Le développement de lubrifiants haute performance pour réduire le frottement dans les moteurs et limiter la consommation de carburant, demeure un défi majeur pour les fabricants d’huiles. Les améliorants d'indice de viscosité (VII) sont des polymères couramment utilisés pour réduire la dépendance en température de la viscosité du lubrifiant, afin de maintenir une lubrification hydrodynamique acceptable à haute température. Ce travail se concentre sur la compréhension du rôle des VII dans les lubrifiants moteur afin de relier leur réponse tribologique et leur comportement rhéologique. Des lubrifiants simplifiés sont étudiés, composés de divers polymères de différents poids moléculaires et conformations, ajoutés à une huile de base minérale. Premièrement, la dépendance de la viscosité à la température et la pression de ces lubrifiants est étudiée. Il est montré que leur comportement rhéologique résulte de mécanismes se produisant à l'échelle moléculaire, en considérant les notions de solubilité, rayon hydrodynamique et d’effets de conformation. Ensuite, la dépendance viscosité-cisaillement est discutée en fonction de la structure des polymères et prédite sur une large gamme de températures et de pressions à travers un modèle conventionnel. Cependant, les hypothèses qui sous-tendent ce modèle nous amènent à proposer une relation plus appropriée prenant en compte la viscoélasticité des lubrifiants. Enfin, des mesures d'épaisseur de film sont effectuées pour explorer comment l'addition de polymère affecte la réponse du lubrifiant dans les régimes élastohydrodynamique et thin film. Elles sont comparées aux prévisions analytiques basées sur les modèles rhéologiques établis précédemment. Il est montré i) une bonne adéquation entre les prévisions et les données expérimentales dans le régime EHD et ii) la présence d’une épaisseur critique pour certains polymères à partir de laquelle les résultats s’écartent significativement des prévisions. Ce régime thin film, aux faibles épaisseurs, est expliqué par le comportement non newtonien des lubrifiants et l'adsorption des polymères aux surfaces. / The development of high-performance lubricants to reduce engine friction and consequently fuel consumption remains a major challenge for oil manufacturers. Viscosity Index Improvers (VII) are polymer additives used for decades to limit the dependency of the lubricant’s viscosity on temperature, to maintain an acceptable hydrodynamic lubrication at high temperature, without experiencing excessive frictional and thermal losses at low temperature. This work focuses on understanding the role of VII in engine lubricants with the aim to bridge their tribological response with their rheological behavior. Simplified lubricants are studied, composed of various polymers of different molecular weights and conformations added to a mineral base oil. In a first part, the viscosity-temperature-pressure dependence of these lubricants is investigated. Their rheological behavior is shown to result from mechanisms occurring at molecular scale, by considering the notions of solubility, hydrodynamic radii and conformation effects. In a second part, the viscosity-shear stress dependence is discussed according to the polymers structure and predicted on a large range of temperatures and pressures through a conventional model. However, the strong assumptions behind this model lead us to propose a more appropriate relationship which takes into account the viscoelastic properties of the lubricants. Finally, film thickness measurements are conducted to explore how the polymer addition affects the lubricant’s response in the Elastohydrodynamic and Thin Film regimes. They are compared with analytical predictions based on the rheological models established previously. It is shown that i) there is a good agreement between predictions and measured film thicknesses in the EHD regime and ii) at lower thickness, i.e. in the Thin Film regime, some polymers show a critical thickness from which the film thickness significantly departs from the predictions. Several explanations are considered, among them the non-Newtonian behavior of the lubricants and the adsorption of polymers on the solid bodies.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse sont orientés vers la compréhension des mécanismes réactionnels propres aux produits pétroliers tels que les lubrifiants et les graisses par analyse thermique. La technique d’analyse thermique principalement utilisée était la calorimétrie de réaction. Dans un premier temps, une étude approfondie de la réponse instrumentale a été conduite. Une nouvelle méthode d’étalonnage a été proposée en se basant sur l’étalonnage par effet Joule. Avec ce type de correction, une étude cinétique plus précise peut alors être conduite, elle permet en outre d’étudier la cinétique de mécanisme complexes comme celles rencontrées avec les produits pétroliers. Dans un second temps, l’étude de la neutralisation de l’acide sulfurique par un lubrifiant marin a été effectuée. Cette étude a permis de développer une méthode d’analyse de routine permettant de comparer l’efficacité d’un lubrifiant à