Ces travaux de thèse portent sur l’élaboration et la caractérisation de revêtements sol-gel composites ≪ CSG ≫ sur acier inoxydable austénitique AISI 304. L’objectif de la thèse était de mettre au point le procédé d'élaboration et d'étudier les propriétés mécaniques et le comportement tribologique des revêtements. La première partie expérimentale présente l’optimisation des conditions de synthèse d’un sol d’alumine stable et l’influence du traitement thermique du gel sur les propriétés physico-chimiques et thermostructurales. Les paramètres étudiés sont : La stabilité chimique du sol et les conditions de traitement thermique (température et temps). Différentes techniques de caractérisations ont été utilisées pour l'optimisation des paramètres d'élaboration (rhéométrie, ATD/ATG, dilatométrie, DRX, MET, pynométrie hélium). Un dopage au nitrate de fer a permis d'améliorer les conditions de frittage de l'alumine sol-gel grâce à la formation d'une solution solide (Al,Fe)2O3. Cela reste cependant insuffisant pour une application du revêtement sur le substrat acier. La seconde partie concerne l’élaboration et la caractérisation mécanique de revêtements sol-gel composites ≪ CSG ≫ charges de particules d’α-Al2O3 et de h-BN. Ce procédé a permis d'obtenir par dip-coating des dépôts monocouches de 8,5 micromètres environ avec des taux de charge de 90% volumique. Cependant, un tel taux de charge provoque la création d’une porosité importante. Les couches CSG traitées thermiquement à 750°C ont par la suite été caractérisées mécaniquement par indentation instrumentée. Les résultats obtenus ont montré une trop faible dureté des couches pour pouvoir améliorer la résistance à l'usure. La dernière partie de la thèse concerne le renforcement des revêtements CSG après traitement à l'acide phosphorique et traitement thermique à 400°C. La formation de liaisons phosphates entre les grains d'alumine renforce l'architecture du composite qui est note CB-CSG ≪ Chemically Bonded Composite Sol-Gel ≫. Des essais d'indentation instrumentée montrent, pour des revêtements CB-CSG charges d’alumine, une amélioration de la dureté par rapport au substrat en acier. Des essais de frottements secs en configuration bille sur plan montrent une augmentation de la résistance aux frottements secs d’un facteur 5 et une diminution du coefficient de frottement par rapport au substrat. L’influence du nitrure de bore hexagonal dans les couches CB-CSG en plus de l'alumine a été étudiée en particulier en ce qui concerne les propriétés mécaniques et tribologiques. / This thesis focuses on the elaboration and the characterization of composite sol-gel coatings “CSG” on austenitic stainless steelAISI 304. The aim of the thesis is to develop the process and to study the mechanical properties and tribological behavior of thecoatings. The first experimental part presents the optimization of the synthesis conditions of a stable alumina sol and the influence of the thermal treatment of the gel on the physic-chemical and thermostructural properties. The studied parameters are: The chemical stability of the sol and the thermal treatment conditions (temperature and time). Various characterization techniques are used in order to optimize the elaboration parameters (rheometry, DTA / TGA, dilatometry, XRD, TEM, helium pycnometry). A Doping with iron nitrate has improved the sintering conditions of the sol-gel alumina through the formation of a solid solution (Al,Fe)2O3. However, this remains insufficient for an application of the coating on the steel substrate. The second part concerns the elaboration and the mechanical characterization of composite sol-gel coatings "CSG" filled with particles of α-Al2O3 and h-BN. This process enables the deposition by dip coating of monolayer coatings of 8.5 micrometers thickness with fill rate of 90% by volume. However, such filler content produces a high porosity. The CSG layers thermally treated at 750°C have been mechanically characterized by instrumented indentation. The results shown to low hardnesses in order to improve the wear resistance. The last part of the work presents the strengthening of CSG coatings with a treatment with phosphoric acid followed by a thermal treatment at 400°C. The formation of phosphate bonds between the alumina grains enhances the architecture of the composite which is denoted CB-CSG "Chemically Bonded Composite Sol-Gel". Instrumented indentation tests show, for CBCSG coatings filled with alumina, an improvement of hardness compared to the steel substrate. Dry friction tests, with ball on disc configuration, show an increase of resistance to dry friction by a factor of 5 and a decrease of the coefficient of friction relatively to the substrate. The influence of the hexagonal boron nitride and of the alumina in the CB-CSG layers on the mechanical and the tribological properties are particularly studied.

