Compréhension de l’influence de l’environnement sur les mécanismes de lubrification solide des couches minces à base carbone

Like Carbon (DLC) coatings that exhibit outstanding mechanical properties, thermal stability and tribological performance. It is well established that the frictional and wear performances of a-C:H:Si:O are less dependent on environment than that of pure hydrogenated amorphous carbon (a-C:H). However the fundamental mechanisms accounting for such excellent tribological behavior of a-C:H:Si:O are still not fully understood. The present work, which is part of a collaboration between the Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes of Ecole Centrale de Lyon and the department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics of University of Pennsylvania, consists in using a multi-scale, multidisciplinary and multi-technique experimental approach for understanding the influence of environment on the tribological response of a-C:H:Si:O. A wide rang of complementary techniques, including nanoindentation, Atomic Force Microscopy (AFM), Friction Force Microscopy (FFM), optical and electron microscopy, Raman, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and near edge x-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS), have thus been used to fully characterize the structure, composition and mechanics of the studied material, as deposited as well as after tribological testing. Control of the environment has been achieved first thanks to an open air linear reciprocating tribometer that we equipped with a gas blowing system, thus allowing a quick change of the sliding environment, and a environment-controlled analytical tribometer operating from high vacuum to elevated pressures of desired gases. We were able to evidence the strong influence of the amount of water vapor in the environment on the friction behavior of a- C:H:Si:O, with a reversible behavior when abruptly changing the environment. Contrary to water vapor, oxygen promotes the wear of a-C:H:Si:O. SEM observations revealed that while sliding a-C:H:Si:O against 52100 steel, the frictional response is controlled by the build-up and the release of adhesive junctions within the interface. Under high vacuum and below a threshold pressure of water vapor (1 mbar), oxygen (10 mbar) and hydrogen (50 mbar), adhesive junctions are released in the steel, resulting in a transfer of material from steel to a-C:H:Si:O and in a high coefficient of friction (μ≈1.2). However, as the gas pressure is increased above the threshold, the adhesive junctions break on the a-C:H:Si:O side, leading to a material transfer in the opposite direction, from the a-C:H:Si:O to the steel. NEXAFS spectroscopy revealed that a dissociative reaction occurs between the gaseous species and the strained C–C atoms in the near surface region ofa-C:H:Si:O, thus resulting in a drastic decrease of the steady state coefficient of friction by at least an order of magnitude. In light of these observations, an analytical model has been proposed to describe the fundamental interaction mechanisms between the environment and the a-C:H:Si:O/steel tribopairs.Les revêtements de carbone amorphe hydrogéné (a-C:H) avec incorporation de silicium et d’oxygène (a-C:H:Si:O) sont une catégorie de lubrifiants solides, de la famille des Diamond-Like Carbon (DLC), présentant aussi bien de bonnes propriétés mécaniques que tribologiques et une bonne stabilité thermique. Bien qu’il soit établi que le comportement tribologique de ces couches est moins dépendant de l’environnement que celui des couches a-C:H, sans éléments d’addition, l’origine physicochimique de ce comportement reste à élucider. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre une collaboration internationale entre le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes de l’Ecole Centrale Lyon et le département de Génie Mécanique et Mécanique Appliquée de l’Université de Pennsylvanie, et a pour objectifs d’apporter des réponses à ces questions ouvertes. Un large éventail de techniques expérimentales complémentaires, notamment la nanoindentation, la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie à mesure de force (FFM), la microscopie optique et électronique, le Raman, la spectroscopie de photoélectron X (XPS) et la spectroscopie de structure près du front d’absorption de rayons X (NEXAFS) a été mis en oeuvre pour non seulement établir une carte d’identité mécanique, structurale et chimique du revêtement initial, mais aussi comprendre les modifications structurelles induites par le frottement. Afin de contrôler l’environnement au cours des essais tribologiques, nous avons utilisé d’une part un tribomètre linéaire alternatif, que nous avons équipé d’un système de soufflage de gaz permettant de changer rapidement l’environnent au cours des essais, et d’autre part un tribomètre analytique à environnement contrôlé autorisant des expérimentations tant sous vide poussé qu’à pression élevée de gaz. Ainsi, nous avons pu montrer que le coefficient de frottement augmente avec le taux de vapeur d’eau dans l’environnement et cela est réversible lorsqu’on diminue brusquement l’humidité. En outre, la vapeur d’eau protège la couche de l’usure alors que la présence d’oxygène la favorise. Grace aux observations en microscopie électronique, nous avons pu prouver que le comportement tribologique des couches a- C:H:Si:O, lors d’un frottement contre de l’acier 100Cr6, est essentiellement contrôlé par la formation de jonctions adhésives dans l’interface. Sous vide poussé ou à faible pression de gaz (<1 mbar de vapeur d’eau, <10 mbar d’oxygène ou <50 mbar d’hydrogène), la rupture de ces jonctions adhésives a lieu dans l’acier, résultant en un transfert de matériau de l’acier vers l’a-C:H:Si:O s’accompagnant d’un coefficient de frottement élevé (μ≈1.2). Au delà de ces pressions seuils de gaz, les jonctions adhésives se rompent du côté du a-C:H:Si:O, le transfert de matière s’opérant alors dans la direction opposée, du revêtement vers l’acier. Des analyses NEXAFS ont révélé que ce phénomène s’expliquait par une réaction dissociative entre les éléments du gaz environnant et les liaisons carbone C–C contraintes, favorisée par la sollicitation mécanique en extrême surface de l’a-C:H:Si:O. Ceci résulte en une diminution drastique du coefficient de frottement à des valeurs d’un ordre de grandeur inférieures à celles obtenues dans la configuration précédente. L’ensemble de ces résultats nous a ainsi permis de développer un modèle expérimental expliquant les mécanismes fondamentaux d’interaction entre l’environnement et les lubrifiants solides du type a-C:H:Si:O

