polysiloxane

RMN du solide

Couplage ATG-FTIR

MEB

MET

AFM

Nanocarbon

Fluorination

Thermal stability

Solid lubricant

Tribofilm

Composite coating

Silicone

Polysiloxane

Solid state NMR

TGA-FTIR coupling

SEM

TEM

Résumé

Pour répondre aux problématiques d’usure précoce des pièces mécaniques causée par des pressions et températures élevées d’utilisation, des nanolubrifiants constitués de nanocarbones fluorés, connus pour leurs faibles coefficients de frottement et haute stabilité thermique ont été synthétisés. Pour améliorer ces propriétés, des précurseurs nanocarbonés de dimensionnalités différentes, et des procédés de synthèse gaz-solide variés ont été employés. Ainsi, une structure fermée comme les nanofibres de carbone NFCs (1D, tubulaire), ouverte comme le mélange nanodisques / nanocônes de carbone NDCs (majoritairement 2D, discotique) et intermédiaire avec les noirs de carbone graphitisés NCGs (0D, sphérique) ont été fluorés, d’une part avec le fluor moléculaire gazeux et d’autre part avec le fluor atomique produit par décomposition thermique d’un agent solide. Les mécanismes de fluoration / défluoration ont été proposés à l’aide de différentes techniques de caractérisation complémentaires (RMN du solide, MEB, MET, AFM, DRX) pour l’ensemble des matrices étudiées. Des matériaux présentant un gain de stabilité thermique de plusieurs dizaines de degrés comparativement aux matériaux fluorés de la littérature ont été élaborés, et une nouvelle méthode de synthèse dite « fluoration flash » a été mise au point pour étendre encore cette tenue en température. Les bonnes propriétés tribologiques de ces matériaux ont également été démontrées, notamment à 160°C et ceci quel que soit le mode de fluoration. Par la suite, des vernis à base de résines siliconées et chargés en nanofibres de carbone fluorées ont été formulés. Le revêtement composite présente une stabilité thermique supérieure à 400°C comme démontré par l’étude de son mécanisme de dégradation en température, notamment par couplage ATG-FTIR. D’un point de vue tribologique, les coefficients de frottement mesurés à température ambiante et 160°C sont inférieurs à 0,1 et les tribofilms obtenus ont été caractérisés par analyse MEB et EDX.

To address some issues to premature wear caused by high pressures and temperatures used on aircraft parts, nanolubricants made of fluorinated nanocarbons were synthesized. They are known for their low friction coefficients and high thermal stability in air. To improve these properties, carbonaceous nanomaterial precursors with different dimensionalities, and various gaz-solid synthesis methods were investigated. Thus, a closed structure such as carbon nanofibres (1D, tubular), opened such as carbon nanodiscs/nanocones (2D in majority, discotic) and intermediate with graphitized carbon blacks(0D, spherical) were fluorinated, firstly with molecular fluorine gas, and secondly with atomic fluorine released by the thermal decomposition of a solid fluorinating agent. Mechanisms of fluorination/defluorination were proposed thanks to complementary characterization techniques (solid NMR, SEM, TEM, AFM, XRD) for all the studied compounds. Materials with a gain of thermal stability of several tens of degrees compared to fluorinated materials of the litterature were prepared, and a new synthesis way called “flash fluorination” has been developed to further expand the thermal stability in air. Good tribological properties of these materials have been also demonstrated, including high temperature (160°C) regardless of the fluorination method. Then, polysiloxane resins loaded with fluorinated carbon nanofibres were formulated. The composite coatings exhibit thermal stability above 400°C as demonstrated by the study of the degradation mechanism as a function of the temperature, in particular by coupling TGA-FTIR. From a tribological point of view, friction coefficients measured at room temperature and 160°C are below 0.1 and the tribofilms obtained were characterized by SEM and EDX analysis.