Dans ce manuscrit, nous mesurons la réponse mécanique à l’échelle nanométrique de divers systèmes issus de la matière molle en utilisant un microscope à force atomique basé sur un diapason à quartz. Utilisé comme un nano-rhéomètre, cet instrument permet une mesure quantitative des propriétés viscoélastiques des matériaux et des processus frictionnels et dissipatifs aux nanoéchelles. Nous montrons d’abord que les liquides ioniques confinés aux nanoéchelles peuvent subir un changement dramatique de leurs propriétés mécaniques, suggérant une solidification capillaire. Cette transition est favorisée par la nature métallique des interfaces confinantes, montrant la présence d’effets électrostatiques subtils dans ces électrolytes denses. Nous étudions ensuite les mécanismes de plasticité à l’échelle atomique en mesurant la réponse viscoélastique de jonctions d’or de quelques atomes de diamètre. Nous mettons en évidence une transition sous cisaillement entre un régime élastique, puis plastique, jusqu’à la liquéfaction complète de la jonction. Nous caractérisons ainsi de manière fine les mécanismes de plasticité dans ces systèmes moléculaires. Finalement, nous montrons les effets profonds que les interactions à l’échelle nanométrique peuvent avoir sur le comportement macroscopique de la matière molle. Nous mesurons le profil frictionnel entre paires de particules de suspensions de PVC et de maïzena. Nos mesures mettent en lumière le rôle dominant des interactions locales entre particules dans la rhéologie non-newtonienne des suspensions. / In this manuscript, we use a tuning fork based atomic force microscope to measure the mechanical response of various soft matter systems at the nanoscale. This instrument is used as a nano-rheometer, allowing quantitative measurements of viscoelastic material properties, and unprecedented characterization of friction and dissipation at the nanoscale. First, we show that ionic liquids can undergo a dramatic change in their mechanical properties when confined at the nanoscale, pointing to a capillary freezing transition. This transition is favored by the metallic nature of the confining substrates, suggesting the occurrence of subtle electrostatic effects in those dense electrolytes. Second, we probe plasticity at the individual atomic level, by measuring the viscoelastic rheological response of gold junctions of few atoms diameter. For increasing shear, we uncover a transition from a purely elastic regime to a plastic flow regime, up to the complete shear-induced melting of the junction. Our measurements give unprecedented insights on the plastic mechanisms at play in those molecular systems. Finally, we show that nanoscale interactions can have profound effects on the macroscopic behavior of soft materials. Focusing on the nonnewtonian flow behavior of concentrated suspensions of particles, we measure the nanoscale frictional force profile between pairs of particles of PVC and cornstarch suspensions. Our measurements highlight the dominant role of local interparticle interactions on the macroscale rheology of suspensions.

Ce travail consiste à de étudier les mécanismes survenant lors du frottement de surfaces textiles pileuses, en particulier dans les conditions du toucher humain. Le but final est de proposer une méthode permettant de concevoir des surfaces textiles qui aurait le toucher demandé. La première étape a été d'établir un modèle de frottement, et ensuite de le valider au moyen d’un tribomètre développé au laboratoire et enfin de l'appliquer à des surfaces textiles industrielles. Nous avons pu montrer que la force tangentielle à l'avant du frotteur est proportionnelle à la largeur de celui-ci et a une origine essentiellement mécanique, alors que la force sous le frotteur est proportionnelle à l’aire de contact entre le frotteur et la surface textile et est de nature mécanique (déformation de la surface) et adhésive. Nous avons pu alors définir et déterminer les contraintes de frottement à l’avant et sous le frotteur, caractéristiques de l’étoffe textile utilisée pour une charge normale fixe. La dépendance de la force de frottement à la vitesse de glissement a été mise en évidence. Une étude portant sur le frottement de macro-surfaces pileuses modèle a été réalisée pour expliquer cette viscosité. Des essais de frottement analogues à ceux de l’étude menée sur les surfaces réelles ont été réalisés. En faisant varier les paramètres cinématiques de l’essai ainsi que les propriétés physico-chimiques des fibres, nous avons pu déterminer que l'origine de la viscosité observée sur les surfaces textiles réelles provient majoritairement du frottement inter-fibres d’origine physico-chimiques. / This work is to study the mechanisms occurring during friction of hairy textile surfaces, especially in terms of human touch. The final aim is to offer a method for designing textile surfaces with the required touch. The first step was to establish a model of friction, and then to validate it by means of a tribometer developed in the laboratory and then apply it to industrial textile surfaces. We have shown that the tangential force in front of the slider is proportional to the width of this one and has essentially a mechanical origin, while the friction under the slider is proportional to the contact area between the slider and the textile surface and is of a mechanical nature (surface deformation) and adhesive. We could then determine and define the friction stress in front and under the slider, characteristic of the textile fabric used for a fixed normal load. The dependence of the frictional force to the sliding velocity was highlighted. A study on the friction of model hairy macro-surfaces was performed to explain this viscosity. Similar tests to those of the friction study on real surfaces were performed. By varying the kinematic parameters of the test and the physico-chemical properties of the fibers, we were able to determine that the origin of the viscosity observed on real textile surfaces mainly comes from inter-fiber friction with physicochemical origin.

