L’utilisation des additifs conventionnels (MoDTC, ZnDTP) dans les lubrifiants pour réduire le frottement et l’usure de pièces frottantes ont montré des limitations. Afin de pallier les faiblesses de ces additifs de nouvelles stratégies de lubrification ont été développées en utilisant des particules colloïdales de phases réductrices de frottement et d’usure. Les travaux antérieurs ont montré que l’introduction d’un lubrifiant solide composé de nanoparticules lamellaires en présence d’un liquide de faible viscosité entraînait une réduction spectaculaire du coefficient de frottement. L’objectif principal de la thèse est donc l’élucidation des mécanismes d’action mis en œuvre lors de ce processus de réduction du frottement. L’ensemble des résultats expérimentaux, acquis au cours des essais réalisés sur les films de nanoparticules (graphite exfolié et CND-G) en présence de pentane ou en présence de dispersion de nanoparticules dans le dodécane, à l’aide d’un tribomètre alternatif à géométrie sphère/plan, nous a permis de montrer que le processus de réduction du frottement est lié à la formation d’un contact conforme par constitution d’un film épais de nanoparticules agglomérées dans la zone de pénombre de Hertz conduit au changement de régime de lubrification limite vers un régime mixte ou EHD. Les analyses physico-chimiques du contact en glissement lubrifié par spectrométrie Raman in situ nous a permis de montrer que le film lubrifiant est constitué de la dispersion de nanoparticules dans le liquide et que le processus spécifique de réduction du frottement est aussi associé à l’orientation des nanoparticules parallèlement aux surfaces de glissement. / The use of conventional additives (MoDTC, ZnDTP) in lubricants to reduce friction and wear of friction parts have shown limitations. To overcome the limitations of these additives new lubrication strategies were developed using friction reducer colloidal particles. Previous work has shown that the introduction of a solid lubricant composed of nanoparticles dispersed in the lubricating base oil presenting a low viscosity has shown a reduction of the friction. The aim of the thesis is the elucidation of the mechanisms of action used during the process of friction reduction. All the experimental results acquired during the tests on the films of nanoparticles (exfoliated graphite and CND-G) in the presence of pentane or presence of nanoparticles dispersion in dodecane, using a alternating tribometer geometry sphere / plan allowed us to show that the friction reducing process is related to the formation of a conform contact by the formation of a thick film of agglomerated nanoparticles in Hertz penumbra that led to a transition of lubrication boundary regime to a mixed or EHD regime. The physicochemical analyzes of sliding contact by in situ spectrometry Raman in situ allowed us to show that the lubricant film is composed of the dispersion of nanoparticles in the liquid and the specific friction reduction mechanims is also associated to the orientation of nanoparticles parallel to the sliding surfaces.

Dans les contacts fortement dissipatifs, la dissipation d'énergie par frottement conduit à des sollicitations thermiques très sévères qui peuvent avoir des répercussions conséquentes sur les performances, la durabilité des organes de friction, l'environnement ou la santé humaine. La connaissance des champs thermiques des surfaces de frottement est un enjeu de premier ordre. Dans le cas de mesures sans contact du rayonnement calorifique, elle s'avère difficile du fait de l'émissivité inconnue de ces surfaces, qui varie spatialement et temporellement lors du frottement. Les travaux ont concerné le développement d'une mesure de champs thermiques par thermographie bichromatique dont l'intérêt est d'accéder simultanément à la température et à l'émissivité de surface. Les difficultés résident dans le recalage spatial et temporel de deux imageurs infrarouges, la calibration en flux des caméras et la variation spectrale de l'émissivité. La technique développée a été appliquée à la mesure in situ des champs de température et d'émissivité d'un disque de frein pendant le freinage, et exploitée pour l'analyse des localisations thermiques induites par le frottement et de leurs interactions avec le circuit tribologique, tirant parti de la connaissance de l'évolution spatiale et temporelle de l'émissivité. / In highly dissipative contacts, the energy dissipated by friction leads to severe thermal loads which could have bad consequences on performances, on friction parts durability, on the environment or on human health. Therefore, knowledge of sliding surfaces thermal fields is a first-rate issue. Due to the lack of knowledge about the emissivity of those surfaces, which change both spatially and temporally during friction, measuring thermal fields is difficult. The work done concerned the development of thermal fields measurement by bispectral thermography, which allows to get simultaneously surface emissivity and temperature. The difficulties reside in the spatial and temporal images registration of two infrared cameras, in the camera flows calibration and in the spectral emissivity variation. The technique developed was applied to the in situ fields measurement of temperature and emissivity of a brake disc during braking. It was then used for analysis of thermal locations induced by friction and their interactions with the tribological circus, leveraging the knowledge of the spatial and temporal evolution of the emissivity.

