Au-delà de leurs propriétés tribologiques intrinsèques, les composés lamellaires représentent d’excellents modèles pour étudier de façon fondamentale l’origine des pertes d’énergie par frottement. En effet, la présence du gap de van der Waals dans leur structure, permet de faire évoluer leur géométrie (dilatation de leur axe c) et leur structure électronique par intercalation parfaitement contrôlée (par voie chimique, électrochimique…) d’intercalants électro-donneurs (alkalins, bases de Lewis) ou électro-accepteurs (acides de Lewis). L’étude de l’évolution des propriétés tribologiques de ces composés en fonction du type d’intercalant, du taux d’intercalation et des conditions environnementales (atmosphère) est donc réalisée à l’échelle macroscopique (tribologie conventionnelle sous atmosphère contrôlée) et à l’échelle nanométrique (microscopie à force latérale).
Les résultats tribologiques sont corrélés aux évolutions de la géométrie et de la structure électronique. Cette dernière est étudiée expérimentalement par spectroscopie de Pertes d’Energie d’Electrons Transmis (EELS) et théoriquement par calculs ab-initio (méthode LMTO-ASA et FLAPW). Ces travaux sont réalisés en coopération étroite avec l’Institut des Matériaux de Nantes Jean-Rouxel, le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes de l’Ecole Centrale de Lyon, le Laboratoire de Chimie du Solide Minéral de Nancy et l’Equipe Carbone Fluorés du Laboratoire des Matériaux Inorganiques (UMR 6002).
Les processus de pertes ou transferts d’énergie aux interfaces sont aussi abordés à l’échelle nanométrique. Le GTSI a développé une méthode originale de mesure quantitative de la force normale et de la force latérale en microscopie à force atomique. Ceci permet dans le cas des expériences à faible résolution spatiale (balayage > 1µm) la mesure quantitative du coefficient de frottement. Dans les expériences à haute résolution spatiale (« échelle atomique ») les mesures permettent de remonter au déplacement réel de la pointe du microscope et à la valeur absolue de la force latérale. L’interprétation quantitative des images obtenues met en évidence un processus de déplacement de la pointe de type stick/slip et permet la mesure de l’énergie dissipée lors de déplacements de quelques distances inter atomiques (aire intérieure de la « loupes de frottement » correspondant à la courbe de variation de la force latérale sur un trajet aller retour de la pointe sur la surface).
A) Image en force latérale à haute résolution spatiale obtenue sur une surface de NbSe2 vierge.
B) Evolution de la force latérale en fonction du déplacement le long de la ligne représentée sur l’image.
C) Déplacement enregistré du transducteur piezo électrique et mouvement réel de type stick/slip de la pointe qui se fixe (stick) dans les minima de potentiels de la surface.
D) Carte de densité électronique (calcul FLAPW). En bleu les minima de densité en vert les maxima.
E) Loupe de frottement mettant en évidence l’énergie dissipée lors du déplacement sur quelques nm (aire intérieure de la courbe).`
F) Courbe potentiel « force latérale » en fonction du potentiel « force normale ». Le coefficient de frottement est déduit à partir des caractéristiques géométriques et mécaniques du micro-levier et de la pente de la droite.
Compréhension des propriétés tribologiques intrinsèques de composés de basse dimensionnalité
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vendredi 7 janvier 2011
