Des carbones dérivés de carbures à porosité monodisperse et nanocentrée autour de 0,6 nm ont été préparés par fluoration de carbures via l'arrachement sélectif de l'élément métallique et le maintien de l'empreinte carbonée initiale. Les carbures précurseurs ont été choisis parmi deux des classes de carbures à savoir interstitiels pour le carbure de titane et de niobium et covalents pour le carbure de silicium. La fluoration directe procédant sous flux d'une atmosphère de fluor pur apparait comme étant la seule méthode de fluoration apte à déstabiliser les poudres cristallisées. Appliquée au carbure de titane, des matériaux à teneur variable en carbone et en trifluorure de titane ont été obtenus et caractérisés structuralement par Diffraction des Rayons X quantitative, spectroscopies IR et Raman et leur texture sondée par Microscopie Electronique à Balayage et à Transmission et isothermes d'adsorption à l'azote à 77K. Ils ont aussi été évalués comme matériau d'électrode de supercondensateurs. La fluoration du carbure de silicium pour la stabilisation d'une phase carbonée est plus difficile et seule l'abaissement de la cristallinité du carbure par l'utilisation d'une mise en forme de type couche mince combinée à une méthode de fluoration alternative par décomposition de l'agent fluorant XeF2 ont permis d'obtenir une couche mince de carbone nanostructurée valorisable comme lubrifiant solide et aux propriétés de mouillabilité modulables.

Abstract des Vortrages: Die Wirkungstiefe einer Reibungsbeanspruchung von Werkstoffen reicht von wenigen Mikrometern bis zu etwa einem Millimeter. Die Randschicht der Werkstoffe sollte entsprechend angepasst sein. Durch Reibung beanspruchte Werkstoffe verschleißen in Abhängigkeit von den Systemeigenschaften des tribologischen Systems durch vier Elementarmechanismen, Adhäsion, Abrasion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung. Das Gefüge in der Randschicht muss so eingestellt werden, dass Adhäsion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung weitestgehend unterdrückt sind und der abrasive Mechanismus im Gleichgewichtszustand des Tribosystems eine minimale konstante Rate aufweist. Beschichtungen bestehen meist aus einer harten Schicht auf einem weicheren Untergrund, die bei stärkerer Beanspruchung zerstört wird. Bessere Eigenschaften sind zu erwarten, wenn in der Randschicht des Werkstoffes Veränderungen vorgenommen werden, die einen kontinuierlichen Übergang zum Grundwerkstoff bewirken. Von besonderem Interesse ist dabei das Umschmelzlegieren mit dem Elektronenstahl (EBUL). Damit lassen sich lokal Reibungskoeffizient, Verschleiß- und Korrosionswiderstand oder die thermische Leitfähigkeit durch Zulegieren von Elementen oder Dispergieren von Hartstoffpartikeln entsprechend der Beanspruchung verändern. In Studien wurde gezeigt, dass EBUL zu signifikant höheren Härten in der Randschicht führt, welche den Verschleißwiderstand erhöhen. Die Härtesteigerung kann durch den Volumenanteil der zulegierten Elemente eingestellt werden. Die Härte des umschmelzlegierten Gefüges steigt mit zunehmendem Anteil von Ausscheidungen und intermetallischen Phasen. Die Härte wird weiterhin durch die Größe und Verteilung der Ausscheidungen und Phasen bestimmt.