Un nouveau dispositif tactile capable d'enregistrer et de reproduire des scènes tactiles à l'aide de forces tangentielles a été conçu et réalisé sur la base des limites et des exigences du système somatosensoriel humain. Les micro-déformations tangentielles du doigt coulissant sur la texture sont mesurées par le transducteur dans une bande passante de 500Hz et sont reproduites par le déplacement d'une plaque de verre sous l'action contrôlée d'un moteur électrodynamique critiquement amorti. Dans le but d'évaluer la pertinence des signaux sensoriels pour la reproduction d'une scène tactile, les grandeurs physiques qui influent sur la perception tactile humaine ont été étudiées. En utilisant une méthode d'escalier, il a été démontré que des ondelettes avec différentes combinaisons d'amplitude et de durée sont ressenties égales en intensité. Ces résultats suggèrent qu'il existe des quantités physiques communes - des invariants - pour ces signaux auques le cerveau est sensible, ce qui pourrait se rapporter à une constance perceptuelle dans l'exploration d'aspérités. En analysant les forces de frottement créées par un doigt glissant sur une surface dotées de points braille à des vitesses différents, il a été constaté que, bien que la réponse mécanique instantanée varie dans son ensemble, l'intégrale des forces tangentielles locales au cours d'une période de déformation courte reste constante. Ces enregistrements ont ensuite été classés selon leur vitesse et utilisés comme stimuli dans une tâche de comparaison. Les participants devaient glisser leur index sur une plateforme de verre qui vibrait afin de reproduire les points brailles de hauteurs différentes enregistrés à la même. / A new tactile device able to record and reproduce tactile scenes using tangential forces was designed and realized based on the limits and requirements of our somatosensory system. The tangential micro-deformations of the finger sliding on a textured surface can be measured with 500 Hz-bandwidth and reproduced by vibrating a glass plate under the controlled action of a critically damped electrodynamic actuator. In an effort to identify what sensory cues are relevant to tactile sensations for the reproduction of a scene, the physical quantities that influence tactile perception were studied. Using a staircase method, it was demonstrated that tactile wavelets with different combinations of amplitude and duration could be felt perceptually equal in intensity. These results suggested that there are common physical quantities – invariants – for these signals that the brain is sensitive to, which could relate to a perceptual constancy in asperity exploration. By analyzing the friction forces of a finger exploring braille dots with different pressures and velocities profiles, we found that although the mechanical response at a highly localized stimulus varies as a whole, the integral of the local tangential forces during a short deformation period remained constant. These recordings were then categorized by velocity and used as stimuli in a comparison task in which participants explored virtual dots of different heights at different speeds. While sliding on a glass platform which vibrated tangentially to reproduce a braille dot recorded at the same exploration speed, they were asked to report which of the two stimuli was stronger (or ‘higher’), a task that they could successfull.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten resultieren aus dem Ansatz, die theoretisch ableit-baren erheblichen Vorteile der Werkstoffgruppe WPC zur Herstellung von kombinierten WPC-Trag- und Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen industrieller Verkettungssysteme (Stückgutförderer) zu nutzen. Es wurde davon ausgegangen, dass sich die typischen Ver-schleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente: - Abrasivverschleiß - mechanische Überlast und Deformation in den Kontaktstellen - thermisch bedingter Verschleiß durch geeigneten Holzzusatz und –anteil zu höheren Grenzen hin verschieben lassen, indem der anfängliche Abrasivverschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb bzw. den Verschleiß und die Reibungszahl der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Zudem sollen durch diese Werkstoffmischung die negativen Folgen steigender Temperaturent-wicklung auf die Reibpaarung gesenkt werden. Für die Optimierung der WPC-Werkstoffe zum Einsatz in maschinenbautechnischen Anwen-dungen wurden Rezepturen entwickelt, die neben dem verbesserten tribologischen Verhalten gleichfalls durch erhöhte mechanische Festigkeiten aufgrund gezielter Haftvermittlerzugabe gekennzeichnet sind. Einflußgrößen aus Rezeptur und Verarbeitung wurden untersucht, Grundlagenversuche zur Schweißbarkeit durchgeführt. Dabei zeigt sich eine geringere Abhän-gigkeit von Prozeßgrößen, wie Temperaturen oder Drücke in der Fügezone. Die durchgeführten tribologischen Untersuchungen zur Verifikation der Annahme zeigen, daß bei der Verwendung von WPC in hoch belasteten Reibpaarungen ein verbesserter Gleitreibwert bei geringerem Verschleiß im Gegensatz zum reinen Kunststoff vorliegt und somit der Ansatz der Projektzielstellung bestätigt wurde. Für die Übertragung der Erkenntnisse in der Praxis wurde abschließend zusammen mit einem Industriepartner ein vorteilhaftes Profilsystem für einen Stückgutförderer konzipiert und in einer ersten Testanlage geprüft.

