Aspects moléculaires du frottement limite : couplage entre structure des additifs et physico-chimie des surfaces

Molecular aspects of boundary friction : coupled effect between additives and physico-chemistry nature of surfaces

• Auteur / Autrice : Fadlallah Abouhadid
• Direction : Juliette Cayer-Barrioz, Denis Mazuyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• 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-)
• Jury : Président / Présidente : Christian Gauthier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Cayer-Barrioz, Denis Mazuyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Bureau, Pierre-Emmanuel Mazeran

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotribologie

Frottement

Mots clés libres

Frottement limite

Couche auto-assemblée

Polymère améliorant de l'indice de viscosité

Modificateur de frottement organique

Surfaces carbonées

Appareil à forces de surface

Nanotribologie

Boundary friction

Self-assembled layers

Viscosity index improvers

Organic friction modifiers

Carbonated surfaces

Surface forces apparatus

Nanotribology

Résumé

Ce travail de thèse s'inscrit dans un contexte environnemental de diminution de l'émission de CO2 et de réduction du frottement au sein des moteurs thermiques ou hybrides. Son objectif est ainsi de contribuer à la compréhension du frottement limite de couches adsorbées de polymères améliorant de l'indice de viscosité et de modificateurs de frottement organiques. Le couplage entre la structure moléculaire des additifs et la nature physico-chimique des surfaces, métalliques ou carbonées, est en particulier analysé.À partir de solutions élémentaires et pour des surfaces de rugosité nanométrique identique mais de chimie différente, la formation de ces couches auto-assemblées, leur caractérisation mécanique et tribologique dans des conditions stationnaires et transitoires (variables au cours du temps), ont été étudiées grâce au tribomètre moléculaire ATLAS, dérivé d'un appareil à forces de surface développé au LTDS.Les résultats montrent l'effet de la nature des surfaces sur l'organisation moléculaire des couches adsorbées : en particulier, la fonction chimique ester montre une meilleure affinité avec les surfaces carbonées, ce qui conduit à la formation de couches homogènes et stables. Le lien entre organisation moléculaire et frottement est illustré en présence d'un additif modificateur de frottement comprenant une ancre tri-amine, qui favorise l'interpénétration des couches limites. Enfin, les couches de polymères modificateurs de viscosité résistent mieux aux sollicitations de cisaillement, avec une moindre dépendance à la chimie de surface. L'origine du frottement de ces couches est discutée en en considérant une contribution interfaciale liée à leurs interactions de contact directes et une contribution liée à leur viscoélasticité. Ces processus sont à l'œuvre indépendamment. Une modélisation du frottement est proposée, décrivant l'effet de la charge normale et celui de la vitesse de glissement, pour ces différentes couches auto-assemblées.

This work is part of a sustainable environment focus aiming to reduce friction and by extension CO2 emissions, for hybrid and internal combustion engines. Its key objective is thus to contribute to the understanding of the boundary friction of adsorbed layers of polymeric viscosity index improvers and organic friction modifiers. In particular, the coupling between the molecular structure of the additives and the physico-chemical nature of the surfaces, i.e. metallic or carbonated, is analysed.Starting from elementary solutions and for surfaces with identical nanometric roughness but different chemistry composition, the formation of these self-assembled layers, their mechanical and tribological characterisation under stationary and transient conditions, were studied, using ATLAS, a molecular tribometer derived from a surface force apparatus developed at the LTDS.The results show the effect of the nature of the surfaces on the molecular organisation of the adsorbed layers: in particular, the ester chemical function shows a better affinity with carbonated surfaces, which leads to the formation of homogeneous and stable layers. The link between molecular organisation and friction is illustrated in the presence of a friction modifier containing a tri-amine anchor, which promotes the interpenetration of boundary layers. Finally, polymeric viscosity modifier layers are more resistant to shear stresses, and less dependent on surface nature. The origin of the friction of these layers is discussed by considering an interfacial contribution related to their direct contact interactions and a contribution related to their viscoelastic properties. These processes are at work independently. A friction model is proposed, describing the effect of the normal load and that of the sliding speed, for these different self-assembled layers.