Réduire l'énergie générée par le frottement et dissipée dans les systèmes mécaniques réels est un des challenges actuels en tribologie. Ce point représente une importance toute particulière dans le domaine des transports terrestres. En réponse à cette nécessité, les constructeurs automobiles se concentrent sur la réduction de la consommation d'énergie en sélectionnant des lubrifiants et des matériaux appropriés d'une part et les systèmes mécaniques performants d'autre part. Grâce à leurs propriétés physiques et tribologiques en termes de réduction de la friction et de l'usure, les couches minces de DLC (Diamond-like Carbon) sont considérées comme l'une des solutions. Le comportement tribologique de couches minces de ta-C (carbone amorphe très dur dépourvu d'hydrogène) et de a-C:H (carbone amorphe hydrogéné) est ici exploré. D'autre part, des "lubrifiants verts" et des additifs participant aussi à la réduction du frottement et de l'usure sont testés. Ces essais sont effectués dans différentes conditions en utilisant une nouvelle méthodologie expérimentale. Le tribomètre dynamique oscillant développé au LTDS possède la capacité de quantifier avec une très grande précision et sans recourir à une quelconque mesure de force, des niveaux de frottement faibles (dans la gamme 10 - 5 à 10 - 2), et permet en plus d'identifier différentes contributions du frottement. Dans un premier temps, une loi de frottement linéaire a été utilisée afin d'évaluer deux contributions de frottement. La première, μ0 est le coefficient transitoire de frottement quand la vitesse s'annule au changement de direction (du type frottement de Coulomb). La seconde, μ1, est une contribution dépendante de la vitesse de glissement. Ensuite, une étude numérique a été réalisée en appliquant une loi de frottement quadratique afin de mieux comprendre l'aspect dynamique des réponses libres. Cela nous a permis d'étudier numériquement la décroissance d'amplitude des oscillations déterminée grâce à la méthode de moindres carrés. Nous nous intéressons aussi à l'étude des formes de l'enveloppe de ces oscillations en relation avec le modèle de frottement. Les résultats numériques et expérimentaux pour les lois de frottement linéaire et quadratique sont ensuite comparés. En complément, nous avons mesuré la force tangentielle correspondant aux tribosystèmes testés. Finalement, nous avons étudié numériquement un système dynamique masse-ressort à un degré de liberté, modélisé par la loi de frottement LuGre. Cette loi est décrite par le phénomène d'hystérésis et l'effet de décalage de temps qui ont été détectés expérimentalement. Les résultats expérimentaux obtenus avec le tribomètre oscillant montrent qu'ils sont qualitativement comparables à ceux obtenus en configuration classique cylindre-plan, travaillant à vitesse de glissement constante. Dans tous les cas, les résultats montrent la supériorité du tribosystème ta-C/ta-C dans la réduction du frottement μ0. De plus, les résultats numériques et expérimentaux sont cohérents. Cette étude montre qu'une loi de frottement quadratique est capable de décrire correctement toutes les formes d'enveloppes obtenues expérimentalement : droite, convexe, concave et une combinaison des formes convexe et concave.

Le "gold-standard" du traitement chirurgical des scolioses est l'arthrodèse, qui consiste, à l'aide d'une instrumentation adaptée, à corriger et redresser les déformations scoliotiques, puis fusionner les vertèbres du segment pathologique afin de consolider la correction réalisée. Cette fusion entraine la destruction de la biomécanique physiologique du rachis, en supprimant sa mobilité et sa croissance. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse portent sur le développement et la validation d'un nouveau concept d'instrumentation rachidienne ayant pour objectifs de réduire voire d'arrêter l'évolution des déformations rachidiennes, en conservant croissance et mobilité. Ce nouveau dispositif a nécessité une étude biomécanique large, partant du concept nouveau de cet implant, passant par la mise au point d'une méthodologie expérimentale, la conception et la réalisation de prototypes, puis leur validation à travers des études numériques, mécaniques, tribologiques et in vivo sur gros animal. La caractérisation in vitro du dispositif porte sur des essais mécaniques de caractérisation de matériau et des essais tribologiques de caractérisation du frottement. La caractérisation in vivo consiste en deux études menées sur gros animal, le modèle de porc Landrace, une première sur l'étude de l'arrachement de vis pédiculaires, puis une seconde, de validation de concept, avec 2 mois d'implantation du montage. Les premières conclusions tirées de ces travaux sont positives quant au bon fonctionnement du système. Des études en cours et à venir permettront de compléter ces résultats, et de valider le système dans son ensemble, afin de permettre sa future mise sur le marché. / The "gold standard" of surgical treatment of scoliosis is arthrodesis, which, with an appropriate instrumentation, corrects and straightens the deformities and fuses the vertebra of the pathologic segment to consolidate the correction. This fusion leads to the destruction of the physiological biomechanics of the spine, destroying growth and mobility. The work done in this thesis focuses on the development and validation of a new concept of spinal instrumentation which objectives are to reduce or even stop the development of spinal deformities, maintaining growth and mobility. This device is composed of materials used in new ways, leading to friction issues that do not exist in the current spinal systems. Thus, the system required a large biomechanical study, starting from the new concept of this implant, carrying on the development of an experimental methodology, designing and prototyping and then validation through numerical, mechanical, tribological and large animal in vivo studies. In vitro characterization of the device involves characterization of material through mechanical tests, and characterization of the tribological behavior of the system. In vivo characterization consists of two studies on large animal, the Landrace pig model : a first one on pedicle screws pullout, and a second one with 2 months of implantation, to validate the concept. The initial findings from this work are positive about the correct behavior of this system. Ongoing and future studies will complement those results, and validate the system as a whole, to allow future marketing.