Les garnitures mécaniques sont des composants d'étanchéité d'arbres tournants fréquemment rencontrés dans les applications industrielles. Une garniture est constituée de deux surfaces planes annulaires dont le contact est lubrifié par le fluide dont il faut assurer l'étanchéité. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. Dans ce cas, le film fluide n'est pas complet et des zones de contact apparaissent. Une analyse bibliographique approfondie a permis de justifier le recours à une approche déterministe pour notre étude. Cela nécessite de caractériser correctement les surfaces rugueuses et de pouvoir les reproduire par simulation numérique. Une étude métrologique a été menée sur des échantillons de garnitures mécaniques à plusieurs stades de fonctionnement. Ainsi, les valeurs des paramètres statistiques de la rugosité de ces surfaces ont pu être déterminées. Un modèle numérique de génération de surface rugueuse non Gaussienne a été développé. Un modèle d'écoulement déterministe de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Il inclut la cavitation dans le fluide et le contact normal hertzien des aspérités. La résolution de l'équation de conservation du débit est entreprise au moyen de la méthode des volumes finis. Une étude paramétrique a été réalisée pour quatre surfaces statistiquement équivalentes et représentatives d'un état de surface rodé. Le modèle met en évidence la génération de portance due à la rugosité, bien que les surfaces moyennes soient planes et parallèles. Des courbes de Stribeck ont été tracées pour chaque cas étudié. L'écart-type de la hauteur des rugosités est le paramètre ayant le plus d'influence sur les résultats. De plus, le développement de la microcavitation, qui dépend étroitement de l'agencement de la rugosité, a une grande importance dans la modélisation.

Le déplacement d'une pointe rigide sur la surface d'un polymère peut générer un glissement élastique ou une rayure plastique selon les conditions d'essais. La rayure de surfaces de polymères est accompagnée d'un relâchement élastique qui recouvre une partie du contact dorsal. Ce retour, dû à l'élasticité de ces matériaux, dépend du taux de plasticité dans le contact, et devient quasi symétrique lorsque le contact est glissant. Un dispositif d'essai de glissement-rayure développé au laboratoire permet de mesurer le frottement apparent lors du déplacement de la pointe, tout en ayant l'échantillon placé dans une enceinte thermique. Un dispositif de vision in-situ permet d'analyser l'aire réelle de contact entre la pointe rigide et la surface de l'échantillon. Le frottement apparent comporte une part de frottement vrai et une part d'obstacle due à l'écoulement viscoélastique et/ou viscoplastique de la matière. L'évaluation du frottement vrai local se fait à partir du frottement apparent et de la géométrie de contact accessible grâce à la vision in-situ, par un modèle de lignes d'écoulement autour de la pointe rigide qui permet de s'affranchir de la part déformation du frottement apparent. L'évolution du frottement vrai en fonction du taux de plasticité (nature de la réponse du contact) a montré que le passage entre un contact élastique et élastoplastique est accompagné d'un saut de frottement que l'on attribue à l'hystérésis d'adhésion.

Les lubrifiants à base aqueuse sont très largement utilisés dans les procédés de mise en forme des métaux comme le tréfilage, car ils combinent d'excellentes capacités calorifiques à de bonnes propriétés tribologiques. L'objectif de ces travaux est d'établir le lien entre l'organisation des molécules en solution dans le lubrifiant et son pouvoir lubrifiant. La démarche expérimentale consiste à déterminer les propriétés structurales et tribologiques d'un système modèle aqueux, composé d'acides gras et d'éthylène diamine, principaux ingrédients des lubrifiants. Le diagramme de phases du système modèle est établi en s'appuyant sur des techniques de microscopie optique de polarisation, diffusion des rayons X aux petits angles (DXPA) et cryofracture. Pour un rapport molaire entre la diamine et les acides gras supérieur à 1, une succession de phases lamellaire, hexagonale et micellaires, biréfringente sous écoulement et isotrope, est observée avec la dilution. Une attention particulière est accordée à la phase lamellaire qui présente des défauts à l'approche de la transition vers la phase hexagonale. Les analyses réalisées en DXPA, cryofracture et Résonance Magnétique Nucléaire relient leur existence à une modulation de l'épaisseur de la bicouche et une augmentation de la courbure liées au couplage entre les acides gras et les contre-ions amines. Les propriétés lubrifiantes de l'ensemble de ces phases sont également comparées à l'aide d'un tribomètre qui réalise un contact entre un disque et une bille sous une cinématique de contact contrôlée, en régime de lubrification élastohydrodynamique. En plus des mesures de frottement, l'observation simultanée du contact permet de suivre la formation du film lubrifiant entre les surfaces et son évolution. L'influence de l'organisation supramoléculaire du lubrifiant sur son comportement est mise en évidence : les échantillons présentant une organisation lamellaire fournissent les meilleurs résultats en termes de réduction du frottement. L'organisation en bicouches de la phase lamellaire au sein du contact et ses propriétés piézovisqueuses peuvent expliquer sa portance accrue et sa prédisposition naturelle à la réduction du frottement.

