An environmentally sustainable production of electrical power is important for preserving the earth’s natural resources. In order to utilize this power as efficiently as possible, it is of great importance to minimize the losses, for example in sliding electrical contacts. A sliding electrical contact is where current is transferred from one rotating to one stationary component and power is lost due to friction and contact resistance. Also in some signal applications, high performance sliding contacts are crucial to ensure stable signal transfer with low noise. Although sliding electrical contacts are primarily designed for good electrical performance, the system will benefit also from optimization of the tribological properties. The aim of this thesis is to increase the fundamental knowledge of the tribological and electrical performance of metal-graphite composite materials for sliding electrical contacts. The influence of mechanical and electrical load was investigated. Different stationary materials, from pure copper to nanocomposite coatings, were tested against copper- and silver-graphites. Two complementary test setups were used, one with reciprocating and one with unidirectional sliding. Surface analysis was essential to gain deepened understanding of the influence of the interaction on the surfaces. Especially my novel imaging of cross-sections has advanced the level on knowledge in this research field. On the stationary material surface, a tribofilm forms with constituents from the metal-graphite and the surrounding atmosphere. Cross-sectioning reveals a material flow that indicates turbulence. Furthermore, the presence of oxides in the tribofilm is not necessarily detrimental for the contact resistance as long as there is also pure metal available. The presence of graphite is vital for low friction and wear. It is shown that the tribological and electrical behaviour of this system is only marginally influenced by the material selection of the stationary contact. Increasing the metal content in the composite, on the other hand, greatly reduces the contact resistance while there is no significant impact on friction and wear. The mechanical load has to be optimized to compromise between low wear (achieved with low load) and low contact resistance (achieved with high load). Pure mechanical tests show a lower friction and higher wear rate in comparison to tests with a five ampere current.

En raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, couplées à une bonne résistance à la corrosion par piqûres et à un coût modéré (basse teneur en nickel et en molybdène), les aciers inoxydables austéno-ferritiques (dits aciers inoxydables duplex) sont largement utilisés dans de nombreux secteurs industriels. Les aciers inoxydables duplex ont une microstructure complexe composée à proportion équivalente d’austénite et de ferrite. L’austénite ayant une composition chimique différente de celle de la ferrite, un film hétérogène se forme à la surface des aciers inoxydable duplex. Par ailleurs, les deux phases métalliques ayant des propriétés mécaniques différentes, un champ de contraintes hétérogènes est généré dans les grains. Sous certaines conditions, l’existence de gradients de contraintes peut conduire à des hétérogénéités du film passif. Dans cette étude, l’effet d’un vieillissement de longue durée dans un milieu contenant des chlorures sur la composition chimique du film passif a été tout d’abord étudié. Le comportement en corrosion de certains alliages duplex a été ensuite déterminé à partir d’essais TCP (détermination de la température critique de piqûration). Les résultats ont été analysés en tenant compte des informations obtenues précédemment. Après vieillissement, l’épaisseur du film passif et le rapport Cr/Fe ont significativement augmenté. La distribution des chlorures dans le film passif est hétérogène. Cette distribution a été reliée à la microstructure du matériau et au champ de contraintes résiduelles. Il a été montré qu’elle influence le comportement électrochimique du matériau. Le comportement en corrosion est ensuite analysé à l’aide des courbes de polarisation locales. Des critères métallurgiques ont été proposés pour l’amorçage de piqûres. / Duplex stainless steels (DSS) are highly important engineering materials, due to their generally high corrosion resistance combined with high strength and moderate alloy cost (lower nickel and molybdenum content). They are widely used in various industrial sectors. DSS have a complex microstructure with comparable volume of austenite and ferrite. Due to differences in chemical composition between austenite and ferrite, a heterogeneous passive film is formed on both phases. In addition, due to differences in mechanical properties, a heterogeneous stress field may be generated in metallic grains. Under certain conditions, these differences may also yield formation of a heterogeneous passive film. In this work, the influence of long-term ageing in chloride-containing media by on the chemical composition of the passive film was first studied by means of XPS and Auger at the microscale. The corrosion behaviour of some duplex stainless steels was then determined from CPT tests (determination of the critical pitting temperature). Results were analysed taking into account information obtained previously. After ageing, the thickness and the ratio Cr/Fe are significantly increased. The chloride distribution in the passive film was heterogeneous. It was related to the microstructure and the residual strain field. It was shown that this distribution modifies the electrochemical behaviour of samples. The corrosion behaviour was then analysed from local polarization curves and CPT tests. Metallurgical criteria for pitting were proposed.

