Caractérisation tribologique de films moléculaires d'acide phosphonique déposés sur une surface de cuivre

National audienceLa surface d'un substrat de cuivre a été fonctionnalisée grâce à une technique d'auto-assemblage d'une monocouche d'acide phosphonique. Après caractérisation de ce film, un excellent comportement tribologique est noté lorsqu'aucun nettoyage ultrasonore n'est effectué, pour des conditions de sollicitation de pression de 133 MPa et de vitesse de glissement de 1mm/s sur un tribomètre alternatif linéaire utilisant un frotteur en Si3N4 (μ = 0.12, durée de vie multipliée par 100). Des espèces physisorbées, sous formes d'amas de plusieurs μm3, présentes sur la monocouche semblent responsables de ce bon comportement. De premiers essais sur un tribomètre d'étirage-plan ont montré un réel potentiel de ce type de fonctionnalisation en emboutissage

Caractérisation tribologique de monocouches auto-assemblées

L'auto-assemblage de monocouches ou SAMs (Self-Assembled Monolayers) permet la génération d'une surface fonctionnalisée basée sur le greffage, par réaction chimique, d'un film de molécules organiques en surface. Dans ce cadre, nous avons exploré les aptitudes tribologiques de diverses SAM's en sollicitation de contact « sec » et « lubrifié » après avoir optimisé leur « qualité » : adsorption, organisation, densité et stabilité

Grafting and characterization of alkylphosphonic acid on copper : tribological behavior and surface properties

Le procédé de mise en forme des tôles métalliques, généralement oxydées, par emboutissage est en pleine évolutionpour répondre à de nouveaux besoins : intervalles de tolérances dimensionnelles de plus en plus étroits, productionen grande série à faible coût, apparition de nouvelles nuances de matériaux, souci écologique. La réussite d’une telleopération est prédominée par le contrôle du frottement au niveau du contact entre tôle à former et outil enmouvement relatif. Pour ce faire, nous proposons dans cette thèse de fonctionnaliser la surface de la tôle en ygreffant des molécules organiques auto-assemblées, par simple immersion dans une solution contenant les moléculesréactives. Le couple métal/molécule retenu pour cette étude est un substrat massif de cuivre pur avec des moléculesd’acides alkylphosphoniques (CnH2n+1PO(OH)2) dans le but d’établir une corrélation entre les propriétésphysicochimiques des films ainsi formés et leur comportement tribologique. La réponse en frottement a été étudiéepar deux moyens de simulation expérimentale des conditions de contact (tribomètres bille/plan et étirage-plan). Nousavons considéré l’influence des trois facteurs de préparation de substrat suivant μ la nature de surface juste avant safonctionnalisation (présence d’une couche d’oxyde ou d’hydroxyde), le nettoyage de surface aux ultrasons après safonctionnalisation (élimination des espèces physisorbées) et la longueur de chaîne alkyle de la moléculeorganophosphonique (n=4, 12 et 16). Bien que la formulation de cette fonctionnalisation soit simple (élaborée àpartir d’une seule molécule), les techniques d’investigation de surface (PM-IRRAS, XPS, électrochimie, MEB,…)montrent que les films auto-assemblés sont constitués d’une bicouche de bonne qualité de greffage et de propriétésanticorrosion. Cette bicouche est composée d’une première monocouche de molécules chimisorbées à la surface (ouSAM) sur laquelle est déposée une deuxième couche d’amas physisorbés. D’autre part, notre étude a montréégalement que les amas physisorbés ont un rôle primordial dans le comportement tribologique du film auto-assemblé(abaissement et stabilité du coefficient de frottement et prévention contre le grippage).Sheet metal forming processes are quickly evolving to meet new requirements of deep drawing such as: continuousminimization of dimensional tolerances intervals, cost efficiency at mass production, appearance of new materialstypes, environmental concern. The success of such operation is predominated by controlling friction at the contactbetween the metal sheet and forming tool in relative motion. In the present work, we propose to functionalize themetal sheet surface using grafting of self-assembled organic molecules by simple immersion in a solution containingthe reactive molecules. Consequently, thin film of alkylphosphonic acid (CnH2n+1PO(OH)2) was grafted on copperoxide substrate in order to establish a correlation between the physicochemical properties of the films andtribological behavior. Frictional response was studied by two experimental means of contact conditions (stripdrawing testing and ball-on-plane tribometer). The influence of three factors for the preparation of substrate wasconsidered. Firstly, the nature of its surface just before functionalization including the presence of an oxide orhydroxide layer was studied. Then, the ultrasonic surface cleaning after functionalization (removal physisorbedspecies) and finally, the alkyl chain length of the organophosphonic molecule (n = 4, 12 and 16). Although theformation of this functionalization is simple (made from a single molecule), the surface investigation techniques(PM- IRRAS , XPS, electrochemistry , SEM, .., etc.) show that self-assembled films consist of a bilayer with a goodgrafting quality and anticorrosion properties. The bilayer is composed of a first monolayer of molecules chemisorbedon the surface (or SAM) on which a second layer of physisorbed species is deposited. Furthermore, this study alsoshowed that the physisorbed species have a key role in the tribological behavior of self-assembled film (lower andstable friction coefficient and high resistance to galling)