neutraliser une quantité précise d’acide sulfurique. Il devient alors possible d’estimer le temps nécessaire pour neutraliser l’acide afin d’éviter qu’il n’endommage l’intégrité des parties métalliques sensées être protégées par le lubrifiant marin. Une étude cinétique du phénomène de neutralisation, par l’intermédiaire des méthodes isoconversionnelles, a permis d’avoir une indication sur le modèle réactionnel pilotant ce mécanisme. Pour finir, l’influence du choix des paramètres tels que la température, les vitesses de chauffe où les temps de cuisson de graisse, a été étudié par en mêlant des techniques d’analyses thermique et rhéologiques. / The research work presented in this thesis are oriented on the understanding of reactional mechanisms occurring in the field of oil products, such as lubricants and greases, by thermal analysis. The main thermal analysis technique used was the reaction calorimetry. Firstly, the instrumental response study of the calorimeter was led. A new calibration method have been proposed, this method is based on the calibration by Joule effect. From this correction, a more accurate kinetic evaluation can be done in order to study the complex mechanisms as those met with oil products. In a second time, the study of the neutralization of sulfuric acid by a marine cylinder lubricant was carried out. This work allowed to develop a routine analysis method to compare the lubricant ability to neutralize a precise amount of sulfuric acid. The time estimation is important to determine the frequency of lubricant replacement and to avoid the damage on the metallic parts. A kinetic study of the neutralization phenomena using isoconversional kinetic method, allowed to obtain the reactional model. Finally, the influence of parameters choice such as temperature, heating rate or cooking time have been evaluated by thermal and rheological analysis. Greases have been produced in a reaction calorimeter using a stirring system specifically developed. Information obtained allow to choose accurately the parameters used during the manufacturing processes in order to save time and decrease production costs.

L’objectif de ces travaux de thèse a été de développer des polyesters issus de ressources oléagineuses pour les utiliser comme additifs pour moduler la viscosité d’huiles lubrifiantes. Pour ce faire, l’approche par polycondensation de monomères de type hydroxy-acide a été privilégiée. Dans un premier temps, le poly(ricinoléate de méthyle) et son homologue saturé, le poly(12-hydroxystéarate de méthyle), ont été synthétisés dans une large gamme de masses molaires et leur utilisation comme épaississant d’huiles lubrifiantes a été démontrée. Dans un second temps, des polyesters dérivés du poly(ricinoléate de méthyle) et présentant des architectures de polymère en peigne ont été synthétisés par addition thiol-ène et polycondensation. Une étude de l’impact de l’architecture de ces polyesters sur leur comportement en solution a permis de prouver que les structures en peigne étaient les plus adaptées pour des applications visant, à la fois, un épaississement et une diminution du point d’écoulement de l’huile lubrifiante. Par la suite, des copoly(9-alkyl 12-hydroxystéarate)s en peigne possédant différentes chaînes pendantes ont été synthétisés afin de contrôler leur solubilité dans une huile minérale, la Yubase 4+, et ont permis de réduire la diminution de viscosité de cette huile avec la température. Finalement, l’étude dans le dodécane de deux copoly(9-alkyl 12-hydroxystéarate)s en peigne a révélé un phénomène d’agrégation des chaînes polymères lesquelles se désagrègent avec l’augmentation de la température, ce qui est en accord avec un des mécanismes d’action des additifs modulant la viscosité des huiles lubrifiantes décrit dans la littérature. / The aim of this thesis was to promote the use of polyesters from oleaginous resources as viscosity control additives for lubricants. The hydroxyl-acid type monomers were polymerized through polycondensation route. First, poly(methyl ricinoleate) and its homologous poly(methyl-12-hydroxystearate) were synthesized in a large range of molecular weights and their use as thickeners of lubricant oils was demonstrated. Secondly, comb polyesters derived from poly(methyl ricinoleate) were designed via thiol-ene addition and polycondensation process. The effect of the polyester architecture on their behavior in solution was investigated and revealed that comb polymers are the most suitable for applications that required a thickening efficiency and a pour point depressant effect. Then, comb (co)poly(9-alkyl 12-hydroxystearate)s with various pendant alkyl chains were designed in order to control their solubility in a mineral oil, the Yubase 4+, and to limit the oil viscosity decrease of these oils with temperature. Finally, the behavior in dodecane of two comb (co)poly(9-alkyl 12-hydroxystearate)s revealed that the polymer chains tend to aggregate at low temperature and to disaggregate with the temperature increase. This phenomenon is in accordance with one of the oil Viscosity Index Improver behaviors, described in literature.