Une micro-structuration de surface peut améliorer les propriétés en frottement d’un contact lubrifié grâce à la génération de pression hydrodynamique. Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ANR MicroGaMe, dont l’objectif était de structurer la surface d’une garniture mécanique en acier inoxydable austénitique. Nous avons développé un procédé basé sur l’utilisation des traitements thermochimiques à basse température (nitruration et carburation) assisté par plasmas froids. L’étude des couches obtenues après traitements a permis d’améliorer la compréhension de leur nature et de leur formation et de mettre en évidence la présence de précipités nanométriques. Lors des traitements, une déformation dans la direction perpendiculaire à la surface (appelée « gonflement »), et qui est la conséquence de fortes contraintes internes, peut être utilisée de façon originale comme moteur de structuration. Afin d’obtenir un motif « positif », nous avons traité les échantillons à travers des plaques d’acier percées par laser. La réalisation d’un motif « négatif » (cavité) nécessitant l’utilisation d’un masque discontinu, nous avons testé plusieurs voies de dépôts. La forme et les dimensions spécifiques à la garniture mécanique ne pouvant être obtenu par cette approche, nous avons également développé un procédé de gravure ionique, qui a pu être appliqué avec succès aux pièces à taille réelle / Surface patterning can improve friction properties of a lubricated contact by the generation of hydrodynamic pressure. The objective of the ANR project MicroGaMe was to pattern the surface of a mechanical seal in austenitic stainless steel. We developed a process based on the use of low-temperature plasma-assisted thermochemical treatments (nitriding and carburizing). The study of the treated layers leads to a better understanding of its nature and of the formation mechanisms and also reveals the presence of nanoprecipitates. During the treatments, a deformation occurs in a direction perpendicular to the surface (called “swelling”) as a consequence of high internal stresses, which can be used as an original patterning driving force. To obtain a “positive” pattern, we treated samples through laser-cut steel plates. A “negative” motif (cavitie) requires the use of a discontinuous mask so we tested different deposition techniques. As the specific shape and dimensions needed for the application to a mechanical seal cannot be obtained with this approach, we also develop an ion etching process, which has been successfully applied to real size piece

Les prévisions alarmistes en ressources naturelles encouragent la recherche de solutions alternatives au niveau mondial. Le recyclage devient alors un défi majeur pour la société, en particulier pour les produits dérivés du pétrole comme les huiles de transformateur. Cette étude est basée sur la recherche de nouvelles voies de revalorisation de ces huiles, par l’analyse critique du contexte concurrentiel, des segments de marché potentiels, ainsi que des propriétés physico-chimiques de ces huiles. Nous nous sommes attachés à déterminer l’adéquation des performances et caractéristiques des huiles de transformateur régénérées aux exigences propres au marché de l’usinage et de la mise en forme des métaux. L’usure des matériaux dans le cadre de la lubrification limite et au-delà, est un domaine d’étude complexe combinant la mécanique, la physique du solide, la chimie ainsi que la thermodynamique des phénomènes irréversibles. Dans le cadre de cette étude les performances d’hydrocarbures neufs, usagés (pollué par les Polychlorobiphényls) et régénérés, ayant des propriétés physico-chimiques et rhéologiques proches, sont comparés dans le cadre d’essais sclérométriques et tribométriques sur une fonte à graphite sphéroïdal, matériau de frottement largement employé dans l’industrie du transport. Une séquence de techniques d’analyse de surface est développée afin de caractériser les morphologies des surfaces et quantifier les déformations de matières résultantes du frottement. La complémentarité des essais sclérométriques et tribométriques, qui permettent d’étudier les performances des hydrocarbures dans différents états de contraintes, respectivement de compression et de cisaillement, révèlent les bonnes performances des huiles de transformateurs régénérées. En quantifiant spécifiquement les performances des huiles revalorisée à travers la détermination de paramètres tribologiques classiques, comme les taux de déformations, les coefficients de frottements ou encore les temps d’initiation au grippage. La composition finale de l’huile régénérée, à savoir la longueur des chaines hydrocarbonées, les teneurs en eau et en PCB, conditionne son comportement