Un groupe de recherche du LTDS menée par Maria-Isabel De Barros Bouchet, a montré, en collaboration avec l’entreprise HEF/IREIS, le Laboratoire MATEIS et l'Institut Fraunhofer pour la mécanique des matériaux (Allemagne), que des contacts mécaniques pouvaient présenter une résistance à l'usure élevée et parallèlement un frottement ultra-faible.
Cette découverte a donné lieu à une publication scientifique dans la revue Nature en juillet dernier (Nature Communications volume 12).
Mieux comprendre l'interaction revêtement-lubrifiant
Dans de nombreux systèmes mécaniques, comme par exemple les moteurs ou les turbines d'éoliennes, le frottement et l'usure des pièces limitent les performances et la durée de vie des composants. L'utilisation de revêtements en carbone de type DLC (Diamond like carbon) sur les surfaces en contact est une solution prometteuse. Cependant, lorsque ces surfaces sont lubrifiées par un additif courant comme le dithiophosphate de zinc (ZDDP), le rôle du lubrifiant et son interaction avec le revêtement DLC étaient jusqu'ici mal compris.
Une recherche franco-allemande
C'est pour élucider cette question et optimiser les performances tribologiques qu'un groupe de recherche du LTDS et de l'Institut Fraunhofer, a mené une série d'expérimentations et de simulations avec différents revêtements DLC. Le groupe a ainsi mis en évidence que l'usure et la résistance sont conditionnées à la fois par des phénomènes mécaniques et des phénomènes chimiques.
Les expérimentations ont été menées par le LTDS (essais tribologiques et analyses de surface) et les simulations numériques par l'institut Fraunhofer.
Les propriétés qui impactent l'usure et les frottements
Cette étude a permis de définir une « recette » optimisée pour le revêtement DLC. L'équipe a en effet montré que les propriétés tribologiques d'un revêtement DLC lubrifié par le ZDDP dépendent de sa rigidité, de sa topographie de surface et de la teneur en hydrogène du revêtement.
Ainsi, avec un revêtement constitué de carbone amorphe tétraédrique sans hydrogène (appelé ta-C), présentant une dureté modérée, il est possible d'obtenir un frottement ultra-faible et une résistance à l’usure élevée. D’autres revêtements moins durs (a-C) montrent également une résistance à l’usure élevée, mais présentent un coefficient de frottement plus élevé. Enfin, contrairement à ce que l'on pourrait attendre, des revêtements ta-Cs plus durs subissent une forte usure.
Perspectives : vers des revêtements plus durables
Les mêmes partenaires ont décidé d'aller plus loin, afin de mettre complètement en évidence le rôle du soufre et de sa diffusion dans les DLC. La nouvelle étude est financée dans le cadre d'un appel à projets du Labex Manutech-sise (Science et ingénierie des surfaces et interfaces). À terme, l'objectif sera de proposer des revêtements DLC avec de meilleures performances, à la fois en termes d'usure et de frottement. Par ailleurs, ce type d'études pourrait aussi faciliter la formulation de nouveaux additifs alternatifs, plus respectueux de l'environnement.
Cette étude a été dirigée côté LTDS par Maria Isabel de Barros Bouchet, maîtresse de conférences en science des matériaux à l’École Centrale de Lyon.
Consulter la publication sur le site Nature Communications