Les fullerènes de bisulfure métallique de type ( M eS2 , où Me= Mo et W) rencontrent un intérêt croissant du fait de leurs pouvoirs anti usure et réducteur de frottement en régime de lubrification limite. Les propriétés tribologiques de ces nanoparticules, dépendent à la fois de leurs caractéristiques intrinsèques (structure, morphologie, taille, ... ), des conditions de sollicitations (nature des surfaces, pression, température, ... ) ainsi que du cocktail d'additifs présent dans une formulation d'huile moteur. La compréhension de l'origine de ces propriétés passe obligatoirement par une parfaite connaissance du mode d'action des nanoparticules. L'objectif de ce travail de thèse est d'identifier les paramètres pouvant avoir une influence sur le comportement des nanoparticules à l'échelle nanométrique et de faire le lien entre ce comportement, les mécanismes de lubrification des nanoparticules, et leurs propriétés tribologiques. Afin de répondre à cet objectif nous avons adopté une approche multi échelle qui consiste dans un premier temps à étudier le comportement de fullerènes individuels (IF - M eS2 , ou Me= Mo et W) en cours de sollicitation. Ainsi grâce à une méthodologie expérimentale originale couplant la technique de nano indentation à une observation in situ dans un microscope électronique à transmission haute résolution (HRMET), nous avons visualisé pour la toute première fois et en temps réelle comportement de nanoparticules individuelles d'if- M eS2 (Me= Mo et W) sollicitées en compression et/ou en cisaillement dans un contact dynamique. Cette étude a permis d'identifier l'influence des caractéristiques intrinsèques des fullerènes sur leur réponse à l'échelle nanométrique et d'estimer des pressions de contact pour lesquelles le fullerène s'exfolie, roule ou glisse dans le contact. Nous nous sommes ensuite intéressés aux mécanismes de lubrification des fullerènes en dispersion dans une base lubrifiante, en condition de lubrification limite. En se basant sur des analyses XPS et des observations MEB et MET des tribofilms et des débris d'usure générés à l'issu d'essais de frottement réalisés dans trois contacts de nature différente (acier, alumine et DLC), nous avons clairement montré que les propriétés lubrifiantes des nanoparticules d'IF - M eS2 (Me= Mo et W) dépendaient à la fois de leurs caractéristiques intrinsèques et de la nature des surfaces frottantes. Ainsi un lien a été établi entre le comportement des fullerènes à l'échelle nanométrique et leur mode d'action dans un contact tribologique. Enfin, l'influence de la mise en dispersion des nanoparticules sur leurs propriétés tribologiques a été étudiée. Les propriétés tribologiques des nanoparticules dans une huile moteur ont été également évaluées. Deux approches expérimentales de type 'Bottom up' et 'Top dawn'ont été adoptées afin d'évaluer les interactions entre les nanoparticules et l'ensemble des additifs présents dans une huile complétement formulée. L'influence de la température sur les propriétés tribologiques des nanoparticules a été également abordée.

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.