Le sujet de thèse concerne l’analyse et la prédiction de la corrosion des renforts métalliques exposés dans des environnements représentatifs. Dans cette étude, le système va se complexifier en commençant à partir du renfort métallique délaitonné (acier perlitique) en passant par le renfort métallique laitonné (couche de laiton) pour finir avec le renfort métallique sulfuré (couche de sulfures). Cette approche permet de comprendre pas à pas les phénomènes de corrosion ainsi que l’interaction entre les différentes couches. Les matériaux de l’étude sont caractérisés au départ par des techniques de microscopies (MEB-EBSD, MET) et d’analyses de surface (XPS, Auger). Ces informations microstructurales et de composition chimique sont essentielles pour l’interprétation des essais de corrosion. Les essais électrochimiques sont ensuite réalisés dans 0,1M NaCl pour observer et quantifier le comportement en corrosion des trois types de renforts de l’étude. La quantification est un élément important pour établir des modèles prédictifs de corrosion. Deux types de techniques électrochimiques sont utilisés, les mesures à l’échelle globale (Voltampérométrie, Impédance électrochimique, couplage galvanique…) et les mesures à l’échelle locale (microcellule). Les essais à l’échelle locale sont directement reliés aux cartographies EBSD grâce à la microcellule. Un lien direct microstructure-corrosion est donc établi. A partir des essais électrochimiques, des analyses de solutions (SAA, ICP…) ainsi que des mesures de pH localisées sont réalisés pour quantifier les espèces passant en solution. Ces résultats sont des données d’entrée pour définir un milieu représentatif. De nouveaux essais électrochimiques sont enfin effectués dans le milieu représentatif pour étudier l’impact de ce nouveau milieu sur la corrosion des renforts métalliques. / This work deals with analysis and corrosion prediction of steel cords exposed in representative environments. In this study, the system will become more and more complex starting from “délaitonné” metal reinforcement (perlitic) via the brass metal reinforcement (brass layer) to finish with the metal reinforcement sulfide (sulfide layer). This approach allows you to understand step by step corrosion phenomena and the interaction between different layers. Materials of the study are first characterized by microscopy techniques (SEM-EBSD, TEM) and surface analysis (XPS, Auger). These microstructural informations and chemical composition are essential for interpretation of corrosion tests. Electrochemical tests are worked out in 0,1M NaCl to observe and quantify corrosion behavior of the three kind of steel cords. Quantification is a significant element to establish predictive corrosion models. Two electrochemical techniques are used, measurements at global scale (voltammetry, electrochemical impedance, galvanic coupling ...) and locally measurements (microcell). Measurements at the local scale are directly linked to EBSD maps thanks to the microcell. A direct link microstructure-corrosion is established. From electrochemical tests, solutions analysis (AAS, ICP ...) and local pH measurements are performed to quantify species passing into solution. These results are input data to define a representative environment.New electrochemical tests are then performed in this representative solution to study the impact of this medium on the steel cords corrosion.

