Composites Multifonctionnels Graphène/Céramique pour Applications Tribologiques – GReC

La maîtrise des phénomènes liés au frottement et à l’usure dans les systèmes mécaniques constitue un défi majeur pour les communautés scientifiques et industrielles car elle impacte leur efficacité énergétique. On estime le coût annuel du frottement et de l’usure à 5 à 7% du produit national brut des pays industrialisés. Le développement de matériaux alliant à la fois propriétés mécaniques, fonctionnelles et une bonne compatibilité avec des lubrifiants aqueux plus écologiques pourrait s’avérer une solution technologique de rupture pour différentes industries.
Le projet GReC vise à développer de nouveaux composites multifonctionnels à matrice céramique renforcés par du graphène. L’utilisation d’un nouveau procédé de dépôt chimique en phase vapeur in situ permettra une dispersion homogène des feuillets de graphène directement au sein de la matrice céramique. Ce procédé de synthèse directe présente plusieurs avantages clés par rapport aux voies de mélange classiques : i) pas de manipulation des nano-carbones, ii) technologies industrielles matures favorisant le transfert d'échelle et iii) formation de films de graphène continus et homogènes autour de tous les grains de céramique. Ce dernier point est crucial car le caractère continu des feuillets de graphène favorise leur adhésion à la matrice, la bonne qualité de l'interface et le transfert de charge. Cela permettra donc de surmonter totalement les problèmes liés à l’homogénéité de la dispersion des plaquettes de graphène, dont l'agglomération peut agir comme un concentrateur de contraintes, provoquant la formation de nano-fissures préjudiciables à la résistance mécanique du composite. Ce procédé sera utilisé dans le projet GReC pour développer des nanocomposites renforcés au graphène avec des matrices à base de silicium, SiC et Si3N4, d'intérêt tribologique.
Les performances tribologiques de ces nouveaux nanocomposites graphène/céramique seront évaluées sous des contraintes mécaniques et thermiques sévères où ces matériaux peuvent apporter une solution technologique de rupture. Les mécanismes de frottement à sec et en présence de lubrifiants à base aqueuse seront étudiés et, une attention toute particulière sera portée à l'impact de la présence de feuilles de graphène au niveau de l’interface glissante. Le comportement à la fatigue en présence d’humidité et sous gradients de contrainte sera également étudié. Ces études à l’échelle macroscopique seront complétées par des caractérisations mécaniques à l'échelle nanométrique afin de comprendre les mécanismes de déformation sous-jacents impliqués lors de sollicitations tribologiques pour ces matériaux. Pour cela, des expérimentations de compression in situ seront réalisées dans un microscope électronique à transmission. Ce microscope étant "environnemental", il sera possible d'introduire une certaine pression partielle de gaz pour mettre en évidence l'influence des molécules d'eau sur la déformation plastique et la propagation des fissures à l’échelle nanométrique.
L'originalité du projet GReC réside à la fois dans le processus de préparation des composites, utilisant une nouvelle voie d'introduction du graphène in situ en une seule étape, et dans l'approche multi-échelle utilisée pour la caractérisation structurelle et tribologique des matériaux nanostructurés développés pour répondre aux besoins spécifiques de l’industrie.