tribologique. Suite à ce bilan positif portant sur les performances des huiles de transformateur régénérées en usure abrasive et catastrophique, la mise en forme des métaux peut être identifiée comme une nouvelle voie de valorisation matière de ces huiles. / The alarming forecasts of natural resources encourage worldwide the search for alternative solutions. Hence recycling becomes a major challenge for society, especially for petroleum products such as transformer oils. This study is based on finding new ways of valorizing these oils, which is a complex problem that must meet the economic, political, regulatory, environmental and scientific constraints and challenges. A critical analysis of the competitive environment, of the potential market segments, as well as physic-chemical properties of these oils is the basis to determine new ways of revalorization. In this study, we attempted to determine the suitability and performance characteristics of transformer oil regenerated to the specific requirements of the machining and shaping of metals. The wear of materials under boundary lubrication and beyond this regime, is a complex area of study combining mechanics, solid state physics, chemistry and thermodynamics of irreversible processes. In this study the performance of new, used ( polluted by polychlorinated biphenyls ) and regenerated oils with close physic-chemical and rheological properties are compared in scratch test and tribometric with a ductile cast iron, which is friction material widely used in the transportation industry. A sequence of surface analysis techniques is developed to characterize the morphologies of the surfaces and quantify the resulting deformation of the friction material. The complementarity of scratch an tribometric tests for the study of the performance of hydrocarbons in different stress states, respectively compression and shear, reveals the good performances of regenerated transformer oils. This study has allowed discriminating the behavior of various origins oils under conditions of extreme friction, and specifically quantifying the performance of the regenerated oils through the determination of classical tribological parameters such as rate of deformation, friction coefficients or time to seizure. The final composition of the regenerated oils, ie the length and nature of the hydrocarbon chains, the water and PCBs content and the presence of polar molecules, determines its tribological behavior. Thus, the study showed that the performance of regenerated oils increases with the water and PCB content. Following this positive assessment on the regenerated oil performances in case of abrasive and catastrophic wear, machining and shaping of metals can be identified as a new way for regenerated transformers oils.

Le défi de cette thèse est d’utiliser le glycérol, co-produit de la production de biodiesel, pour synthétiser des molécules ayant des propriétés lubrifiantes en restant dans le cadre d’une chimie verte. Cette étude porte sur l’éthérification en deux étapes du glycérol par un alcool par catalyse acide. Les objectifs principaux de ce projet sont donc la synthèse et la purification de mono-, di- et tri-éthers de glycérol (MEG, DEG, TEG), ainsi que l’étude des relations entre leurs structures et leurs propriétés pour des applications lubrifiantes. Les propriétés tribologiques de ces molécules comme modificateurs de frottements pour les lubrifiants ont été évaluées au Centre de Recherches de Solaize (CReS).La formation d’éthers de glycérol par des alcools a déjà été largement étudiée dans la littérature. Pour contourner le problème d’immiscibilité entre le glycérol et les alcools gras, la première éthérification a été réalisée avec un alcool court (6 carbones) et la seconde avec un alcool long (>7 carbones), les mono-éthers de glycérol étant miscibles avec les alcools gras. Ainsi la formation de MEG et DEG avec plus de vingt carbones est rendue possible. Dans ce travail, les paramètres de réaction (ratio entre les réactifs, nature et quantité de catalyseurs, purification) ont été optimisés pour deux réactions modèles. La première réaction est l’éthérification entre le glycérol et le 1-hexanol, et la seconde, l’éthérification entre le mono-hexyl de glycérol obtenu et le 1-hexanol. Une des difficultés principales de ces réactions est la séparation et la purification des différents éthers obtenus, à cause notamment de leurs structures très proches, ainsi que de la présence de sous-produits tels que des oligomères de glycérol. L’optimisation du procédé de purification des produits a donc représenté un des volets importants de cette thèse. Les meilleures conditions de purification déterminées ont permis d’extraire 80% du mono-hexyl éther de