The goal of the thesis is to find the way how to apply use-wear analysis as well as functional analysis to archaeological assemblages of selected artefacts from Central European archaeological contexts, namely lithics (chipped stone artefacts) and obtain the greatest potential from the analysis. Thesis consists of: current state in the field of functional studies research worldwide, method of use-wear application in connection with material science knowledge, especially tribology. Use-wear analysis is applied to the selected lithic artefacts from Paleolithic to Eneolithic Periods. The results of this work are based on the following microscopic approaches: low power approach (LPA), high power approach (HPA), scanning electron microscopy (SEM) and confocal laser scanning microscopy (CLSM). There are described and stated differences in potential of above mentioned approaches in connection with specific archaeological artefacts (assemblages of artefacts). The question answered in the conclusion is how to apply the above mentioned methodological approaches in application to various archaeological materials (period, number, context etc.) to obtain the greatest informational potential from the material analysed. Work is concluded with specific terminology from the field of tribology and use-wear analysis...

Cette thèse porte sur la question de la perception des systèmes d’appuis situés à l’intérieur des transports publics urbains, premières interfaces entre l’usager et le matériel roulant, en vue d’améliorer leur confort. Une exploration a été effectuée afin d’objectiver le toucher des surfaces et tenter de caractériser instrumentalement l’interaction entre le voyageur et la surface d’appui, réduit à un toucher tangentiel et à un contact plan/plan. L’étude, liant tribologie et évaluation sensorielle, montre la difficulté inhérente à la mesure des sensations. Des tendances ont été observées entre les données tribologiques et sensorielles et encouragent à poursuivre dans cette voie. En outre, la question du confort est abordée de manière globale et un nouveau cadre d’étude est proposé. Les réflexions initiées ici souhaitent ouvrir la voie vers une nouvelle approche de la conception, l’approche anthropocentrée, venant compléter la vision actuelle très technocentrée du milieu ferroviaire. / This thesis aims to improve passenger comfort in urban public transports by focusing on the perception of supports in the passenger compartment, which are the primary interfaces between the traveler and the rolling stock. An exploration was carried out in order to objectify the touch of surfaces and try to characterize instrumentally the interaction between the passenger and the support, reduced to a tangential touch and a planar contact surface. The study, linking tribology and sensory evaluation, shows the inherent difficulty of the measure of sensations. Tendencies have been observed between tribological and sensory data and encourage to continue on this path. In addition, the notion of comfort is addressed in a comprehensive manner and a new framework is proposed. The reflections initiated in this research wish to pave the way for a human-centered approach for conception, completing the current vision that is very technocentric in the rail environment.

