Au cours de 15 dernières années, les maladies coronariennes et les accidents vasculaires cérébraux demeurent les causes principales de décès dans le monde. Selon l'Organisation Mondiale de la Santé, en 2015, ces deux maladies ont causé 15 millions des décès sur les 56,4 millions dans le monde. Des traitements chirurgicaux ont été élaborés et améliorés pour soigner ces maladies en maintenant les vaisseaux sanguins ouverts. Parmi les traitements chirurgicaux, l'angioplastie avec utilisation d’un stent est le traitement le plus populaire et le moins invasif. Les stents, qui sont des tubes métalliques en treillis, vont soutenir mécaniquement les vaisseaux sanguins après l’implantation et les maintenir ouverts pour améliorer le flux sanguin. Ceux-ci sont principalement composés d’acier inoxydable AISI316L (SS316L), d'alliage de cobalt-chrome et d'alliage de titane. Depuis plus d'un demi-siècle, lorsqu'un stent a été implanté pour la première fois, ils ont été considérablement améliorés. Cependant, la libération d'ions métalliques, potentiellement toxiques, et la détérioration des propriétés mécaniques à cause de la corrosion ainsi que la diminution de l'adhérence des revêtements, dans le cas de stents avec les revêtements en polymère, constituent encore des préoccupations majeures lors de l’utilisation des stents. Dans le cas des stents en SS316L, afin d’éviter la libération d'ions métalliques, au laboratoire de biomatériaux et de bioingénierie de l'Université Laval (LBB), lors de précédentes recherches, un revêtement fluorocarboné (CFx) a été étudié pour isoler complètement le stent de l'environnement biologique. Ce revêtement permet également le greffage ultérieur de molécules bioactives pour améliorer son intégration dans le corps. Cependant, l'interface de SS316L / CFx devait être améliorée pour augmenter l’adhésion du revêtement CFx sur le SS316L. Dans mon projet de doctorat, l’oxydation au plasma a été utilisé pour élaborer une nouvelle interface entre le substrat SS316L et le revêtement. Les propriétés de cette nouvelle interface, qui est composée d’une couche d'oxyde, ont été modifiées en faisant varier les paramètres du procédé plasma afin de préserver les propriétés de cette couche d’oxyde lorsqu’elle subit une déformation plastique de 25%, c’est-à-dire le pourcentage de déformation maximale que subira le stent lors de son implantation. Cette interface a permis de diminuer la libération des ions du substrat SS316L en réduisant son taux de corrosion plus que trois fois et d’améliorer l’adhérence adéquate du revêtement CFx sur le substrat, après déformation et après immersion dans une solution aqueuse saline. La nouvelle couche d'oxyde sur SS316L est une couche d'oxyde amorphe avec une épaisseur d'environ 6 nm qui se distincte bien de la microstructure polycristalline du substrat. L'amélioration des propriétés de l'interface a été attribuée à cette couche d'oxyde amorphe nano-épaisse, qui est résistante aux déformations plastiques. Cette couche d'oxyde peut être appliquée sur des stents métalliques nus composés de métaux passivables. En outre, elle crée une interface favorable pour les revêtements en polymère, qui sont utilisés pour les stents à relargage de principes actifs ainsi que pour améliorer l'intégration des stents dans le corps humain. / Over the past 15 years, ischemic heart disease and stroke have remained the leading causes of death, worldwide. According to the World Health Organization, 15 million of the 56.4 million global deaths, in 2015, were caused only by ischemic heart disease or stroke. For the treatment of these diseases, surgical treatments have been introduced and improved to hold the blood vessels open. Among the surgical treatments, angioplasty with stenting is the most popular and the least invasive treatments. Stents, which are wire mesh tubes, prepare a mechanical support for blood vessels and hold them open to restore the blood flow. They are mostly made up of AISI316L stainless steel (SS316L), cobalt-chromium, and titanium alloys. More than half a century ago, when a stent first used, it has considerably evolved. However, release of potentially-toxic metallic ions and deterioration of mechanical properties due to corrosion, and decrease of polymeric coatings adhesion, in case of coated stents, still constitute major concerns in SS316L stents. In the case of SS316L stents, to circumvent the release of metallic ions, in the laboratory for biomaterials and bioengineering of Université Laval (LBB), a fluorocarbon (CFx) coating was previously investigated to isolate the stent completely from the biological environment. The coating also enables subsequent grafting of bioactive