Compréhension des mécanismes d'action de nouveaux additifs de lubrification faiblement polluants : couplage expérience/simulation numérique – LOWPOLUB

L'un des principaux axes de recherche de l'équipe « Tribochimie, Nanolubrifiants, et Modélisation » du LTDS est la mise au point de solutions appropriées en vue de réduire les risques environnementaux liés à l'utilisation massive d'additifs de lubrification dans les huiles moteurs. Autour de cette problématique deux axes de recherche existent, portés par deux jeunes enseignants chercheurs. Le premier porte sur l'amélioration de la compréhension des mécanismes de lubrification des additifs utilisés actuellement afin d'optimiser leur action. Le second axe constitue une voie « plus originale » puisqu'il est basé sur le développement de nouveaux additifs à base de systèmes nanoparticulaires. Jusqu'à présent ces deux approches ont été principalement abordées par l'intermédiaire d'essais de frottement couplés à des analyses post-mortem des surfaces, des particules d'usure ou du lubrifiant. Celles-ci ont été menées par l'intermédiaire de techniques de caractérisation dites « classiques » telles que le MET, l'XPS ou la spectroscopie Raman. Si des résultats encourageant ont ainsi pu être obtenus et si des premiers scenarii sur les mécanismes d'action des additifs ont pu être proposés, leurs validations nécessitent cependant de sonder directement le comportement du matériau interfacial lors de sa phase de sollicitation. Cela passe par la mise en place d'une nouvelle méthodologie basée sur les compétences de chacun des acteurs du projet. Cette dernière est axée sur la combinaison de méthodes expérimentales (la tribologie in-situ et simulation expérimentale d'essai tribologique) et d'une méthode prédictive de simulation numérique (Computational Chemistry) ; le tout permettant la caractérisation in-situ des produits interfaciaux. - La mise en place effective de cette méthodologie passe par des développements expérimentaux et théoriques importants. Le couplage d'essais tribologiques et de caractérisation structurale par le biais de la tribologie Raman in-situ (en collaboration avec le Laboratoire des Sciences de la Terre (LST UMR 5570) de l'Ecole Normale Supérieure de Lyon) constitue un premier point essentiel de ce projet. L'idée est de monter un tribomètre nomade sur le spectromètre Raman de l'ENS afin de suivre en temps réel l'évolution des produits interfaciaux, à l'échelle moléculaire en cours d'essai de frottement. - Le LST offre également la possibilité de mener, par l'intermédiaire d'une cellule à enclumes de diamant, des études en spectroscopie Raman sous très haute pression (jusqu'à 30 GPa). Des études similaires peuvent également être menées sur une ligne EXAFS de l'ESRF spécialement dédiée à l'étude in-situ des modifications structurales des matériaux sous hautes pressions. Ces essais ne font toutefois pas intervenir de cisaillement, composante essentielle à tout essai de frottement. Nous proposons donc de réaliser des expériences dans la presse multi-enclumes du Laboratoire National d'Argonne qui présente l'avantage d'être montée sur une ligne dédiée (13B) du synchrotron APS (Advanced Photon Source). Cela permettrait d'une part de solliciter le matériau simultanément en pression et en cisaillement mais également de réaliser in-situ des expériences de diffraction des rayons X. - D'un point de vue théorique, l'objectif est de simuler par Dynamique Moléculaire et/ou Chimie Quantique l'essai de frottement pour avoir des informations sur l'évolution de la structure du matériau sous sollicitations tribologiques simplifiées. En plus de la pression et de la température, le cisaillement, et l'environnement peuvent être pris en compte. Cette approche est adaptable à différents systèmes tribologiques (nanoparticules comme additifs de lubrification) et serait parfaitement complémentaire des essais réalisés en cellule à enclume de diamants. L'idée est de développer l'utilisation de ce type d'outils au LTDS. Il est donc envisagé dans le cadre de ce projet d'acquérir un logiciel de Dynamique Moléculaire du laboratoire du Pr. Miyamoto