Le secteur du transport en Europe dépend à 98% du pétrole, participe pour plus de 30% à la consommation énergétique et représente plus de 20% des émissions totales de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le développement des biocarburants permettrait une diversification énergétique et une diminution des émissions de gaz à effet de serre, les biocarburants ayant un impact environnemental réduit. De plus, le frottement dans les moteurs diesel est responsable de la perte de la consommation totale d'énergie de près de 15%. La plupart de ces pertes sont liées au contact piston-chemise. Développer les biocarburants peut alors contribuer à réduire d’une part la consommation d’énergie et d’autre part les émissions polluantes. L'additivation de biocarburants avec des modificateurs de frottement organiques (MF) peut être l’une des solutions pour répondre à cette problématique. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés de réduction de frottement de différents types de MF organiques dans les matrices carburant (B0) et biocarburant (B7), en contact acier / acier. Une diminution significative du coefficient de frottement, de plus de 50%, a été observée en présence d'un mélange d'acides gras en matrice B7 à 100 °C. De plus, peu d’usure est causée durant le test en frottement grâce à la formation d'un tribofilm organique. Cette tribofilm semble être amorphe et généré par une réticulation accélérée des acides gras insaturés (MF) en présence d'esters (B7) dans les conditions tribologiques utilisées. Appuyé par des techniques d’analyses de surface, un mécanisme d'action de réduction de frottement par les additifs organiques dans les biocarburants est proposé et de nouvelles pistes de développement sont présentées. / Improve friction efficiency and environmental sustainability of engines have been increasing in importance since the end of 20th century. Indeed, friction in diesel engines is responsible for almost 15% loss of the total energy consumption. Most of these losses are related to the pistonliner contact. The development of new biofuels, allowing an energy diversification and decreasing the emissions of greenhouse gases due to their reduced environmental impact, can contribute to environmental sustainability and reduction in energy costs. The additivation of biofuels with organic friction modifiers additives (FM) can be an essential way to address this problem. In this thesis, we investigated the friction reduction properties of different kinds of organic FM in fuel (B0) and biofuel (B7) matrixes for steel/steel contact. A significant decrease of friction coefficient, more than 50%, was observed in the presence of a mixture of fatty acids blended to the B7 matrix at 100°C. Moreover, almost no wear is caused on the track thanks to the formation of an organic tribofilm. This organic-based tribofilm appears to be amorphous and generated by an easiest crosslinking of the unsaturated fatty acids (FMs) in the presence of esters under tribological conditions. Supported by advances surface analyses, a potential friction reduction action mechanism of acid-based additives in biofuels is proposed and new avenues for development are provided.

Advanced composite materials have enabled the conventional aircraft structures to reduce weight, improve fuel efficiency and offer superior mechanical properties. In the past, materials such as aluminum, steel or titanium have been used to manufacture aircraft structures for support of heavy loads. Within the last decade or so, demand for advanced composite materials have been emerging that offer significant advantages over the traditional metallic materials. Of particular interest in the recent years, there has been an upsurge in scientific significance in the usage of adhesively bonded composite joints (ABCJ’s). ABCJ’s negate the introduction of stress risers that are associated with riveting or other classical techniques. In today’s aircraft transportation market, there is a push to increase structural efficiency by promoting adhesive bonding to primary joining of aircraft structures. This research is focused on the issues associated with the durability and related failures in bonded composite joints that continue to be a critical hindrance to the universal acceptance of ABCJ’s. Of particular interest are the short term strength, contamination and long term durability of ABCJ’s. One of the factors that influence bond performance is contamination and in this study the influence of contamination on composite-adhesive bond quality was investigated through the development of a repeatable and scalable surface contamination procedure. Results showed an increase in the contaminant coverage area decreases the overall bond strength significantly. A direct correlation between the contaminant coverage area and the fracture toughness of the bonded joint was established. Another factor that influences bond performance during an aircraft’s service life is its long term strength upon exposure to harsh environmental conditions or when subjected to severe mechanical loading. A test procedure was successfully developed in order to evaluate durability of ABCJ’s comprising severe environmental conditioning, fatiguing in ambient air and a combination of both. The bonds produced were durable enough to sustain the tests cases mentioned above when conditioned for 8 weeks and did not experience any loss in strength. Specimens that were aged for 80 weeks showed a degradation of 10% in their fracture toughness when compared to their baseline datasets. The effect of various exposure times needs to be further evaluated to establish the relationship of durability that is associated with the fracture toughness of ABCJ’s.