molecules to improve its integration in the body. The results were promising; however, the interface of SS316L/CFx needed to be modified to improve the adhesion of the CFx coating. In this Ph.D. research project, a new interface between the SS316L substrate and the CFx coating was created by plasma oxidation. The properties of this new interface, which was an oxide layer, was modified by varying the plasma-process parameters in order to preserve its properties after a 25% plastic deformation. This deformation is the maximum plastic deformation that imposes on a stent during its implantation. The new interface decreased the release of ions by decreasing the corrosion rate of the SS316L substrate by a factor of three. It was also found that the new interface produced an adequate adhesion of the CFx coating to the substrate after deformation as well as after immersion in an aqueous saline solution. The new oxide layer on SS316L was an amorphous oxide layer with an approximately 6 nm thickness, which was clearly distinguished from the polycrystalline microstructure of the substrate. The enhancement of the interface properties was ascribed to this nano-thick amorphous oxide layer, which was found to be more resistant to plastic deformation. This new oxide layer can be produced on bare-metal stents made of passivating metals. Moreover, it can create a favorable interface for coated stents, which have been used in drug-eluting stents, and also to improve stents integration in the human body.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Aujourd'hui, les fluoropolymères sont largement utilisés dans différentes industries, notamment l'industrie textile, du bâtiment et des instruments médicaux. Leur inertie chimique et leur faible coefficient de frottement font qu'ils sont adaptés à différentes applications. Cependant, leur faible énergie de surface conduit à une mauvaise adhérence lors de l'assemblage des dispositifs composites. Parmi les différentes techniques utilisées pour améliorer leur adhérence, les décharges à barrière diélectrique à la pression atmosphérique constituent une méthode rapide et peu coûteuse avec un impact environnemental réduit. Dans une décharge contenant des précurseurs polymérisables, les espèces très énergétiques présentes dans le gaz ionisé permettent la rupture de liaisons moléculaires en phase gazeuse et la croissance de films minces à la surface du polymère. De plus, la décharge à la pression atmosphérique a été largement utilisée ces dernières années pour modifier les surfaces des polymères dans différents secteurs. Cette technique a l'avantage de réduire le coût du processus car elle élimine le besoin de systèmes à vide et permet de gagner du temps car moins de préparation est nécessaire pour utiliser le réacteur par rapport aux conditions de plasma à basse pression. Par conséquent, ce processus est rapide et économique, ce qui le rend adapté aux applications industrielles. Bien que cette approche se soit avérée efficace, les différents processus chimiques et physiques qui se produisent dans la décharge ne sont pas encore entièrement compris. Premièrement, l'utilisation de la décharge à la pression atmosphérique implique souvent des filaments localisés à haute énergie. Ce phénomène conduit à une modification inhomogène de la surface et/ou pourraient induire des dommages à l'échantillon par transfert de chaleur localisé. Aussi, la modification par plasma à la pression atmosphérique induite sur le polymère ne dure généralement que quelques jours. L'ajout d'un précurseur organique contenant des groupements polaires à cette décharge permet le dépôt de certaines fonctionnalités chimiques hydrophiles. Cela peut augmenter l'adhérence et la durée de vie du revêtement du polymère modifié. Aussi, il est possible d'éviter la formation de filaments localisés avec un système de régulation de puissance pour atteindre la puissance requise sans échauffement de surface. Cela limite le courant lors de la montée en tension et ralentit les mécanismes de claquage rapide. Dans cette recherche, des surfaces de fluoropolymères ont été modifiées à l'aide d'une décharge à barrière diélectrique à pression atmosphérique dans un environnement d'azote et d'un précurseur organique. L'effet de la décharge sur un fluoropolymère a été étudié par une analyse de surface détaillée avant et après chaque traitement. La caractérisation de l'extrême surface a été réalisée par spectroscopie de photoélectrons X (XPS) à la fois en survol et en haute résolution C1s. De plus, la spectroscopie infrarouge en mode de réflectance totale atténuée (ATR-FTIR) a été utilisée pour évaluer les modifications observées sur les premiers