The subject of this PhD thesis is the development of an efficient system that can simultaneously pump and separate a gas-liquid mixture, in particular an oil-air mixture. Two-phase flows are encountered in many applications (petroleum extraction, flow in nuclear power plant pumps, pulp and paper processing, etc.) but this study is mainly focused on lubrication systems of aircraft gas turbine engines.<p><p>The pump and separator system (PASS) for two-phase flows developed in this PhD thesis aims to perform three functions simultaneously:<p>• Send back the oil to the tank (oil pumping)<p>• Separate the air from the oil (de-aeration)<p>• Separate the oil from the air (de-oiling) and release the sealing air into the atmosphere (venting). <p>Particular care is given to the liquid flow rate lost at the gas outlet of the system.<p>Consequently, it could replace the scavenge pumps and oil-air separators existing in present lubrication systems. This modification provides several advantages: simplification of the lubrication circuit, reduction of oil consumption and of the size of the lubrication system.<p><p>This research is divided into three axes: the theoretical study of the important physical mechanisms taking place inside the two-phase flow pump and separator system, the experimental development, tests and optimization of different PASS prototypes, and also the numerical simulations of the two-phase flow inside these prototypes. Although the experiments were the central pillar of this research, the three axes were closely imbricated.<p><p>The PASS design includes three main components:<p>• An inlet chamber with one or several tangential inlets giving a natural centrifugation to the flow,<p>• An impeller (forced centrifugation) with an axial and a radial part followed by a volute chamber,<p>• A metallic foam that lets pass micron and sub-micron droplets and which is followed by an axial vent port.<p><p>The centrifugation causes the liquid (oil) to move radially outwards in an annular body (a liquid ring) generating pressure. The thickness of this liquid ring inside the impeller is mainly determined by the pressure coefficient (related to the back-pressure and the rotational speed). When the back-pressure increases, the thickness of the liquid ring increases too. An advantage of the PASS is that it does not impose any relation between the liquid head and the liquid flow rate, contrary to common centrifugal pump. It self-regulates the radial position of the gas-liquid interface to sustain the operating conditions.<p><p>The de-aeration efficiency mainly depends on the pressure coefficient (for a constant liquid viscosity or temperature) or on the thickness of the liquid ring. The pressure gradient which appears in the liquid rotating in an annular body acts like a dam for the gas phase. Indeed, the gas movement is mainly determined by the pressure field (buoyancy) while the liquid distribution is dominated by centrifugal and Coriolis forces. Buoyancy tends to accumulate the gas phase near low pressure areas (PASS hub, suction side of the blades, clearances between closed impeller and casing).<p><p>The first oil-air PASS prototype produces high viscous losses due to the high peripheral velocity and liquid viscosity. Therefore, the pumping efficiency is poor compared to common impeller pumps. However, the pumping is not the key function of the PASS and a power consumption below 5 kW is acceptable for the application considered in this work. For applications that require lower power consumptions, a reduction of the rotational speed must be considered.<p><p>Thus, the rotational speed and the impeller diameter are two major constraints for the PASS design which determine the de-aeration and pumping efficiencies. The impeller diameter also influences the size of passage sections for the air flow. The air velocity must be kept as low as possible because the entrainment of droplets increases when the air velocity rises (drag forces on droplets). Indeed, this large influence of the air flow rate on the oil consumption (de-oiling efficiency) was demonstrated by a theoretical analysis, the experiments and the CFD simulations. The production of droplets in the inlet pipes when the two-phase flow is annular is a key phenomenon regarding the oil consumption.<p><p>In addition to the air flow rate, other variables also influence the oil consumption:<p>• Air-oil temperature: when the temperature rises, the oil consumption increases because the surface tension and the oil density are reduced. Moreover, as the air density also decreases, the air velocity rises.<p>• Oil flow rate: the oil consumption rises more or less linearly with the oil flow rate. However, the influence of the oil flow rate on the inlet droplet size is uncertain.<p>• Rotational speed: the rotational speed has obviously a strong impact on the oil consumption without metallic foam. However, experiments showed that the metallic foam efficiency is almost independent on the rotational speed. Therefore, the oil consumption with the Retimet foam does not depend on the PASS rotational speed.<p>• Altitude or air density: the oil consumption decreases when the air density is reduced because the drag forces on droplets also decrease.