Ce travail de thèse Cifre, réalisé dans le cadre de la collaboration avec la société Elbi, porte sur la modélisation de la géométrie et de la cinématique du système vis à rouleaux. Ce travail analyse la cinématique et la géométrie du mécanisme de vis à rouleaux satellites (RSM) pour fournir une base fondamentale pour soutenir ses diverses applications. Un modèle 3D du système vis à rouleaux est développé. Un code numérique a été développé en fonction de la géométrie et la cinématique du système de vis à rouleaux. Le champ d’effort et le champ de pression en fonction des défauts de forme et de la géométrie sont obtenus dans ce travail. Ensuite, un modèle 3D du moment de frottement dans le contact entre les surfaces de la vis à rouleaux est développé. La vitesse de glissement et la force de frottement se produisant entre vis/rouleau et entre rouleau/écrou a été calculé conformément à la cinématique, la géométrie et les erreurs de forme. L’efficacité, les pertes par frottement et la durée de vie du mécanisme de la vis à rouleaux en fonction des défauts de forme, de la cinématique et de la géométrie sont obtenues. Ces résultats numériques montrent le rendement important du système de vis à rouleaux en fonction des défauts de forme (autour de 97%). Par ailleurs, une partie expérimentale a été faite sur un banc d’essais électromécanique en collaboration avec le laboratoire Ampère d’Insa de Lyon afin de comparer les résultats expérimentaux avec les résultats théoriques. Ces expériences nous permettent de découvrir plusieurs sources de pertes de frottement dans l’ensemble du banc d’essais, ce qui confirme le faible rendement obtenu expérimentalement (autour de 50 %) pour tout l’ensemble (vérin électromécanique, réducteur). Quelques optimisations ont été effectuées pour améliorer l’efficacité de l’ensemble. Mais il reste difficile de quantifier l’efficacité de système (vis-rouleaux-écrou) expérimentalement. Pour cela, des essais manuels effectués en utilisant le système vis à rouleaux seul confirme les résultats numériques. Une autre partie expérimentale (en utilisant les machines MTM et HFRR) a été faite afin d’obtenir l’influence du lubrifiant sur le coefficient de frottement. Quatre huiles de différentes caractéristiques ont été utilisées. Ces huiles ont été utilisées sur le banc d’essais, mais l’influence du lubrifiant sur le rendement de l’assemblage n’est pas obtenue à cause de la rugosité importante des surfaces de contact du système vis à rouleaux. / This PhD work, carried out in collaboration with the Elbi company concerns the modeling of the geometry and the kinematics of the roller screw system. This work analyzes the ki- VII Résumé nematics and the geometry of the planetary roller screw mechanism (RSM) to provide a fundamental basis to support its various applications. A 3D model of the roller screw system is developed. A numerical code has been developed as a function of the geometry and the kinematics of the roller screw system. The force and the contact pressure distribution as a function of form errors and geometry are obtained in this work. Then, a 3D model of the frictional moment was developed. The sliding speed and the frictional force (between screw/roller and roller/nut) was calculated as a function of the kinematics, the geometry and the form error. Efficiency, frictional losses and the lifetime of the roller screw mechanism as a function of the form errors, the kinematics and geometry are obtained. These numerical results show the high efficiency of the roller screw system (around 97 %). Furthermore, experiments were performed on an electromechanical bench in collaboration with the laboratory Ampére of INSA Lyon, to compare these results with theoretical predictions. These experiments reveal several sources of friction losses, which confirms the low efficiency obtained experimentally (around 50 %) for the complete system (electromechanical actuator and gearbox). Some optimizations have been made to improve the efficiency of the assembly. But it remains difficult to quantify the efficiency of the set (screw-roller-nut) experimentally because of the presence of many sources of friction. To attain this goal, manual tests using the single roller screw system confirm the numerical results. Furthermore, another experimental part (using the HFRR and MTM Machines) was carried out to obtain the influence of the lubricant on the friction coefficient. Four oils of different characteristics were used. These four oils were used on the test bench, but the influence of the lubricant on the performance of the system was not obtained due to the high roughness of the contact surfaces of the roller screw system.

