Le pouvoir lubrifiant des nanotubes de carbone

Vanessa Chauveau

Description

Sous la direction de Jean-Michel Martin, Fabrice Dassenoy
Thèse soutenue le 16 décembre 2010: Ecole centrale de Lyon
Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l’huile, on peut noter le dithiocarbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique, à base de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer nettement voire d’éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les matériaux à base de carbone présentent des propriétés tribologiques intéressantes mais n’ont jamais été entièrement étudiés. Dans cette étude nous nous sommes intéressés aux propriétés lubrifiantes des nanotubes de carbone (NTCs). Des nanotubes multi-parois ont été dispersés dans l’huile puis les propriétés rhéologiques et tribologiques des « nanolubrifiants » ont été étudiées. Nous nous sommes intéressés à leurs propriétés tribologiques dans deux régimes de lubrification : le régime limite et le régime élastohydrodynamique. Nous nous sommes tout d’abord focalisés sur les propriétés rhéologiques du mélange huile/NTCs.Les nanotubes de carbone possèdent une tendance à s’agréger sous la forme d’un réseau de taille micrométrique ce qui résulte en une nette augmentation de viscosité de l’huile de base. Cet effet épaississant pourrait éventuellement permettre aux NTCs de remplacer une partie de l’Améliorant d’Indice de Viscosité (AVI) habituellement additionné à l’huile de base. Néanmoins, nous avons mis en évidence un effet antagoniste avec les autres additifs de lubrification, tel que le dispersant, qui pourrait être un problème pour une telle utilisation. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés des NTCs dans le régime limite de lubrification. Les NTCs présentent des propriétés réductrices de l’usure et du frottement intéressantes sous certaines conditions. Les analyses effectuées laissent supposer un rôle du catalyseur dans le mécanisme de lubrification. Les nanotubes de carbone semblent d’un grand intérêt car, ils possèdent également des propriétés tribologiques en régime élastohydrodynamique (EHD). Le mécanisme de formation des films lubrifiants a été étudié en fonction des paramètres concentrations et vitesses d’entraînement: la propagation des agrégats de NTCs à travers le contact résulte en une augmentation locale de l’épaisseur de film lubrifiant. De plus, une réduction de frottement et un décalage dans l’apparition des premières traces d’usure ont été observés à la suite d’essais tribologiques. Le mécanisme d’action des NTCs en régime de lubrification EHD est proposé dans cette partie. Cependant, les interactions entre les NTCs et les additifs présents dans les lubrifiants entièrement formulés doivent être étudiés pour optimiser la formulation de lubrifiant à base de nanotubes de carbone.
-Lubrification automobile
-Nanotubes de carbone
-Additifs
-Propriétés tribologiques
-Propriétés rhéologiques
The current requirements in automotive lubrication impose extremely complex formulation. Among all the additives present in oil, one can note the presence of molybdenum dithiocarbamateand zinc dithiophosphate, both tribological additives containing sulfur and phosphorous. For environmental reasons, it is important to reduce or eliminate the presence of these two elements contained in oil. Carbon based materials are expected to present interesting tribological properties but were never really fully investigated. In this study, we are being interested on the lubricant properties of nanometric Carbon NanoTubes (CNT). Multi wall carbon nanotube MWNTs have been dispersed in oil and the behaviour of the blends has been studied in terms of rheology and tribology. We investigated their friction properties in two regims of lubrification : boundary lubrification and elastohydrodynamic (EHD) lubrification. At first, we focused in rheological properties of the blend. Carbon NanoTubes (CNT) present the tendency to aggregate to form micrometric network and this results in an increase in the blend viscosity. This thickening effect could make it possible to replace part of the ViscosityIndex Improver traditionally added to base oil. Nevertheless we reported an antagonist effect with other additives such as dispersant which may be a problem for this purpose. Then we investigated lubricant properties of CNT in boundary regim. CNTs show interesting friction reducing and anti-wear properties in some conditions. The results obtained let suppose a role of the catalyst in the lubrication mechanism. CNT are also of great interest in reason of their potential tribological properties in EHD lubrification regim. The lubricant film formation has been investigated as a function of the speed and the CNT concentration : the propagation of the CNT through the contact results in a local increase in the film thickness. Moreover, a reduction in friction and a drift in the wear onset have been observed under controlled contact kinematics. A potentiel mechanism of lubrification is explained in this last part. However, the interaction between the carbon nanotubes and the other additives present in the fully formulated lubricant need to be carrefully investigated in order to be able in the future to optimise the formulation of new carbon nanotubes based lubricants.
-Automotive lubrification
-Carbon nanotubes
-Additives
-Tribological properties
-Rheological properties
Source: http://www.theses.fr/2010ECDL0041/document