<p>The gas density (altitude) is also supposed to influence the de-aeration efficiency but this could not be tested or simulated in this work (the de-aeration efficiency gets probably better when decreasing the gas density because the buoyancy forces increase).<p><p>Theory, experiments and numerical simulations also allowed the prediction of performance of the first oil-air prototype for real in-flight operating conditions. Two problems have been identified: the de-aeration efficiency at MTO and cruise ratings and the oil leak throughout the vent in cold start and windmilling. To solve them, some modifications of the lubrication system have been suggested. With these modifications, the oil-air PASS should become very efficient and attractive for engine manufacturers. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les fullerènes de bisulfure métallique de type ( M eS2 , où Me= Mo et W) rencontrent un intérêt croissant du fait de leurs pouvoirs anti usure et réducteur de frottement en régime de lubrification limite. Les propriétés tribologiques de ces nanoparticules, dépendent à la fois de leurs caractéristiques intrinsèques (structure, morphologie, taille, ... ), des conditions de sollicitations (nature des surfaces, pression, température, ... ) ainsi que du cocktail d'additifs présent dans une formulation d'huile moteur. La compréhension de l'origine de ces propriétés passe obligatoirement par une parfaite connaissance du mode d'action des nanoparticules. L'objectif de ce travail de thèse est d’identifier les paramètres pouvant avoir une influence sur le comportement des nanoparticules à l’échelle nanométrique et de faire le lien entre ce comportement, les mécanismes de lubrification des nanoparticules, et leurs propriétés tribologiques. Afin de répondre à cet objectif nous avons adopté une approche multi échelle qui consiste dans un premier temps à étudier le comportement de fullerènes individuels (IF - M eS2 , ou Me= Mo et W) en cours de sollicitation. Ainsi grâce à une méthodologie expérimentale originale couplant la technique de nano indentation à une observation in situ dans un microscope électronique à transmission haute résolution (HRMET), nous avons visualisé pour la toute première fois et en temps réelle comportement de nanoparticules individuelles d’if- M eS2 (Me= Mo et W) sollicitées en compression et/ou en cisaillement dans un contact dynamique. Cette étude a permis d'identifier l'influence des caractéristiques intrinsèques des fullerènes sur leur réponse à l'échelle nanométrique et d'estimer des pressions de contact pour lesquelles le fullerène s'exfolie, roule ou glisse dans le contact. Nous nous sommes ensuite intéressés aux mécanismes de lubrification des fullerènes en dispersion dans une base lubrifiante, en condition de lubrification limite. En se basant sur des analyses XPS et des observations MEB et MET des tribofilms et des débris d'usure générés à l'issu d'essais de frottement réalisés dans trois contacts de nature différente (acier, alumine et DLC), nous avons clairement montré que les propriétés lubrifiantes des nanoparticules d'IF - M eS2 (Me= Mo et W) dépendaient à la fois de leurs caractéristiques intrinsèques et de la nature des surfaces frottantes. Ainsi un lien a été établi entre le comportement des fullerènes à l'échelle nanométrique et leur mode d'action dans un contact tribologique. Enfin, l'influence de la mise en dispersion des nanoparticules sur leurs propriétés tribologiques a été étudiée. Les propriétés tribologiques des nanoparticules dans une huile moteur ont été également évaluées. Deux approches expérimentales de type 'Bottom up' et 'Top dawn'ont été adoptées afin d'évaluer les interactions entre les nanoparticules et l'ensemble des additifs présents dans une huile complétement formulée. L'influence de la température sur les propriétés tribologiques des nanoparticules a été également abordée. / Inorganic Fullerene-(IF) like nanoparticles made of metal dichalcogenides ( M eS2 , Me= Mo and W)continue to attract an increasing interest as friction modifiers and anti-wear additives in liquid lubricant. Their efficiency as lubricant additive strongly depends on intrinsic properties of the nanoparticles (structure, morphology, size ... ), tribological conditions (nature of rubbing surface, pressure, temperature ... ) and also on the package of additives present in the full y formulated engine oil. Thus the control and the optimization of these properties require a perfect knowledge of the lubrication mechanisms of these nanoparticles. The aim of this work is to identify the parameters which influence the behavior of the nanoparticles at the nano-scale and to establish a correlation between this behavior, the lubrication mechanisms of nanoparticles and their tribological properties observed at macro-scale. For this aim, we have chosen a multi-scale approach, which firstly consists in studying the behavior of individual fullerenes (IF- M eS2, Me= Mo and W) during mechanical solicitation. Therefore, thanks to a new in situ TEM technique including nanoindentation, we have visualized the behavior of individual fullerenes in real time during nana-compression and nano-sliding tests. These results allowed us to identify the influence of the intrinsic characteristics