Etude de l'endurance électrique de micro-contacts soumis à des sollicitations de fretting-usure : influence des paramètres environnementaux

Study of the electrical endurance of micro-contacts subjected to fretting-wear : environmental parameters influences

• Auteur / Autrice : Florent Pompanon
• Direction : Siegfried Fouvry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 27/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-) - Laboratoire de tribologie et de dynamique des systèmes
• Jury : Président / Présidente : Cécile Langlade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Siegfried Fouvry, Aurélien Saulot, François Robbe-Valloire
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Montmitonnet, Sophie Noël

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtements

Frottement

Mots clés libres

Fretting-usure

Contacts électriques

Revêtements

Argent

Or

Paramètres environnementaux

Troisième corps

Fretting-wear

Electrical contacts

Coatings

Silver

Gold

Environmental parameters

Third body

Résumé

Ce travail de recherche porte sur l'étude du comportement des revêtements en argent pour des applications de contacts électriques soumis à des sollicitations de fretting. L'impact d'environnements sévères (température, humidité, gaz polluants soufrés, phases corrosives) a été étudié dans le but de remplacer les revêtements d'or actuellement utilisés en connectique automobile. Le comportement des contacts argent/argent a d'abord été étudié en milieu sec et à température ambiante afin d'approfondir la compréhension de la dégradation des contacts dans ces conditions standards (T = 25°C, HR = 10%). Les mécanismes d'usure intervenant dans la dégradation des contacts électriques ont ainsi été identifiés. Il a ainsi été montré que la rupture électrique est atteinte lorsque la concentration en argent devient trop faible pour assurer une bonne conductivité électrique et lorsque l'interface est recouverte d'un film d'oxydes homogène.Ensuite, l’influence de la température sur le vieillissement de contacts revêtus en argent a été explorée en considérant différents types de configurations de contacts. L'objectif de ces travaux était d’étudier l’impact de la composition du substrat et de la présence d’une sous-couche de nickel sur l'évolution du comportement des contacts électriques soumis à de fortes températures. Il a ainsi été mis en évidence l'influence des phénomènes de diffusion thermique en fonction des contacts étudiés.L’influence de la température a également été étudiée en phase de fonctionnement, c’est-à-dire couplée avec des sollicitations de fretting, sur des contacts argent et or. Cette étude a montré l'influence du comportement du troisième corps sur l'endurance électrique: plus le troisième corps est adhérent, moins il est facilement éjecté de l'interface et ainsi plus l'endurance électrique des contacts est importante.Enfin, l'influence de l'humidité sur le comportement en fretting de contact en argent a été observée. Il a été montré un effet bénéfique de l’humidité sur l’endurance des contacts électriques ce qui s’explique par un changement de rhéologie du troisième corps. L'influence du taux d'humidité a également été étudié en présence de gaz soufrés (H2S et SO2). Il a été montré qu'en présence d'un fort taux d'humidité, la présence de soufre entraine la formation de nano-couches d’Ag2S conduisant à un phénomène de lubrification solide, protecteur vis-à-vis de l'usure, réduisant ainsi fortement la cinétique d’usure et retardant d'autant la rupture électrique.

This research work focuses on the study of the behavior of silver coatings for electrical contact applications subjected to fretting-wear in severe environments (temperature, humidity, sulfured pollutants, corrosive phases) in order to replace gold coatings currently used for automotive connectors.The behavior of the silver contacts was first studied in dry environment and at room temperature in order to improve the understanding of the contacts degradation under these standard conditions (T = 25 ° C, HR = 10%). The wear mechanisms involved in the degradation of the electrical contacts have been identified. It has been shown that the electrical failure is reached when the silver concentration becomes too low to ensure good electrical conductivity and when the interface is covered with a homogeneous oxide film.Then, the influence of temperature on the aging of silver coated contacts was studied by considering different types of contact configurations. The objective of this work was to study the impact of the composition of the substrate and the presence of a nickel underlayer on the evolution of the behavior of electrical contacts subjected to high temperatures. It has been highlighted the influence of thermal diffusion phenomena as a function of the contacts studied.The influence of temperature has also been studied in the operating phase, (i.e. coupled with fretting) on silver and gold contacts. This study has shown the influence of the third body's behavior on electrical endurance: the more adherent the third body, the less easily it is ejected from the interface and thus the greater the electrical endurance of the contacts.Finally, the influence of humidity on silver contacts subjected to fretting has been studied. It has been shown a beneficial effect of humidity on the endurance of electrical contacts which is explained by a change in the rheology of the third body. The influence of humidity has also been studied with sulfur gases (H2S and SO2). It has been shown that in the presence of a high humidity, sulfur gas lead to the formation of Ag2S nano-layers leading to a solid lubrication phenomenon, protective from wear, thus greatly reducing the wear rate and delaying the electrical failure.