Understanding the hydrogen and oxygen gas pressure dependence of the tribological properties of silicon oxide-doped hydrogenated amorphous carbon coatings

Silicon oxide-doped hydrogenated amorphous carbons (a–C:H:Si:O) are amorphous thin films used as solid lubricants in a range of commercial applications, thanks to its increased stability in extreme environments, relative to amorphous hydrogenated carbons (a–C:H). This work aims to develop a fundamental understanding of the environmental impact on the tribology of a–C:H:Si:O. Upon sliding an a–C:H:Si:O film against a steel counterbody, two friction regimes develop: high friction in high vacuum and low gas pressure (oxygen pressure < 10 mbar; hydrogen pressure < 50 mbar), and a low friction regime at higher gas pressures (10 mbar < oxygen pressure < 500 mbar; 50 mbar < hydrogen pressure < 1000 mbar). Scanning electron microscopy (SEM) revealed that the tribological behavior of a–C:H:Si:O is governed by adhesive junctions at the sliding interface. At low gas pressures, material transfer from the steel pin to the a–C:H:Si:O flat occurs. At higher gas pressures, a tribofilm forms on the steel countersurface. Raman and near edge X-ray absorption spectroscopy (NEXAFS) spectroscopies demonstrate that upon sliding under the higher gas pressure, low friction regime, a surface layer with an elevated fraction of sp2-bonded carbon atoms forms. These changes indicate that these gases favor the release of the adhesive junctions by dissociatively reacting with the mechanically-stressed sp2 carbon-rich surface layer

Structure-property relationships from universal signatures of plasticity in disordered solids

When deformed beyond their elastic limits, crystalline solids flow plastically via particle rearrangements localized around structural defects. Disordered solids also flow, but without obvious structural defects. We link structure to plasticity in disordered solids via a microscopic structural quantity, “softness,” designed by machine learning to be maximally predictive of rearrangements. Experimental results and computations enabled us to measure the spatial correlations and strain response of softness, as well as two measures of plasticity: the size of rearrangements and the yield strain. All four quantities maintained remarkable commonality in their values for disordered packings of objects ranging from atoms to grains, spanning seven orders of magnitude in diameter and 13 orders of magnitude in elastic modulus. These commonalities link the spatial correlations and strain response of softness to rearrangement size and yield strain, respectively