Predložená dizertačná práca sa zaoberá analýzou opotrebenia totálnych bedrových endoprotéz za použitia optických metód. V práci bol predstavený nový prístup hodnotenia objemového úbytku materiálu pomocou 3D optického skeneru. Tento nový prístup je časovo efektívny, poskytuje veľké množstvo snímaných bodov na povrchu implantátu. Množstvo bodov umožňuje presnejšiu rekonštrukciu pôvodnej geometrie a prípadné rekonštrukcie nežiaducich poškodení polyetylénovej vložky pri extrakcii. Predstavené metóda bola validovaná za pomoci štandardizovanej gravimetrickej metódy v súlade s ISO 14242. Následne bol optická skenovacia metóda použitá v troch štúdiách zameraných na analýzu opotrebenia, mechanické zmeny artikulujúceho povrchu a mikroštruktúrne zmeny v dôsledku zlyhania implantátu. Analýza 23 extrahovaných polyetylénových vložiek typ Bicon - plus s rozšíreným použitím v Českej republike poukázala na niektoré problémy spojené so zlyhaním implantátu. Adhezívno - abrazívne opotrebenie bolo identifikované v oblasti penetrácie femurálnej hlavice a následné poškodenia ako delaminácia materiálu , plastické deformácie a pitting boli pozorované v okolí tejto oblasti. Analýza materiálových vlastností poukázala na degradáciu mechanických a chemických vlastností, čo bolo prevažne závislé od rozsahu opotrebenia implantátu. U implantátov boli pozorované výrazné plastické deformácie , nárast oxidačného indexu a nižší pomer tvrdosti voči modulu elasticity, v porovnaní s novými vzorkami. Tečenie materiálu a plastické deformácie, ktoré vykazovali všetky extrahované vzorky boli analyzované v závere predloženej dizertačnej práce, na základe testov na nových implantátoch v zábehovom cykle. Cieľom práce je uviesť nový prístup analýzy opotrebenia polyetylénových vložiek za pomoci optických skenovacích metód a preukázať jeho použiteľnosť na analýze súboru extrahovaných implantátov. Výsledky získané pomocou tejto metódy sa ukázali ako vhodné a môžu viesť k lepšiemu pochopeniu procesov opotrebenia a zlyhávania implantátov.

L’objectif de cette thèse a été d’étudier un traitement de surface innovant basé sur un contact avec un mélange réactionnel gazeux F2/O2. (oxyfluoration) déjà utilisé industriellement sur polymères mais sans application jusqu’à présent au niveau des fibres naturelles. Ces travaux se sont inscrits dans le cadre d’un projet collaboratif ayant pour objectif d’étudier et de développer les applications industrielles de ce traitement sur des fibres naturelles d’origines végétales (coton, lin) et animales (laine et soie). Le but a été d’intégrer principalement des fonctions oxygénées. La compréhension des mécanismes en jeu a été réalisé via la combinaison de plusieurs techniques d’analyse de surface, parmi lesquelles les techniques de microscopie (MEB, AFM) et les techniques spectroscopiques (XPS, ToF-SIMS). Grâce à la complémentarité de ces différentes techniques d’analyses il est apparu que le traitement d’oxyfluoration ne dégrade pas la surface et introduit en surface une quantité significative d’oxygène peu dépendante de la composition initiale du support mais avec des fonctions chimiques par contre variables selon la structure chimique initiale. Les résultats obtenus, notamment lors de tests de stabilité, ont montré que le fluor, également détecté en surface après le traitement, n’est pas réellement intégré dans la structure chimique des supports. La comparaison à des traitements plasmas a montré que le traitement présente moins de variabilité, ce qui a été confirmé en envisageant, via un plan d’expériences, l’ensemble des modifications possibles dans un contexte d’application industrielle. L’étude d’un transfert industriel a ensuite été mise en œuvre dans le cas du remplacement des traitements de préparation avant teinture du coton et l’efficacité a été testée en fonction des résultats des tests métiers. Le manque de variabilité du traitement n’a pas permis d’identifier de conditions suffisamment optimales pour proposer le remplacement des traitements actuels malgré les avantages d’un traitement en phase gazeuse et à pression atmosphérique / The objective of this thesis was to study a new surface treatment based on contact with a gaseous reaction mixture F2/O2. (oxyfluorination) already used industrially on polymers but not yet applied to natural fibres. This work was part of a collaborative project aimed at studying and developing the industrial applications of this treatment on natural fibres of vegetable (cotton, linen) and animal (wool and silk) origin. The aim was to integrate mainly oxygenated functions. The understanding of the mechanisms involved was achieved by combining several surface analysis techniques, including microscopy techniques (SEM, AFM) and spectroscopic techniques (XPS, ToF-SIMS). Thanks