Monocouche auto-assemblée d'acide phosphonique comme revêtements anti-corrosion et lubrifiants

National audienceL'auto-assemblage de monocouches ou SAMs (Self-Assembled Monolayers) sur une surface modifie fortement les propriétés physico-chimiques de cette surface. Cette technique, fréquemment utilisée, permet de fixer des biomolécules ou encore de conférer à la surface des propriétés catalytiques, anti-corrosion ou lubrifiantes. Dans le domaine de la lubrification, l'intérêt des SAMs est d'aboutir à des coefficients de frottement très faibles, et d'obtenir très aisément une liaison forte entre les molécules et le substrat, créant un dépôt de très faible épaisseur. Les molécules les plus utilisées pour constituer ces SAMs sont les thiols qui ont le désavantage de ne se fixer que sur certains métaux, les acides carboxyliques faiblement liés ou les silanes qui nécessitent des conditions particulières. Dans notre cas, nous avons choisi de travailler avec des lkylphosphoniques R-PO(OH)2 faciles à greffer par condensation des P-OH sur les hydroxydes de surface. Plusieurs auteurs ont déjà étudié leur greffage en particulier sur aluminium [1], cuivre [2], acier [3], etc. L'originalité de nos études est d'aborder à la fois les aptitudes anti-corrosion et tribologiques de ces monocouches, non pas en recherchant fermement une monocouche de qualité parfaite, mais plutôt en investiguant une solution applicable industriellement. Différentes techniques de caractérisations électrochimiques et spectroscopiques ont permis de mettre en évidence les imperfections du greffage, réalisées sur des matériaux oxydables, à l'origine des bonnes propriétés lubrifiantes et anti-corrosion

Electrochemical behaviour of austenitic stainless steel under tribological stresses and irradiation

International audienceAn experiment was developed to characterise the behaviour of 316 L stainless steel under the combined effects of corrosion, tribology, and irradiation. This original experiment shows that radiolysis, through the production of free radicals and H2O2, leads to an oxidising medium. The electrochemical behaviour of the material from the recorded polarisation curves and electrochemical impedance spectroscopy measurements indicates that the passive film under irradiation is a Cr oxi-hydroxide layer. The layer has more formative thickness under irradiation. When the irradiation is interrupted, the passive film is identical to that observed before irradiation. The repassivation is faster during irradiation and friction

Grafting and characterization of dodecylphosphonic acid on copper: Macro-tribological behavior and surface properties

International audienceThin film of n-dodecylphosphonic acid (DDPA) was prepared on a copper oxide substrate via a molecular self-assembly process. The composition, structure, organization, surface energy, morphology, and electrochemical behavior of the DDPA filmwere characterized bymeans of X-ray photoelectron spectroscopic analysis (XPS), polarization modulation infrared reflection absorption spectroscopy (PM-IRRAS), contact angle measurement v(CAM), microscopic observations, and electrochemistry. The friction behavior of the DDPA film adsorbed on copper oxide substrate sliding against a Si3N4 ball was examined on a linear reciprocating tribological tester. Worn surfaces of the DDPA film were observed with a scanning electron microscope. All properties of the DDPA film were compared and discussed in terms of sonication effects just after surface functionalization. The presence and organization of alkyl phosphonate molecule on Cu were confirmed by XPS, PM-IRRAS and CAM analyses. PM-IRRAS data gave some indication of tridentate bonding between phosphonic groups and oxidized Cu surface. Electrochemical studies showed strong anti-corrosion behavior. Excellent tribological behavior was observed for DDPA film before sonication (DDPA/Cu BS) under contact pressure of 133 MPa and lowsliding speed of 1 mm*s−1 conditions. In the case of DDPA/Cu BS surface, very low friction coefficient value (μ ≈ 0.12) and increase in antiwear life (100 times higher) were observed, compared to a DDPA film after sonication (DDPA/Cu AS) and a bare Cu substrate