of nanoparticles on their response at the nano-scale and to estimate critical values of pressure for rolling, sliding, exfoliation and failure of individual IF - M eS2 particles (Me= Mo and W).Secondly, we focused on the lubrication mechanisms of fullerenes when they are dispersed in base oil in boundary lubrication. The tribofilms and the wear particles obtained after friction tests at three different rubbing surfaces (steel, alumina and DLC), were studied using XPS analyses, SEM and TEM observations. We have clearly shown that the lubricating properties of nanoparticles depend both on their intrinsic properties and on the nature of the contact. Thereby, a correlation between the behavior of single nanoparticles at nano-scale and their lubricating properties under boundary lubrication was established. Finally, the influence of the dispersant on the tribological properties of the nanoparticles was investigated. The tribological properties of nanoparticles in fully formulated engine oil were also evaluated. Two experimental methods based on a 'Bottomup' and a 'top-dawn' approach were adopted to evaluate the interactions between nanoparticles and all the additives in fully formulated oil. The influence of the temperature on the tribological properties of the nanoparticles was also discussed.

Le développement de nouvelles technologies permettant d’obtenir des procédés de fabrication novateurs, de même que l’utilisation de nouveaux matériaux et lubrifiants, ont rendu possible une amélioration globale de l’efficacité des systèmes mécaniques et la résolution de nombreuses défaillances. Néanmoins, certains types de détérioration comme le grippage restent difficiles à appréhender car ils résultent de nombreux paramètres connexes tels que le régime de lubrification, la température du contact et le coefficient de frottement. Le grippage est un phénomène qui apparait de manière brutale et qui se caractérise par des arrachements et des transferts de matières entre les surfaces en contact pouvant aller jusqu’à la destruction complète du système. Ce dernier est généralement associé à une mauvaise dissipation des calories entrainant des températures de contact élevées. De nombreux critères basés sur la dissipation d’énergie dans le contact ont été établis sans pour autant que l’un d’eux ne soit unanimement reconnu par la communauté scientifique. La première partie de cette étude a consisté à caractériser le comportement en frottement d’un couple matériau-lubrifiant grâce à l’utilisation d’une machine bi-disque. En parallèle, une modélisation thermique de ce banc d’essais a été réalisée en utilisant la méthode des réseaux thermiques. Les corrélations entre les formules analytiques et les mesures expérimentales ont permis d’aboutir à l’établissement d’une loi de frottement liant conditions de contact et température de masse des éprouvettes. Il a aussi pu être démontré que la température de masse des disques pouvait être considérablement différente de la température d’injection du lubrifiant en fonction des conditions opératoires. Ce résultat permet une analyse nouvelle des critères de grippage dont la plupart assimilent la température des éprouvettes à celle d’injection du lubrifiant. Malgré cela, les différents essais de grippage réalisés montrent que l’unique considération de la température de contact pour établir un critère de grippage s’avère insuffisante. / The development of new technologies, which allow innovative manufacturing processes, as well as the use of new materials and lubricants have led to an overall improvement of mechanical systems efficiency and reliability. However some failures, like scuffing, remain difficult to understand since they depend on many related parameters such as the lubrication regime, the contact temperature and the friction coefficient. Scuffing is a critical damage that appears suddenly and which is characterised by local welds and scratches between the sliding surfaces. It can lead to complete destruction of the mechanical system. This phenomenon is in general related to poor heat dissipation and overheating resulting in high contact temperature. Numerous studies were conducted in order to establish a scuffing criterion based on energetic approach. But none of them is unanimously recognized by the scientific community. The first part of this study consisted in characterizing the frictional behaviour of a given couple of lubricant and material thanks to the use of a twin-disc machine. In a second part, a thermal modelling of this test bench has been realised using the thermal network methodology. Correlations between analytical formulas and experimental measurements allowed to establish a friction law relating contact conditions and disc bulk temperature. It has also been demonstrated that the disc bulk temperature could be considerably different from the lubricant injection temperature depending on the operating conditions. This result allows a new interpretation of existing scuffing criteria, which for most of them consider the disc temperature to equal the oil temperature. Despite this analysis, the scuffing experiments performed reveal that accounting solely for the contact temperature is not sufficient to establish a reliable scuffing criterion.