La génératrice électrique linéaire est destinée à être accouplée à une machine thermique (thermoacoustique) pour la conception d'un groupe électrogène à source de chaleur externe (Récupération de la chaleur d'une machine thermique). Cette thèse porte sur l'adaptation au fonctionnement en génératrice, plus précisément au fonctionnement en régime permanent à facteur de marche unitaire. Une attention toute particulière est portée aux aspects tribologiques liés au guidage des lames constituants les parties fixes et mobiles de la structure électromagnétique. Une revue de littérature est présentée avant de passer à une discussion théorique sur les notions fondamentales relatives au calcul électromagnétique. Les paramètres du circuit équivalent en régime permanent et le rendement de la génératrice sont calculés à partir des caractéristiques dimensionnelles et structurales de la génératrice. La conception et les performances en régime permanent de la génératrice sont validées par la méthode par éléments finis. Le modèle numérique est intégré dans un processus d’optimisation multi-objets par un ensemble des meilleurs compromis facilitant le choix de dimensionnement de la génératrice et une solution à plus haut rendement est retenue comme concept final. La validation par la méthode des éléments finis est faite avec ANSYS. La validité est vérifiée par une bonne concordance entre les résultats expérimentaux et numérique.Le principal problème rencontré dans la conception des génératrices électriques linéaires à structure polyentrefer à lames guidées ou frottantes est dans le contrôle des jeux mécaniques nécessaires pour permettre le déplacement permanent des parties mobiles. Ce problème est très difficile à contrôler en raison de l'entrefer magnétique qui doit être aussi faible que possible pour éviter de pénaliser la pression magnétique tangentielle. Les pièces mobiles sont de faible épaisseur dans la structure polyentrefer, donc moins rigide. Les lames mobiles, par conséquent, ont tendance à frotter contre les parties fixes. Le triboguidage participe à la résolution de ce problème. La tribologie est l'étude du frottement et de la lubrification appliquée aux problèmes d'usure. Son objectif est d'atténuer l'usure et le frottement dans le but d'améliorer les performances de la génératrice électrique linéaire à structure polyentrefer à lames guidées ou frottantes. Le dispositif qui permet de compenser, voire d’annuler les efforts de friction qui apparaissent entre les deux stators fixes et la lame mobile en translation a été conçu et réalisé. Ce dispositif de compensation est un système de vis de pression agissant sur les ressorts. Le principe est de reprendre exactement la force d’attraction entre la partie mobile et les stators grâce à une force d’écartement réglable (action sur un ensemble de vis de pression sur des ressorts) entre les stators. / The linear electric generator is intended to be coupled to a thermal (thermoacoustic) machine for the design of a generator set with external heat source (heat recovery of a thermal machine). This thesis deals with the adaptation to generator operation, more precisely to steady-state operation with a unit power factor. Special attention is paid to tribological aspects related to guiding the fixed and moving parts of the electromagnetic structure.A literature review is presented before moving on to a theoretical discussion on the fundamental concepts relating to electromagnetic computation. Equivalent steady-state circuit parameters and generator efficiency are calculated from the dimensional and structural characteristics of the generator. The design and steady-state performance of the generator are validated by the finite element method. The numerical computation is integrated into a multi-object optimization process by a set of the best compromises facilitating the choice of generator sizing and a high efficiency solution is retained as the final concept. Validation by the finite element method employed in ANSYS is done. Validity is verified by a good match between the experimental and numerical results.The main problem encountered in the design of linear electric generators multi air-gap structure guided or sliding plates is in the control of the mechanical clearance necessary to allow the permanent displacement of moving parts. This problem is very difficult to control because the magnetic air-gap must be as small as possible to avoid penalising the tangential magnetic pressure. The moving parts are of low thickness in the multi air-gap structure, therefore less rigid. The moving plates, therefore, tend to rub against the fixed parts. The triboguiding helps solve this problem. The tribology is the study of friction and lubrication applied to wear problems. Its objective is to reduce wear and friction in order to improve the performance of linear electric generator multi air-gap structure guided or sliding plates.The device has been designed and implemented to compensate or even cancel the friction forces that appear between the two fixed stators and the moving plate in translation. This device is a system to compensate for reaction force based on pressure screws acting on springs. The principle is to return the exact force of attraction between the mover and the stators thanks to an adjustable spacing force (the action of a set of pressure screws on springs) between the stators.