L'implantation ionique de carbone et d'oxygène dans le titane a pour conséquence d'améliorer certaines de ses propriétés superficielles et peut donc être utilisée comme traitement de surface pour les alliages de titane. Cette étude profite du récent développement d'une nouvelle technologie d'implantation basée sur l'utilisation de micro-accélérateurs de particules qui permettent l'implantation d'ions multichargés (jusqu'au C4+ et O4+). L'objectif de la thèse a été dans un premier temps de réaliser un faisceau d'ions carbone multichargés chimiquement pur à l'aide d'un micro-spectromètre de masse. Les modifications microstructurales induites par l'implantation de ces ions dans Ti-6Al-4V ont été analysées par différentes techniques. Des tests de dureté par nanoindentation et de tribologie ont également été effectués montrant qu'une fluence d'implantation seuil est nécessaire pour obtenir une amélioration significative des propriétés tribologiques. Ces améliorations sont corrélées avec la présence d'amas graphitique et de carbone amorphe. De plus, il a été montré que la présence d'oxygène limite très rapidement les performances tribologiques.

Ce travail s'intéresse au renforcement mécanique de films lubrifiants auto-assemblés en milieu aqueux par réticulation. Deux stratégies ont été suivies. La première consiste à réticuler physiquement un film de tensioactifs cationiques par coadsorption d'un copolymère associatif anionique. La deuxième est de réticuler chimiquement un film de copolymères triblocs par la création de liaisons covalentes entre les différentes macromolécules. Nous étudions l'auto-assemblage des films par microbalance à cristal de quartz et microscopie à force atomique (AFM). Nous discutons ensuite les effets de la réticulation sur la morphologie des films (caractérisée par AFM), et sur leurs propriétés mécaniques mesurées avec l'appareil à mesure de force SFA-nanotribomètre. Cette étude a montré que dans les deux cas, la réticulation modifie les propriétés des films lubrifiants et permet une augmentation de la cohésion des films adsorbés.

Le but de ce travail est l'analyse du rôle des assemblages moléculaires du fluide synovial dans le fonctionnement tribologique d'une articulation naturelle saine et prothésée. Pour cela un modèle ex vivo réaliste reproduisant les caractéristiques mécaniques et physicochimiques d'une articulation naturelle a été conçu et exploité. <br />Ce modèle reconstitue ex vivo les propriétés mécaniques et physico-chimiques des cartilages articulaires en utilisant un matériau polymérique de type hydrogel. <br />Le modèle reconstitue aussi ex vivo les assemblages moléculaires du fluide synovial (multicouches lipidiques et vésicules du gel synovial) en utilisant des techniques de physique nanostructurale comme le dépôt lipidique par éclatement de vésicules et par la co-adsorption des micelles, la fabrication des liposomes et la microscopie de force atomique. L'évolution de ces assemblages moléculaires est visualisée in situ, au cours d'essais de frottement, par microscopie optique en fluorescence obtenue avec des marqueurs moléculaires. <br />Les résultats expérimentaux corrélés avec un modèle numérique des multicouches lipidiques (dynamique moléculaire) permettent de localiser où et comment s'effectue le glissement dans les assemblages moléculaires de la synovie ce qui contribue à expliquer l'origine des valeurs de frottement mesurées. Par exemple, si le glissement se localise dans le gel synovial le coefficient de frottement est de 0.15, alors qu'il n'est que de 0.0015 lorsqu'il se localise dans les multicouches lipidiques. <br />Sur le plan appliqué, d'autres résultats montrent que l'hydrogel, simulant le cartilage, favorise la formation et le maintien des multicouches lipidiques, ce qui n'est pas le cas avec l'acier et le polyéthylène des implants. Cela permet d'expliquer les différences de comportement tribologique dans les deux cas. Enfin, la mise en évidence d'une interdépendance entre les propriétés mécaniques et les propriétés physicochimiques de l'hydrogel a été exploitée pour comprendre des phénomènes mécaniques (variation du module d'élasticité, usure....) liées à l'évolution des pathologies.