Sujets

• Nanotube de carbone
• Additif

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

N°ordre : 2010 - 41 Année 2010
THESE
présentée devant
L’Ecole Centrale de Lyon
pour obtenir le grade deDocteur
spécialitéGénie des Matériaux
par
Vanessa CHAUVEAU
Ingénieur Matériaux - E.S.I.R.E.M.
Le pouvoir lubrifiant des
Nanotubes de Carbone
Soutenue le 16 Décembre 2010
devant la commission d’examen composée de :
Pr Jean-Michel Martin L.T.D.S - Ecole Centrale de Lyon Directeur de Thèse
M.C.F. Fabrice Dassenoy L.T.D.S - Ecole Centrale de Lyon Co-Encadrant de Thèse
D.R. Pierre Montmitonnet C.N.R.S. - C.E.M.E.F. Paris Rapporteur
Pr Cécile Zakri C.R.P.P. Université de Bordeaux Rapporteur
Dr Raphaele Iovine TOTAL - Solaize Examinatrice
Pr Christophe Laurent C.I.R.I.M.A.T. - UPS Toulouse Président
Pr Alfonso San-Miguel L.P.M.C.N. - Université de Lyon 1 Examinateur
Dr Julien Amadou Nanocyl - Namur Membre Invité
C.R. Juliette Cayer-Barrioz C.N.R.S. - L.T.D.S Lyon Membre InvitéRemerciements
Nombreuses sontles personnesquej’aimerais remercier pourm’avoir aidée etsoutenue tout
au long de ces trois années passées à l’Ecole Centrale de Lyon et au Centre de Recherche en
Solaize.
J’ai été accueillie en 2007 au LTDS et tiens à en remercier Denis Mazuyer, directeur de
ce laboratoire. Dans le même temps, je remercie Philippe Rivault de m’avoir permis de tra-
vailler sur le site du CReS. J’ai pu partager librement mon emploi du temps entre ces deux
laboratoires, grâce à la confiance de mon directeur de thèse Jean-Michel Martin et au suivi
quotidien assuré par Fabrice Dassenoy et Raphaële Iovine. Je leur adresse mes remerciements
pour m’avoir laissée évoluer en électron libre pendant ces trois années. Je suis très reconnais-
sante de l’intérêt qu’ont porté les personnes de la société Nanocyl à ce projet.
Je remercie Mr Christophe Laurent d’avoir présidé mon jury de thèse le 16 Décembre 2010,
ainsiquePierre Montmitonnet et Cécile Zakrid’avoir accepté d’être rapporteurs,jetiens aussi
à souligner le travail des examinateurs lors de ma soutenance. Vos critiques judicieuses m’ont
éclairée sur les problématiques liées aux nanotubes de carbone. Merci à tous ceux et celles qui
ont assisté à ma thèse.
Comment ne pas remercier mes encadrants « officieux », Juliette Cayer-Barrioz et Fran-
cis Rondelez, sans qui tout simplement cette thèse n’aurait pas pu voir le jour. Je vous dois
énormément dès les premières minutes où vous vous êtes intéréssés à mon sujet. Vous m’avez
apporté ce que j’étais venu chercher en thèse : découvrir le monde de la recherche des pas-
sionnés. Merci pour les nombreuses discussions scientifiques, pour ces conseils avisés, pour
vos critiques constructives lors de la rédaction de mon manuscrit. C’est une véritable chance
d’avoir pu travailler avec vous.
Au cours de cette dernière année de thèse, Juliette a toujours été à l’écoute et a toujours
témoigné une précieuse attention dans ce que je faisais au quotidien, quel que soit le domaine.
Lafindecette thèsenous oblige ànous éloigner mais j’espèreprofondémentpouvoir collaborer
un jour avec elle car je ne retiens que des choses positives. Donc Juliette, bon courage et très
bonne continuation à toi pour la suite!
J’exprime ma profonde gratitude à Julien Amadou pour sa sympathie, sa disponibilité, ses
commentaires et enfin ses questions qui m’ont permis d’avancer dans ce travail.
Unefoisencore,jesouhaiteraisremercierPatrick Turellopoursesbonnesidéesetsonexcep-
tionnellegentillesse. J’enprofitepourremercier toutes lespersonnesduCReSquiontparticipé
à ce travail, particulièrement : Julien Chaminant, Guillaume Dulac, Mickael Ponsardin, Ro-
muald (c’était un plaisir de venir au département bitume vous soutenir dans vos labeurs),
Marc Chardonnet et finalement, Alain Bouffet.C’estpresqueuneévidencederemercierMrJ.P.Martin-DUTMP-,MrGoudonnet-LPUB-
(une très belle rencontre, c’est grâce à vous que j’écris des remerciements de thèse), Mr T.