micromètres de la surface des échantillons. Du point de vue de la décharge, la puissance appliquée a été contrôlée en utilisant un rapport cyclique (DC) pour augmenter la puissance à travers une onde pulsée. Cela a été fait pour contrôler la fonctionnalisation de la surface sans surchauffer la surface ni endommager le polymère. Les résultats montrent la formation d'une variété de nouvelles fonctionnalités hydrophiles. Dans ce contexte, plusieurs expériences ont été réalisées pour mieux comprendre le mécanisme de formation de ces liaisons à la surface du fluoropolymère. Tous les résultats ont été corrélés avec la modification de l'énergie de surface obtenue à partir de l'analyse de l'angle de contact statique mesuré à la fois avec de l'eau et du diiodométhane. Enfin, la profilométrie a été utilisée pour corréler les paramètres du plasma au taux de croissance des différents films minces produits. Ces découvertes prometteuses constituent une étape importante vers une meilleure compréhension des modifications chimiques induites sur les polymères fluorés par ce procédé sec. / Today, fluoropolymers are widely employed in different industries, including textiles, buildings, and medical instruments. Their chemical inertness and low friction coefficient make them suitable for different applications. However, their low surface energy leads to poor adhesion during the assembly of composite devices. Among the different techniques used to enhance their adhesion, atmospheric pressure discharges provide a fast and low-cost method with a reduced environmental impact. The highly energetic species present in the ionized gas allow the breaking of molecular bonds in the gas phase and the growth of thin films on the polymer surface. In addition, atmospheric pressure discharge has been widely used in recent years to modify the surfaces of polymers in different sectors. This technique has the advantage of reducing the cost of the process because it eliminates the need for vacuum systems and gains time as no extreme preparation is needed before using the reactor. Therefore, this process is fast and cost-effective, which makes it suitable for industries. Although this approach has proven to be efficient, the different chemical and physical processes happening in the discharge remain not fully understood. First, the plasma modification induced on the polymer usually lasts only a few days. Also, the use of atmospheric pressure discharge often involves highly energetic localized filaments. This phenomenon leads to an inhomogeneous modification of the surface and/or could induce damage to the sample due to localized heat transfer. Initially, adding an organic precursor to this discharge makes it possible to form a specific hydrophilic chemical function and deposit it on the surface. This can increase the adhesion and coating lifetime of the modified polymer. Also, it is possible to avoid the formation of localized filaments, with a system for power regulation to reach the required power without surface overheating. This limits the current during the voltage increase and slows down the rapid breakdown mechanisms. In this study, fluoropolymer surfaces were modified using an atmospheric pressure dielectric barrier discharge in a nitrogen and organic precursor environment. The effect of the discharge on a fluoropolymer was studied through a detailed surface analysis before and after each treatment. The characterization of the extreme surface was carried out by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in both the survey and C1s high resolution modes. In addition, infrared spectroscopy in attenuated total reflectance mode (ATR-FTIR) was used to evaluate the modifications observed on the first few top micrometers of the samples. Concurrently, the applied power was regulated using a duty cycle (DC) to increase the power via a pulsed wave. This was done to optimize the surface's functionalization without overheating the surface or harming the bulk of the polymer. The results show the formation of a variety of new hydrophilic functionalities and several experiments were performed to build a better fundamental understanding of the mechanism of a thin film formation on the fluoropolymer surface. All results were correlated with the modification of the surface energy obtained from the static contact angle analysis measured using both water and diiodomethane. Finally, profilometry was used to correlate the plasma parameters to the growth rate of the different thin films produced. These promising findings are an important step toward gaining a better understanding of the chemical modifications induced on fluoropolymers by this dry process.