to the complementarity of these different analysis techniques, it appeared that the oxyfluorination treatment does not degrade the surface and introduces a significant quantity of oxygen on the surface, which is not very dependent on the initial composition of the support but with chemical functions that vary according to the initial chemical structure. The results obtained, particularly in stability tests, have shown that fluorine, also detected on the surface after treatment, is not really integrated into the chemical structure of the supports. The comparison with plasma treatments showed that the treatment has less variability, which was confirmed by considering, via a design of experiments, all the possible modifications in an industrial application context. The study of an industrial transfer was then implemented in the case of the replacement of preparation treatments before dyeing cotton and the effectiveness was tested according to the results of the business tests. The lack of treatment variability did not allow to identify sufficiently optimal conditions to propose the replacement of current treatments despite the advantages of gas phase and atmospheric pressure treatment

In this study, the effect of a passive trapped-vortex cell on lift to drag (L/D) ratio of an FFA-W3-301 airfoil is studied. The upper surface of the airfoil was modified to incorporate a cavity defined by seven parameters. The L/D ratio of the airfoil is modeled using a radial basis function metamodel. This model is used to find the optimal design parameter values that give the highest L/D. The numerical results indicate that the L/D ratio is most sensitive to the position on an airfoil’s upper surface at which the cavity starts, the position of the end point of the cavity, and the vertical distance of the cavity end point relative to the airfoil surface. The L/D ratio can be improved by locating the cavity start point at the point of separation for a particular angle of attack. The optimal cavity shape (o19_aXX) is also tested for a NACA0024 airfoil.

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I fordonsindustrin är kemisk renlighet ett grundläggande kriterium för att säkerställa kvaliteten och hållbarheten hos den slutliga produkten. Kemisk renlighet kan defineras som den maximala nivån av kemiska föroreningar (t.ex. olja, fett, ytaktiva ämnen, kemikalier, etc.) som är tillåten på ytan av en produkt, men som tillåter produkten att fortfarande fungera som normalt. En ren yta fri från kemiska föreningar kommer således att säkerställa en robust binding mellan olika substrat. Syftet med den här rapporten är att undersöka och fastställa en kvantiativ method för att utvärdera kemisk renlighet för Formed in Place Gaskets (FIGP). De instrument som kommer att användas för att analysera nivån av kemisk kontaminering (rengöringsmedel) är: F-Scanner, SITA CleanoSpector och Krüss MSA One-Click SFE Mobile Analyzer. För att anvgöra hur nivån av kontaminering (rengöringsmedel) påverkar silikonens tätningsförmåga kommer dolly pull-off adhesionsprov och dragprov att användas. Resultatet visar att F-Scanner och SITA CleanoSpector kan skilja mellan olika nivåer av kontaminering (rengöringsmedel). Dock kan det från dolly pull-off adhesionsprov och dragprov inte dras någon slutsats om att en högre koncentration av kontaminering (rengöringsmedel) leder till en lägre adhesionsstyrka. / In the automotive industry chemical cleanliness is a fundamental criterion for ensuring the quality and durability of the final product. Chemical cleanliness can be defined as the maximum level of chemical contaminants (e.g. oil, grease, surfactants, chemical residues, etc.) permitted on the surface of a part, that still allows the part to function as normal. Hence, a clean surface that is free of chemical contaminants will ensure a robust adhesive bond between different substrates. The following thesis aims to investigate and establish a quantitative method to evaluate chemical cleanliness applicable to Formed in Place Gaskets (FIGP). Different instruments: F-Scanner, SITA CleanoSpector, and Krüss MSA One-Click SFE Mobile Analyzer, for surface analysis will be investigated and used to determine the level of chemical contamination (detergent) on the surface. To determine how the level of contamination (detergent) affects the adhesion properties of sealant, the dolly pull-off adhesion test and tensile test will be used. The results show that the F-Scanner and SITA CleanoSpector can distinguish between different levels of contamination (detergent). However, from the dolly pull-off adhesion test and tensile test, it cannot be concluded that a higher concentration of contamination (detergent) leads to a decrease in the adhesion strength of the sealant.