Die vorliegende Forschungsarbeit resultierte aus dem Ansatz, die theoretisch ableitbaren Vorteile der Werkstoffgruppe WPC (Wood Polymer Composite) zur Herstellung von Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen (z.B. Gleitschienen in Stückgutförderern) zu nutzen. Diesem Ansatz lag der Gedanke zu Grunde, dass der anfängliche abrasive Verschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb und den Reibwert der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Im WPC würde damit eine Funktionstrennung zwischen „tragendem“ Holz und „schmierendem“ Kunststoff vorherrschen. Darauf aufbauend erschien die These zulässig, dass sich im tribologisch aktiven Maschinenteil (Gleitschienen) die typischen Verschleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente wie einer starke Abrasion der Reibpartner, mechanische Überlast und damit Deformation in den Kontaktstellen und thermisch bedingter Verschleiß durch Temperaturstau in der Reibzone durch gezielten Holzzusatz in eine Kunststoffmatrix minimieren bzw. zu höheren Grenzen hin verschieben lassen. Diese These wurde in verschiedenen tribologischen Untersuchungen an spritzgegossenen und extrudierten Versuchskörpern grundlegend bestätigt. Die dargestellten Ausführungen zu den Untersuchungen gliedern sich inhaltlich in drei Schwerpunkte. Im ersten Punkt werden die Ergebnisse aus einfachen Tests zum grundlegenden Reibungsverhalten von WPC unter Nutzung des Stift–Scheibe–Versuches und einer nach praxisnahen fördertechnischen Anforderungen konzipierten Versuchseinrichtung vorgestellt sowie in den Stand der Technik eingeordnet. Die Praxisnähe der Versuche wird dabei durch die Probeauswahl weiter erhöht, indem Versuchskörper aus extrudierten Halbzeugen (Terrassendecks aus kommerziellen WPC) und Segmenten aus Förderketten ausgewählt werden. Die daraus resultierenden Aussagen ermöglichen erste Erkenntnisse hinsichtlich des dynamischen Reibwertes des WPC im relevanten tribologischen Belastungsspektrum für Gleitschienen. Im zweiten Punkt wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, eine Betrachtungsweise vorgestellt, die neben dem Reibwert Aussagen zum Verschleißverhalten beinhaltet und eine vereinfachte Möglichkeit bietet, mittels des „Tribologiewertes“ die gewonnenen Erkenntnisse in einer praxisnahen Sichtweise darzustellen. Zudem wird die Versuchsmatrix hinsichtlich der verwendeten Parameter (Reibpartner, Reibgeschwindigkeit, theoretischer Flächenpressung) konkretisiert und erweitert. Die vorgestellte Betrachtungsweise und das verwendete Parameterfeld werden an spritzgegossenen Proben aus tribologisch „bekannten“ Materialien (Stand der Technik) und den Bestandteilen des untersuchten WPC (PP, PE, Fichte) überprüft. Weiterhin wird an vergleichbaren Proben aus WPC (50% PP / 50% Weichholz Fichte/Tanne) das tribologische Verhalten des Holzkunststoff - Verbundes klassifiziert. Dieses Verhalten wird hinsichtlich der tribologisch „bekannten“ Materialien in den Stand der Technik eingeordnet und eine These zum Wirkmechanismus bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens von WPC vorgestellt. Der dritten Punkt beinhaltet vertiefende Untersuchungen an spritzgegossenen Proben aus WPC mit 50% Weichholz und 50% PP - Matrix hinsichtlich des Einflussesder Spritzrichtung bzw. Holzpartikelorientierung, einer Wasserlagerung, der Konzentration des Haftvermittlers, einer Oberflächenbearbeitung. Weiterhin werden Aussagen zum Reibungs- und Verschleißverhalten von WPC mit PE-Matrix an spritzgegossenen Proben erarbeitet und eine erste Gegenüberstellung der Herstellungsverfahren Spritzguss und Extrusion vorgenommen. Die Untersuchungen ermöglichten in Summe das Gleitreibungs- und Verschleißverhalten des WPC grundlegend aber nicht vollständig zu charakterisieren. Die tribologischen Betrachtungen zur Werkstoffgruppe WPC stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Die dargestellten Ergebnisse sind somit zudem als Startpunkt eines wissenschaftlichen Diskurses zu sehen.