L’utilisation d’un col modulaire lors de la pose d’une prothèse totale de hanche introduit une nouvelle interface, entre la tige et le col, qui est susceptible de s’endommager par fretting lors de la marche. L’alliage Ti–6Al–4V est très largement utilisé pour les tiges et les cols. Cependant, les contacts Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V présentent un frottement élevé et une forte usure adhésive dans les conditions de fretting. Les revêtements DLC (diamond-like carbon) ont été largement utilisés comme revêtements protecteurs pour les pièces métalliques. Ainsi, ils peuvent être introduits dans les contacts entre la tige en Ti–6Al–4V et le col en Ti–6Al–4V. L’objectif de cette thèse est d’étudier les comportements tribologiques du revêtement DLC et de l’alliage Ti–6Al–4V dans les conditions de fretting pour application au contact entre la tige et le col. Les essais de fretting sont menés avec un contact cylindre sur plan sous différentes valeurs d’amplitude de déplacement (± 20 μm, ± 40 μm, et ± 70 μm) et de force normale (entre 200 N et 1 200 N). En outre, les effets de différents revêtements (DLC A et DLC B), différentes rugosités de surface (lisse et rugueuse), différentes positions de revêtement (revêtement sur le plan, sur le cylindre et sur les deux surfaces), différents environnements (dans l’air et dans le sérum de veau) sont analysés. Par ailleurs, l'origine du faible frottement du contact entre Ti–6Al–4V et revêtement DLC est explorée. Les propriétés mécaniques du tribofilm formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée sont également étudiées.Pour les tests de fretting sans revêtement (contact Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V) dans l’air, le coefficient de frottement est élevé, entre 0.8 et 1.2. Le volume d’usure croît avec l’amplitude de déplacement. Pour les tests avec revêtement, le Ti–6Al–4V peut être bien protégé, sous des charges relativement faibles. Le coefficient de frottement (d’environ 0,2) et le volume usé sont faibles. Sous fortes charges, le revêtement est presque totalement éliminé. Le frottement et le volume d'usure sont similaires à ceux des essais sans revêtement. Le revêtement plus dur (DLC A) a de meilleures propriétés tribologiques que le DLC B. Le revêtement sur la surface lisse présente une meilleure performance en fretting que sur la surface rugueuse. Le revêtement sur une surface cylindrique présente une meilleure performance tribologique que sur une surface plane. Le revêtement DLC est plus endommagé lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC que contre du Ti–6Al–4V non revêtu. Le revêtement fonctionne mieux en présence de sérum que dans l’air. Un tribofilm est formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC sous de faibles charges. Le tribofilm présente une dureté plus élevée, un module de Young plus élevé, un module de compression plus élevé, une limite d'élasticité plus élevé que l’alliage Ti–6Al–4V. Un modèle tribologique est proposé pour la formation du tribofilm et l'explication de l'origine du faible frottement, par une analyse approfondie des surfaces de contact, sur les points de vue mécaniques et chimiques. / The use of modular neck adapter when placing a total hip prosthesis introduces a new interface, between the femoral stem and the neck adapter, which is propitious to fretting damage during walking. Ti–6Al–4V alloy has been widely used in neck adapters and femoral stems. However, the Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contacts present high friction and severe adhesive wear under fretting conditions. Diamond-like carbon (DLC) coatings have been widely used as protective coatings for metallic parts. Thus, they can be introduced into Ti–6Al–4V neck adapter / Ti–6Al–4V femoral stem contacts.The objective of this thesis is to investigate the tribological behaviors of DLC coating and Ti–6Al–4V alloy under fretting conditions for application to neck adapter / femoral stem contact. Fretting tests are conducted with a cylinder / flat contact under different values of displacement amplitude (±20 µm, ±40 µm, and ±70 µm) and normal force (between 200 N and 1 200 N). Furthermore, the effects of different DLC coatings (DLC A and DLC B), different surface roughness (smooth and rough), different coating positions (coating on the flat, on the cylinder, and on both surfaces), different environments (laboratory air and calf serum) are analyzed. Besides, the origin of low friction of Ti–6Al–4V / DLC coating contact is explored. The mechanical properties of tribofilm formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface is studied.For fretting tests without coating (Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contact) under laboratory air condition, the friction coefficient is high, between 0.8 and 1.2. The wear volume increases with the displacement amplitude. For fretting tests with coating, Ti–6Al–4V can be well protected under relatively low load conditions. The friction coefficient is low (around 0.2) and the wear volume is small. Under high load conditions, the coating is almost totally removed. The friction and wear volume are similar to tests without coating. The harder coating (DLC A) has better tribological property than DLC B. The coating on the smooth surface exhibits better fretting performance than on the rough surface. Coating on a cylindrical surface shows better tribological performance than on a flat surface. The DLC coating is damaged more severely when it slides against a DLC coating than against the uncoated Ti–6Al–4V alloy. The coating performs better under the serum condition than under the laboratory air condition. A tribofilm is formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface when sliding against a DLC coating under low load conditions. The tribofilm shows higher hardness, higher Young’s modulus, higher compression modulus, higher yield strength than the Ti–6Al–4V alloy. A tribological model is proposed for tribofilm formation and explanation of origin of low friction, by in-depth analysis of contact surfaces, on mechanical and chemical points of view.