L’étude du frottement dans les contacts lubrifiés fortement chargés est un sujet complexe. En effet, le frottement dépend fortement du comportement rhéologique du lubrifiant dans le centre du contact et, celui-ci n'est pas bien connu à pression et taux de cisaillement élevé. Diverses méthodes expérimentales ont été développées pour expliquer le comportement plateau dans les courbes de frottement, associé à l’existence d’une contrainte limite de cisaillement, mais aucune d'elles n'a fourni une image complète des mécanismes réels impliqués. Dans la continuité de ces efforts, des études sont présentées dans ce mémoire. Le premier défi dans ce travail est d'effectuer des mesures de frottement dans des conditions isothermes nominales, ce qui signifie que même si des effets thermiques doivent se produire dans toute mesure de frottement, il est possible de les minimiser et de rendre les résultats insensibles à une faible dissipation d'énergie dans le volume expérimental d'intérêt. La minimisation de l’échauffement du lubrifiant aide à se focaliser sur l’origine mécanique de la contrainte limite de cisaillement et de mieux caractériser sa dépendance à la pression et à la température. C'est pourquoi, tout d'abord, une série d'expériences a été réalisée sur deux lubrifiants, un diester pur (benzyl benzoate) et une huile minérale de turbine (Shell T9) avec des vitesses d'entraînement variables. Cela nous permet d'abord d'observer directement l'influence des effets thermiques sur les valeurs de la contrainte limite de cisaillement et ensuite, de déterminer les conditions expérimentales qui limitent ces effets tout en assurant un régime en film complet. Le deuxième objectif est de caractériser le comportement en frottement des lubrifiants sous conditions isothermes nominales et sur une large gamme de pression (jusqu'à 3 GPa) et de température (jusqu’à 80°C) afin d'établir un nouveau modèle découplé permettant de décrire la dépendance à la température et à la pression de la contrainte limite sous fortes charges. Enfin, l'étude se focalise sur la compréhension du comportement microscopique des lubrifiants dans des conditions extrêmes de cisaillement et de pression. Des mesures in situ de spectroscopie Raman et Brillouin ont été également effectuées sous conditions statiques, afin d'étudier le changement de phase du lubrifiant. / Friction in highly loaded lubricated contacts is a complex issue. Indeed, it highly depends on the lubricant rheological behaviour in the Hertzian region, which is not well known under such high pressure and high shear stress. Various experimental methods have been developed to explain the plateau-like behaviour in friction curves referred to as the limiting shear stress (LSS), but none of them provided a full picture of the real mechanisms involved. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in this manuscript. The first challenge in this work is to carry out friction measurements under nominal isothermal conditions, meaning that even if thermal effects must occur in any friction measurement, it is possible to minimize them and to make the results almost insensitive to a weak energy dissipation within the experimental volume of interest. Minimizing shear heating of the lubricant help us to focus on the mechanical origin of the LSS and to better characterize its dependence to pressure and temperature. That’s why, first of all, a series of experiments was performed on two lubricants, a pure diester fluid (benzyl benzoate), and a commercial turbine mineral oil (Shell T9) with varying entrainment velocities. This allow us first to directly observe the influence of the lubricant shear heating on the LSS values and then to determine the experimental conditions which limit this thermal effect while ensuring a full film regime. The second objective is to characterize the frictional behavior of both lubricants under nominal isothermal conditions and over a wide range of pressure (up to 3 GPa) and temperature (up to 80°C) in order to establish a new uncoupled model to describe the temperature and pressure dependence of the limiting shear stress under highly loaded conditions. Finally, the study focuses on the understanding of the microscopic behavior of lubricants under extreme shear and pressure conditions. In situ Raman and Brillouin spectroscopy investigations were also conducted under static conditions, in order to study the lubricant phase changes under various pressure and temperature conditions.