glycérol synthétisé du milieu réactionnel brut. L’optimisation des conditions opératoires et de la purification ont permis d’étendre l’éthérification du glycérol à plusieurs autres alcools de structures différentes. Par cette méthode, dix-huit échantillons de mono et/ou di-éthers de glycérol différents ont été obtenus. Chacun de ces échantillons a été testé au Centre de Recherches TOTAL de Solaize en tant qu'additifs modificateurs de frottements pour les lubrifiants. Ces tests ont permis d’établir des corrélations entre la structure chimique des molécules et leurs propriétés tribologiques. / The challenge of this PhD is to use glycerol, by-product of biodiesel production, to generate molecules of interest via green processes. This study is focused on the two step etherification of glycerol with alcohols over acid catalysts. The main prospect of this project is the study of the relationships between the structures of the mono-, di- and tri-ethers (MEG, DEG and TEG) and their properties for lubricant applications. The tribological properties of these products as friction modifiers have been evaluated at the TOTAL Research Center in Solaize. The formation of ethers of glycerol with alcohols has already been widely studied in the literature. To overpass the immiscibility between glycerol and fatty alcohols the first etherification has be performed with a short alcohol as a reactant, while the second has been performed with a fatty alcohol, the previously obtained mono-ethers being miscible with fatty alcohols. Thus, the formation of di- and tri-ethers of glycerol with more than twenty carbons becomes possible. In this work, the reaction parameters (ratio between reactants, the nature and amount of catalyst, and the purification) were optimized for two model reactions. The first reaction was the etherification between glycerol and 1-hexanol and the second was the etherification of the previously obtained MEG with 1-hexanol. One of the main challenges of these reactions is the separation and purification of the ethers, because of their very structures, and the presence of by-products such as oligomers of glycerol or ethers. The optimization of the purification process of the ethers has then been one of the major challenges of this work. The best purification conditions have allowed the extraction of 80% of the synthesized mono-hexyl ether from the reaction medium.The optimization of operating conditions of the various reactions used, as well as the purification of the obtained ethers, allowed the extension of the scope of reaction to several alcohols of different structures. Consequently, eighteen different samples of mono- and/or di-ethers of glycerol have been obtained and tested at the TOTAL Research Center in Solaize as friction modifiers in lubricants. These tests have led to the establishment of relationships between the chemical structure of the molecules and their tribological properties.

This diploma thesis deals with the addition of automotive fuels and their effects. The aim was to evaluate the function and efficiency of fuel additives present in the fuel at gas stations, and subsequently to improve the fuels accordingly by adding additional individual chemical compounds. The theoretical part explains the concepts, functions and processes related to fuel additives and the basics of tribotechnology. The practical part deals with the process of testing the properties of fuels, their functions, additional additives and its impact for practical use.

This diploma thesis deals with experimental study of the effect of surface grooves on distribution of lubricant film in elastohydrodynamic lubricated point contact. Lubricant film thickness was measured by ball-on-disc apparatus using an optical interferometry technique - thin film colorimetric interferometry. The effects of groove geometry, lubricant and operating conditions were studied in this diploma thesis. The effects of these variables are evaluated based on newly suggested parameter Rgi (groove influence ratio). Groove influence ratio is defined as an influenced film thickness influenced by groove divided by film thickness for smooth surfaces.

This thesis deals with the experimental study of the formation of the lubricating film used for sintered metal parts impregnated with oil. The thickness of the lubricating film in a line contact is measured by the method of optical interferometry of thin lubricating films. In this thesis, the effects of various operating parameters on the formation of the lubricating film are described. The usage of impregnated lubricant leads to insufficient supply of lubricant to the contact. Individual results are significantly influenced by the degree of flooding of the contact area.