Réactions tribochimiques entre couches minces DLC et hydrocarbures

National audienc

Compressions medullaires lentes en milieu Rhumatologique a Lome (Togo)

Patients et méthodes : Il s’est agi d’une étude multicentrique, transversale, menée du 1er janvier au 31 mars 2019 sur dossiers des patients admis en hospitalisation dans les trois services de rhumatologie à Lomé. Le diagnostic positif de syndrome de compression médullaire était clinique. Le diagnostic étiologique a reposé sur des arguments cliniques et paracliniques.Résultats : 165 des 3261 patients examinés (5%) souffraient d’un syndrome de compression médullaire lente. Les 165 patients (84 hommes ; 81 femmes) avaient un âge moyen de 54 ± 17 ans (extrêmes : 2 et 86 ans). La durée moyenne d’évolution était de 20 ± 35 mois (extrêmes : 2j et 18 ans). Les motifs d’hospitalisation étaient une impotence fonctionnelle (80,6%) associée ou non à une cervicalgie (12,9%), à une dorsalgie (15,3%), à une dorsolombalgie (28,8%) et à une lombalgie (46,6%). Les principaux signes cliniques étaient un syndrome rachidien (96,4%) et une parésie ou paralysie (95,2%). Le syndrome de compression médullaire était révélateur de la maladie dans 64,8% des cas. La radiographie standard a été réalisée chez tous les patients (100%), la TDM dans 43,6% des cas et l’IRM dans 16,4%. Les étiologies étaient les causes tumorales malignes (93 ; 56,4%) dominées par les métastases de cancers solides (59 ; 35,7%), les spondylodiscites bactériennes (46 ; 27,8%) dominées par le mal de Pott (40 ; 24,2%) et les affections rachidiennes dégénératives (26 ; 15,8%).Conclusion : Le syndrome de compression médullaire lente est rare en pratique rhumatologique à Lomé. Les étiologies sont dominées par les causes tumorales malignes principalement les métastases de cancers solides. Mots clés : Compression médullaire; Etiologie; Métastases de cancers solides ; Mal de Pott. English abstract: Spinal cord compressions in Rheumatology in Lome (Togo)&nbsp; Objective: To determine the prevalence and etiologies of slow spinal cord compression syndrome in rheumatology in Lomé. Patients and methods: This was a multicenter, retrospective study, conducted from January 1 to March 31, 2019 on records of patients admitted to hospital in the three rheumatology departments in Lomé. The positive diagnosis of spinal cord syndrome was clinical. The etiological diagnosis was based on clinical and paraclinical arguments. Results: 165 of 3261 patients examined (5%) suffered from slow spinal cord compression syndrome. The 165 patients (84 men; 81 women) had a mean age of 54 ± 17 years (range: 2 and 86 years). The mean duration of evolution was 20 ± 35 months (range: 2 days and 18 years). The reasons for hospitalization were a limitation of the walking distance (85.5%) associated or not with back pain (98.8%), and radiculalgia (89.1%). The main clinical signs were spinal syndrome (96.4%) and paresis or paralysis (95.2%). Spinal cord compression syndrome was indicative of the disease in 64.8% of cases. Standard radiography was performed in all patients (100%), CT in 43.6% of cases and MRI in 16.4%. The aetiologies were malignant tumor causes (56.4%) dominated by metastases of solid cancers (63.4%), bacterial spondylodiscitis (27.8%) dominated by Pott's disease (24.2%) and degenerative spinal diseases (15.8%). Conclusion: Slow spinal cord compression syndrome is rare in rheumatology practice in Lomé. The aetiologies are dominated by malignant tumor causes, mainly metastases from solid cancers. Key words: Spinal cord compression; Etiology; Metastases of solid cancers; Pott's disease