Des progrès dans les batteries aux ions lithium sont en cours de développement afin de répondre, entre autres, à la demande croissante des hautes densités d'énergie et de puissance pour le réseau électrique et en particulier pour l'application dans les véhicules électriques. Ces derniers remplacent écologiquement les véhicules à moteur à combustion interne et leurs succès est principalement dû à leur efficacité énergétique supérieure, à leurs faibles coûts d'exploitation et à leur profil respectueux de l'environnement par rapport aux véhicules à essence. Parmi les différents matériaux de cathode, les composés d'intercalation LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) sont les meilleurs candidats pour des applications dans les batteries aux ions lithium à hautes performances. Des efforts sont en cours pour mettre en oeuvre des matériaux cathodiques à base de NMC riches en nickel pour répondre aux besoins environnementaux et énergétiques. Aussi séduisants soient-ils, ces matériaux de cathode présentent certains inconvénients liés à une forte réactivité, notamment à l'interface avec l'électrolyte. Pour contourner ces problèmes, des modifications de surface sont étudiées comme des solutions accessibles pour protéger le matériau actif et améliorer ses performances. Bien que diverses chimies et stratégies de revêtement soient publiées dans la littérature, notre approche consistant à combiner la synthèse et la modification de surface du matériau actif en une étape est aussi simple qu'efficace. Le présent manuscrit porte sur l’étude de ce composé. Deux méthodes de revêtement de surface ont été étudiées et leur matériau revêtu résultant a été comparé au matériau non revêtu. Après une caractérisation détaillée de ces matériaux, des études électrochimiques ont été menées afin d’évaluer leurs performances. Enfin, notre NMC622 revêtu de LiAlO2 en une seule étape s'est avéré efficace pour contrer la dégradation de la capacité du NMC et pour améliorer la stabilité structurelle des particules, améliorant ainsi leur cycle de vie. / Advances in lithium-ion batteries are being developed in order to meet, among other things, the increasing demand for high energy and power densities for the electric power grid and especially for application in electric vehicles. The latter are a green replacement for internal combustion engine vehicles, and their success is mostly due to their higher energy efficiency, low operating costs and eco-friendliness compared to gasoline-powered vehicles. Among various cathode materials, LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) intercalation compounds are the best candidates for applications in high performance lithium-ion batteries. Efforts are underway to implement nickel-rich NMC-based cathode materials to meet environmental and energy needs. As appealing as they are, these cathode materials present certain drawbacks associated with high reactivity, especially at the interface with the electrolyte. To circumvent these issues, surface modifications are investigated as accessible solutions to protect the active material and enhance its performance. Although various coating chemistries and strategies are published in the literature, our approach of combining synthesis and surface modification of the active material in a single pot is as simple as it is efficient. The following manuscript will be covering the study of this material. Two methods of surface coating were studied, and their resulting coated material was compared to the uncoated material. After a detailed characterization of these materials, electrochemical studies were carried out to evaluate their performance. Finally, our resulting one pot LiAlO2- coated NMC622 has shown to be effective in counteracting NMC capacity degradation and improving the structural stability of the particles, thereby improving their cycle- life.

Ce travail concerne l'étude du transfert thermique par ébullition dans des microcanaux avec l'objectif de développer des systèmes thermiques compacts adaptés aux composants de puissance miniaturisés. Les techniques de nano- et micro-structurations de surface ont été utilisées comme des méthodes novatrices pour améliorer les performances de transfert thermique ainsi que pour retarder l'assèchement intermittent qui apparaît dans les microcanaux. Dans un premier temps, des expériences d'ébullition en vase ont été réalisées afin de mettre en évidence l'impact d'un revêtement à l'échelle nanométrique sur les mécanismes d'ébullition nucléée. Il a été observé que la mouillabilité de surface, qui est modifiée par le dépôt de nanoparticules, a des effets significatifs sur les processus d'ébullition. Dans un deuxième temps, une campagne expérimentale a été réalisée pour étudier l'ébullition convective dans un microcanal avec des échantillons nano- et microstructurées. Ces études ont mis en évidence les effets de la mouillabilité et de la microstructuration de surface sur les régimes d'écoulement, les pertes de charge et le coefficient de transfert thermique. En particulier, de fortes améliorations du coefficient de transfert thermique et le retard d'assèchement intermittent ont été obtenus avec des surfaces microstructurées.