Le développement des lubrifiants est un véritable levier pour les constructeurs automobiles et les pétroliers pour minimiser les pertes d'énergie dues aux frottements dans les moteurs. La viscosité est le principal paramètre sur lequel les formulateurs peuvent jouer pour abaisser les frottements. Cette thèse porte sur l'étude du rôle et des actions des additifs améliorants de viscosité (AVI) dans les lubrifiants moteur. L'objectif de cette thèse est de corréler l'étude portée à l'échelle moléculaire aux propriétés macroscopiques ainsi qu'aux performances des lubrifiants moteur pour pouvoir orienter les formulateurs vers une ou des molécules cibles qui permettront de répondre le mieux possible à ces problématiques. Ce travail est consacré à des poly-diène-styrène hydrogénés (P-diène-SH) et des copolymères éthylène propylène (EPC). Dans un premier temps, des études structurales des polymères AVI et rhéologiques des solutions ont permis de mettre en évidence l'influence des différentes chimies et structures des polymères sur leurs propriétés rhéologiques. Cette étude a porté sur une large gamme de températures (-20 à +135°C), taux de cisaillement (0 à 107s-1) et concentrations permettant de caractériser la configuration des polymères dans des conditions correspondant à l’application. Dans un second temps, ces propriétés rhéologiques ont été corrélées avec les coefficients de frottement et les épaisseurs de film centrales dans un contact de type sphère/plan en tribologie.Enfin, la capacité des chaînes de ces polymères à se rompre sous la contrainte d’un fort taux de cisaillement en écoulement pulsé ou continu a été étudiée et reliée à la configuration des polymères AVI en solution ainsi que leurs structures. L’ensemble de ces données a été utilisé pour proposer une structure chimique et une architecture présentant des propriétés AVI, une bonne résistance mécanique et un comportement tribologique satisfaisant. / The development of lubricants is a real challenge for the automotive and the petroleum industries to reduce the energy losses in engines due to frictions. The viscosity is the main parameter that the lubricant formulators can vary to reduce the frictions. This PhD deals with the role and mode of actions of viscosity modifier polymers (VM polymers) in lubricants.The purpose of this PhD is to correlate the study at the molecular scale with the macroscopic properties and the lubricant performances in order to orient the formulators towards one or several target molecules which could present the best properties.This work consisted in characterizing hydrogenated Poly-diene-styrene (P-diene-SH) and ethylene-propylene-copolymers (EPC).First, studies on the structure of VM polymers and on rheological properties of the solutions have shown the influence of the different chemical structures and polymer architectures on their rheological properties. This study was carried out on a large scale of temperatures (-20 à +135°C), shear rates (0 à 107s-1) and concentrations leading to characterizations under conditions corresponding to practical conditions.Secondly, these rheological properties were correlated with frictions coefficients and the film thickness in a sphere/plate contact in tribology.Finally, the ability of the polymer chains to break when a high shear rate was applied in a continuous or pulsed flow was studied and related to the chains configurations of the VM polymer and their structure.All these data were further used to propose a chemical structure and a polymer architecture leading to viscosity improved properties, a good resistance to degradation and a satisfactory behavior in tribology.