In diesem Paper werden Untersuchungen eines Tiefziehwerkzeugs aus Mineralguss vorgestellt. Der Grund für die Verwendung von Mineralguss als alternativen Werkstoff für schnelle Werkzeuge liegt in den relativ geringen Initialkosten zur Herstellung und seiner Eignung für Kleinserien und Prototypenversuche. Ähnliche Konzepte mit Werkzeugen aus Mineralguss haben gezeigt, dass eine entscheidende Grenze in der Tribologie und dem bei diesem Werkstoff großen Oberflächenverschleiß liegt. Daher fokussiert das vorliegende Paper auf die Ergebnisse der Analyse verschiedener Mineralgussmischungen unter Anwendung von Streifenzugbiegeversuchen. Die Reibzahl wurde hierbei berechnet und vergleichend einem Stahlwerkzeug gegenübergestellt. / This paper presents the investigation of polymer concrete drawing tools for deep drawing operations. The goal of using polymer concrete as an alternative material is a rapid tooling process at relatively low initial tools costs that is suitable for small batch production. Similar concepts based on hydraulic concrete and polymer composites have shown that the surface tri-bology and consequently wear is the main limiting factor. Therefore, this paper focusses on the results of strip draw-bending tests with different polymer concrete mixtures. The friction coefficient is calculated and compared to a steel tool.

Les Méthodes par Eléments Discrets apparaissent comme les méthodes les plus appropriées pour modéliser le caractère divisé. De nombreux travaux ont permis de mieux comprendre leurs comportements, mais dans certain cas se pose la question de l'impact du choix de la description volumique ou des lois d'interaction sur le comportement global du milieu. Dans ce contexte, en se basant sur l'approche "Non Smooth Contact Dynamic" permettant naturellement de mixer les différentes formulations, nous nous proposons de comprendre et d'analyser l'influence de cette description. Pour cela, nous utilisons deux applications différentes liées aux comportement quasi-statique (QS) des milieux granulaires et comportement dynamique des interfaces tribologiques. Au niveau de l'étude QS est faite en utilisant des essais de compression biaxiale et de cisaillement. Contrairement aux approches classiques, des particules déformables sont utilisées ici. Les résultats obtenus sont comparés en utilisant des outils de mesure tels que la relation contrainte-déformation, la compacité... Les résultats montrent qu'il n'est pas possible à partir d'une description rigide de converger vers des modèles déformables et souligne l'importance d'effectuer une analyse complète en tenant compte de la déformation des particules. Au niveau de la modélisation d'une interface tribologique s'intéresse à l'influence des conditions limites, des descriptions des premiers corps et du troisième corps sur la rhéologie de l'interface. Dans chaque simulation, frottement macroscopique, profils de vitesse et de contrainte sont observés. Les différents modèles utilisés ont peu d'influence sur la valeur du frottement mais plus d'influence sur les profils de vitesse au travers de l'épaisseur de troisième corps. Ceci souligne l'importante du choix du modèle lors de l'étude de la rhéologie de l'interface et montre qu'il est difficile d'obtenir des résultats génériques et ceci aussi bien en modèles bi que tridimensionnel. / The Discrete Element Methods are the most appropriate methods to model the divided feature of some media such as granular ones, masonries or contact interfaces... Many studies have provided a better understanding of their behavior, but in some cases the impact of both volume description (rigid or deformable) and interaction laws (elastic or plastic) is not negligible on the global behavior. The approach used here is based on the "Non Smooth Contact Dynamic" framework which mixes naturally the rigid and deformable formulations. One propose to analyze the influence of this description. For this purpose, two different applications are used, related to the quasi-static behavior of granular media and to the modelization of the tribological interface under dynamic solicitations.The study of quasi-static behavior of granular media is developed though biaxial compression test and shear test. Contrary to classical approaches, deformable particles are used. The results are compared using tools such as the stress-strain macroscopic relation, the compacity... They show that it is not possible to converge to deformable particle with a rigid description and underline the importance to performance full analyze with deformable description.The modeling of a tribological interface under dynamic solicitation focuses on the influence of boundary conditions, models of the first bodies and the third body on the rheology of the interface. In each simulation, the macroscopic friction, the velocity profile and stress profile are observed. The different models used have not a large influence on the friction value but a large influence on the velocity profiles. This underline the importance of the choice of the model when investigation are performed on the rheology of the third body.