La présente thèse concerne l'adhérence des pneumatiques avec les chaussées routières, et la possibilité de prévoir son évolution à l'aide d'essais de laboratoire et de modélisations. Tout d'abord, une méthodologie originale de polissage et de mesure de l'adhérence en laboratoire est présentée ; elle s'appuie sur la machine de Wehner et Schulze, développée en Allemagne. Grâce à elle, on peut mesurer l'évolution du coefficient de frottement avec la durée du polissage. Des chantiers routiers sont suivis dans le temps, afin de comparer la simulation en laboratoire et l'évolution réelle de l'adhérence. Parallèlement à la simulation expérimentale, des lois d'évolution sont établies. Un modèle à cinq paramètres est tout d'abord proposé, que l'on tente de relier aux caractéristiques des granulats (PSV, diamètre maximal, microtexture, etc.). Ensuite, un modèle plus physique est ébauché, explicitant les mécanismes de vieillissement et de décapage du bitume, et de polissage des granulats. Un coefficient d'équivalence entre le trafic poids lourd et le nombre de cycles d'usure en laboratoire est proposé, devant permettre à terme de choisir entre différents matériaux de couche de surface, et de prévoir l'évolution de l'adhérence d'une chaussée neuve. Enfin, les profils de surface sont examinés à différents états de polissage, dans le but de relier l'évolution de l'adhérence aux paramètres de rugosité, et aux caractéristiques des granulats (PSV, MDE, LA).

Les revêtements composites métal/céramique s'imposent aujourd'hui comme une réponse au fort besoin industriel d'amélioration de la fiabilité des pièces sous sollicitations multiples. Le procédé de projection plasma est envisagé pour la réalisation de tels revêtements avec d'excellentes propriétés tribologiques. Du fait de leur mode d'élaboration, la microstructure des revêtements projetés plasma est complexe et les propriétés en dépendant hétérogènes. Afin d'optimiser le comportement tribologique de ces dépôts, l'objectif de cette étude est d'établir des relations entre microstructure et propriétés tribologiques.<br />Utilisant la souplesse du procédé de projection plasma, notamment celui de projection réactive particulièrement développé pour cette étude, des dépôts composites présentant une large gamme de microstructures ont été obtenus. Pour cela, divers paramètres ont été étudiés : la nature des poudres métalliques projetées (alliages de titane ou de cuivre), la nature du renfort céramique (exogène et/ou endogène), le mode de projection (projection plasma réactive, mode RPS et en surpression, mode HPPS ou co-projection) et les conditions de projection propres à chaque procédé. Une caractérisation des dépôts a été menée, jusqu'à une échelle fine. Le niveau de renforcement de ces microstructures composites fines a été, en particulier, étudié par nanoindentation. Pour chaque mode de projection, deux dépôts composites ont été sélectionnés pour étudier leur comportement tribologique à l'aide d'un essai de frottement de type « pion-disque ». Cet essai a montré une sensibilité élevée à la microstructure et a ainsi permis de déterminer le rôle de certaines caractéristiques microstructurales des dépôts composites sur leurs propriétés tribologiques.<br />A partir d'observations métallographiques et d'analyses des faciès d'usure, un mécanisme d'usure commun aux deux types de dépôts, élaborés par co-projection et par projection réactive, a été mis en évidence. L'influence de la microstructure caractéristique de ces dépôts sur leur comportement tribologique a également été examinée.

