Simulation moléculaire d'un liquide ionique comme lubrifiant : De la rhéologie en volume au nanoconfinement

Molecular simulation of an ionic liquid as lubricant : From bulk rheology to nanoconfinement

• Auteur / Autrice : Nicolas Voeltzel
• Direction : Nicolas Fillot, Laurent Joly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 18/11/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Neville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Fillot, Laurent Joly, Anne Neville, Rosa M. Espinosa-Marzal, Agilio Padua, Philippe Vergne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rosa M. Espinosa-Marzal, Agilio Padua

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frottement

Lubrifiants

Tribologie (technologie)

Mots clés libres

Tribologie

Rhélogie

Dynamique moléculaire

Lubrification

Lubrifiant

Frottement

Fluides ioniques

Tribology

Rheology

Molecular dynamics

Lubrication

Lubricant

Friction

Ionic liquid

Résumé

Les contraintes économiques et environnementales toujours plus exigeantes tendent à réduire la quantité de lubrifiant utilisée dans les systèmes mécaniques. Il en résulte des épaisseurs de film de l’ordre du nanomètre dans les zones de contact, laissant seulement quelques couches de molécules de lubrifiant pour assurer la séparation des surfaces. Pour relever ce défi, de nouveaux fluides sont à l’étude tels que les liquides ioniques qui présentent un formidable potentiel en tant que lubrifiants. Grâce à la Dynamique Moléculaire, la réponse rhéologique d’un liquide ionique à différentes sollicitations de température, pression et cisaillement est tout d’abord caractérisée en détail. Avec l’appui d’essais expérimentaux, l’aptitude du liquide ionique à lubrifier des films minces est confirmée. Cette étude a également permis de jeter un nouveau regard sur les modèles analytiques classiques utilisés en rhéologie. Le liquide ionique en situation de nano-confinement entre deux surfaces représentatives d’un contact acier-acier est ensuite étudié. Les effets combinés du glissement à la paroi, de la rhéofluidification et de l’élévation de température apportent des éléments de réponse pour expliquer la saturation de la contrainte de cisaillement aux fortes sollicitations. Enfin, l’influence de différents revêtements de surface limitant grandement le frottement est analysée. Selon le matériau utilisé, des régimes de lubrification très différents surviennent avec un glissement du fluide à la paroi parfois prédominant. L’utilisation de surfaces polaires impacte également fortement la réponse des contacts lubrifiés par un liquide ionique.

Increasing economic and environmental constraints tend to reduce the amount of lubricant used in mechanical systems. This results in nanometric film thicknesses in the contact areas, leaving only a few layers of lubricant molecules to ensure the separation of the surfaces. To meet this challenge, new fluids are being considered such as ionic liquids which feature a great potential as lubricants. Through Molecular Dynamics simulations, the rheological response of an ionic liquid to different conditions of temperature, shear and pressure is first characterized in detail. The ability of the ionic liquid to lubricate thin films is confirmed. Besides, this study goes back over the classic analytical models used in rheology. The ionic liquid is then nanoconfined between two representative surfaces of a steel-steel contact. The combined effects of wall slip, shear-thinning and temperature rise provide answers to explain the saturation of the shear stress. Finally, the influence of different low friction surface coatings is analyzed. According to the material used, very different dynamical behaviors occur. Moreover, it is shown that the use of polar surfaces significantly impacts the response of ionic liquid lubricated contacts.