Etude et modélisation de l'endurance électrique de micro-contacts soumis à des sollicitations de fretting-usure : caractérisation de nouveaux dépôts base Argent

• Auteur / Autrice : Julie Laporte
• Direction : Siegfried Fouvry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 10/11/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Kapsa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Siegfried Fouvry, Sylvie Descartes, Olivier Alquier, Jérémy Sautel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Robbe-Valloire, Amílcar Ramalho

Mots clés

Mots clés contrôlés

Connecteurs électriques

Frottement

Mots clés libres

Connecteurs électriques

Fretting

Résistance électrique de contact

Coefficient de frottement

Usure

Oxydation

Or

Argent

Humidité relative

Approche énergétique

Prédiction des durées de vie

Electrical connectors

Fretting

Electrical contact resistance

Friction coefficient

Wear

Oxidation

Gold

Silver

Relative humidity

Energetic approach

Lifetime prediction

Résumé

L’instrumentation de plus en plus poussée des systèmes mécaniques (aéronautique, automobile,…) impose une utilisation croissante des connecteurs électriques. Cependant, leur environnement de fonctionnement (sollicitations chimiques et vibratoires) peut entrainer une dégradation plus ou moins sévère des contacts électriques limitant ainsi le passage du courant. Pour limiter cette dégradation et assurer la stabilité des connexions, des revêtements d’or sont couramment appliqués au niveau des contacts. Cependant, la conjecture économique et le coût très élevé de l’or nécessite de trouver une alternative moins chère. Parmi les métaux conducteurs, l’argent est aujourd’hui le meilleur candidat. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la réponse électrique et l’endommagement de dépôts argent soumis à des sollicitations de fretting. Pour cela, ces travaux de recherche ont été abordés selon trois axes. Le premier axe a permis une étude complète d’un contact homogène argent/argent afin d’identifier les mécanismes de dégradation responsables de la rupture électrique aussi bien en fretting qu’en glissement alterné. Il a aussi été possible, par une approche énergétique, de mettre en place un modèle prédictif permettant d’extrapoler les durées de vie du contact selon différents paramètres de chargement. Une étude complémentaire a également montré l’impact d’une atmosphère corrosive à base de soufre sur les contacts électriques en argent. Le second axe a permis, quant à lui, d’étudier le comportement tribologique et électrique de nouveaux matériaux à base d’argent développés dans le but de remplacer les dépôts dorés. L’analyse de ces contacts homogènes a permis de mettre en évidence les mécanismes de dégradation et les comportements mécaniques des contacts soumis à des environnements humides. Dans le dernier axe, une étude a été menée sur ces mêmes matériaux à base d’argent mais en configuration hétérogène contre un dépôt d’or afin d’identifier le comportement tribologique et électrique de ces contacts quand ils sont composés par des matériaux avec des propriétés similaires ou opposées.

Advanced instrumentation in mechanical systems (aeronautical, automobile etc…) goes hand in hand with an ever increased use of electrical connectors. However, the unfavorable operating environment (chemical attack and vibrational loads) causes more or less severe degradation of electrical contacts, which in turn perturbs their electrical conductivity. Gold plating is usually applied in electrical contacts in order to limit damage and to ensure connector stability. However, economic constraints and the high cost of gold require cheaper alternatives. Amongst conductive metals, silver is the best candidate. Hence, the purpose of this PhD project is to investigate the electrical response and the degradation of silver coatings when subjected to fretting loadings. The study is divided into three main research axes. The first axis consists in realizing a complete study of a homogeneous silver/silver contact in order to identify the degradation mechanisms that are responsible for the electrical failure, both in fretting loadings and reciprocating sliding. It was possible to formalize a predictive model, using an energy density approach, allowing to extrapolate the lifetime of the contact as a function of various loading parameters. A complementary study also showed the impact of a corrosive sulfur atmosphere on these electric contacts. As part of the second research axis, an investigation of the tribological and electrical behavior of novel silver-based materials, solely synthesized as a gold replacement, was performed. The analysis of these homogeneous contacts allowed to explain the degradation mechanism and the mechanical behavior of these contacts when subjected to a wet environment. In the last research axis a study was led on the same silver-based materials but in a heterogenous configuration against a gold coating in order to identify the tribological and electrical behavior of these contacts when composed by materials with similar or opposite properties.