Thundat -ORNL-, pour avoir contribué largement à ce parcours. Je n’oublie pas les conseils
prodigués par Mr T. Mathia -LTDS-.
Comme vous le lirez, beaucoup d’expériences et d’analyses de surface constituent la base
de ce mémoire. J’ai bénéficié d’appuis techniques experts pour parvenir à ces résultats et je
tiens à leur exprimer toute ma gratitude pour le temps qu’ils m’ont accordé : Béatrice Vacher
(analyses TEM), Bernard Beaugiraud (essais IR) et enfin Thierry Le Mogne (analyses Auger
et XPS notamment).
En terme d’assistance, je ne saurais oublier les soutiens techniques, informatiques et les secré-
taires qui ont largement contribué au bon déroulement de ma thèse.
Je remercie tous les membres du LTDS, les plus jeunes entrés en thèse, les stagiaires, les
ingénieurs que j’ai eu l’occasion de rencontrer au cours de ces trois années. Une pensée parti-
culière :
- aux personnes qui m’ont encouragée et conseillée - « mes perles » - : Aleksandra B., Elie B.,
Emmanuel R., Fanny B., Liza L., Mathilde M., Olga S. et Pierrot.
- à ceux qui ont cheminé en même temps que moi : Alexandre et Cédric (pour nos fous-rires
devant cet outil de pointe), Christine et Johny, Fipi, Fabrice, Gaëtan (pour le Tuto en Latex),
Florian (Risoul Power, merci pour ce week-end magique), Paule et Sam (merci pour les nom-
breux services rendus et pour m’avoir supportée), Jean et Romain (trop bon ce week-end à
Corençon, merci maître ridder), Zélie (encore merci)...
Pour finir, les personnes extérieures à ce travail que j’ai grandement sollicitées pendant
ces trois années : mon vieil Alex, Cédrico, ma petite voisine Céline (si je ne t’avais pas ...),
mon alcolok Dave (ne change rien), Eliz, mon modèle de réussite Fanny (merci de recoller les
morceaux régulièrement), Franck (je te dois une bouteille), Hélène (plage et bronzage quand il
a fallu...), pote du mardi Jean-Rémi, Marion (et Sarah aussi), Matthieu (geek et maître Latex
◦n 2 et ...), Mélanie (le meilleur bar de Paris), Nico (que dire...), Pascal, Pierrick (mon premier
soutien msn...), Romduf (élément moteur de ma scolarité)... et tous les autres.
4Résumé
Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations
extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l’huile, on peut noter le dithio-
carbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique, à base
de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer
nettement voire d’éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les matériaux
à base de carbone présentent des propriétés tribologiques intéressantes mais n’ont jamais été
entièrement étudiés. Dans cette étude nous nous sommes intéressés aux propriétés lubrifiantes
des nanotubes de carbone (NTCs). Des nanotubes multi-parois ont été dispersés dans l’huile
puis les propriétés rhéologiques et tribologiques des «nanolubrifiants» ont été étudiées. Nous
nous sommes intéressés à leurs propriétés tribologiques dans deux régimes de lubrification : le
régime limite et le régime élastohydrodynamique.
Nousnoussommestoutd’abordfocaliséssurlespropriétésrhéologiquesdumélangehuile/NTCs.
Les nanotubes de carbone possèdent une tendance à s’agréger sous la forme d’un réseau de
taille micrométrique ce qui résulte en une nette augmentation de viscosité de l’huile de base.
Cet effet épaississant pourrait éventuellement permettre aux NTCs de remplacer une partie
de l’Améliorant d’Indice de Viscosité (AVI) habituellement additionné à l’huile de base. Néan-
moins,nous avons mis en évidence un effet antagoniste avec les autres additifs delubrification,
tel que le dispersant, qui pourrait être un problème pour une telle utilisation.
Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés des NTCs dans le régime limite de lubrifi-
cation.LesNTCsprésententdespropriétésréductricesdel’usureetdufrottementintéressantes
sous certaines conditions. Les analyses eff