Ce travail de thèse concerne l’étude de différents revêtements type « Diamond-Like Carbon » élaborés par un procédé CVD assisté par un plasma basse fréquence (40 kHz). Deux revêtements de référence sont d’abord étudiés : des couches de carbone amorphe hydrogéné (a-C:H) et des couches de carbure de silicium amorphe hydrogéné (a-SiC:H). L’évolution de leurs propriétés mécaniques (dureté, module d’Young) et tribologiques (frottement, usure) est décrite en fonction des paramètres du procédé et corrélée à leur microstructure. Les résultats obtenus pour ces deux couches de référence sont ensuite exploités pour proposer deux systèmes complémentaires : des revêtements a-C:H dopées et des systèmes multicouche a-C:H/a-SiC:H. Ces deux solutions présentent des contraintes résiduelles réduites par rapport à un revêtement a-C:H monocouche ce qui permet d’envisager une augmentation importante des épaisseurs de dépôt tout en conservant des propriétés mécaniques et tribologiques intéressantes. Enfin, en vue d’une application industrielle de ces revêtements sur des pièces de moteur par exemple, l’optimisation de leur adhérence par insertion de sous-couches adaptées ainsi que de leurs performances tribologiques en conditions lubrifiées par l’intermédiaire de texturation de surface est alors envisagée / Hydrogenated amorphous carbon films (a-C:H) and hydrogenated silicon carbide films (a-SiC:H) are deposited by low frequency (40 kHz) plasma enhanced chemical vapour deposition (LF PECVD). Structural, mechanical and tribological properties of those single layers have been first studied in relation with process parameters. Then those results have been used to study two other systems. The first one corresponds to silicon doped a-C:H thin films and the second one to multilayered coatings consisting in a stack of a-C:H and a-SiC:H layers. Those coatings offer potential advantages such as lower residual stress level comparing to that of a-C:H stress level which gives the opportunity to deposit thicker films, and also attractive mechanical and tribological properties. Moreover, in case of applications like car engine parts for example, adhesion and tribological properties under lubrication have to be improved. Solutions as incorporating underlayer or texturing surface are thus also investigated in this study

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.

Afin de protéger les denrées alimentaires, l’industrie d’emballage enduit sur un film une couche très fine de polymère pour augmenter ses propriétés barrière aux gaz. Le problème majeur de ces enduits, généralement faits de poly (chlorure de vinylidène), vient de leur production de gaz toxiques à l’incinération. Les restrictions environnementales mondiales évoluent rapidement et sont de plus en plus strictes. De ce fait, des bioplastiques sont envisagés comme alternative. Dans ce contexte, l’objectif de la présente thèse est d'étudier le revêtement de films poly(téréphtalate d’éthylène) avec un polysaccharide, le chitosane. Ce dernier possède de bonnes propriétés barrières au gaz à sec. Cependant, son application dans l’emballage est limitée à cause de son caractère hydrophile. Le but de notre étude est donc d'améliorer les propriétés barrières à sec du chitosane par l’ajout de nano-charges d’argile et sa résistance à l’humidité par greffage de l’acide palmitique à la chaine du chitosane. L'efficacité d'incorporation de la vermiculite a été confirmée par DLS, DVS et DRX. Un facteur d'amélioration de la barrière (BiF) d’environ 100 pour l'hélium et de plus de 10 pour le dioxygène avec l'addition de 50% de vermiculite a été obtenu à sec. Le greffage de l’acide palmitique a été confirmé par spectroscopie IR-TF, ATG, DSC et RMN. Les résultats de mesures de la perméabilité hélium montrent une amélioration de facteur de la barrière (BIF) de 2 d’une couche de chitosane-g-acide palmitique et vermiculite à 60% en poids par rapport au PET non revêtu à 98% HR. / In order to protect food, the packaging industry performs a film coating with a very thin polymer layer to increase its gas barrier properties. The major problem of these coatings is that they are generally made of poly(vinylidene chloride) which leads to a toxic gas production during incineration. In view of the rapid change of the global environmental restrictions that become quite stringent, bioplastics seem promising alternatives. In this context, this thesis deals with a fundamental study of poly(ethylene terephthalate) films coated with a polysaccharide: chitosan. Chitosan offers good barrier properties in dry conditions. However, its application in the packaging is limited because of its hydrophilic character. Therefore, the main goal of our work is on one hand to enhance the dry barrier properties of the material through adding nanoclays and on the other hand to improve its resistance to moisture by incorporating palmitic acid by grafting it to the chitosane backbone. The incorporation efficiency of vermiculite was confirmed by DLS, DVS and XRD. A barrier improvement factor (BiF) of about 100 for helium and more than 10 for dioxygen with the addition of 50% vermiculite was obtained under dry conditions. The grafting of palmitic acid has been confirmed by FTIR spectroscopy, ATG, DSC and RMN. The results of helium permeability measurements showed an improvement of the barrier factor (BIF) of 2 in the case of a chitosan-grafted-palmitic acid layer with 60 weight% of vermiculite compared to the uncoated PET at 98% RH.