Des chercheurs américains ont mis au point un revêtement innovant qui pourrait réduire considérablement les frottements dans les systèmes porteurs courants avec des pièces mobiles, des chaînes cinématiques de véhicules aux turbines éoliennes et hydroélectriques.
Ce revêtement réduit d’un facteur d’au moins 100 le frottement de l’acier contre l’acier. Le nouveau revêtement de l’ORNL pourrait contribuer à fluidifier une économie américaine qui perd chaque année plus de 1000 milliards de dollars à cause des frottements et de l’usure, soit l’équivalent de 5% du produit national brut.
Jun Qu, leader du groupe Ingénierie des surfaces et Tribologie de l’ORNL, explique : « Lorsque des composants glissent les uns contre les autres, il y a frottement et usure. Si nous réduisons le frottement, nous pouvons réduire la consommation d’énergie. Si nous réduisons l’usure, nous pouvons prolonger la durée de vie du système pour une meilleure durabilité et fiabilité. »
Dans une étude publiée dans Materials Today Nano, les chercheurs ont présenté un revêtement composé de nanotubes de carbone qui confère une superlubricité aux pièces en mouvement.
La superlubricité est la propriété de présenter virtuellement aucune résistance au glissement ; sa caractéristique est un coefficient de frottement inférieur à 0,01. À titre de comparaison, lorsque des métaux secs se frottent l’un à l’autre, le coefficient de frottement est d’environ 0,5. Avec un lubrifiant à base d’huile, le coefficient de frottement tombe à environ 0,1. Cependant, le revêtement de l’ORNL a réduit le coefficient de frottement bien en deçà du seuil de superlubricité, à 0,001.
Selon Jun Qu, « notre principale réalisation est de rendre la superlubricité réalisable pour les applications les plus courantes. Avant, on ne la voyait que dans des environnements à l’échelle nanométrique ou spécialisés. »
Pour l’étude, Chanaka Kumara a cultivé des nanotubes de carbone sur des plaques d’acier. À l’aide d’une machine appelée tribomètre, il a fait frotter les plaques l’une contre l’autre pour générer des copeaux de nanotubes de carbone.
Les nanotubes de carbone multicouches recouvrent l’acier, repoussent l’humidité corrosive et servent de réservoir de lubrifiant. Lorsqu’ils sont déposés pour la première fois, les nanotubes de carbone alignés verticalement se dressent à la surface comme des brins d’herbe. Lorsque les pièces d’acier se frottent l’une à l’autre, elles « coupent l’herbe ». Chaque brin est creux mais composé de plusieurs couches de graphène enroulé, une feuille de carbone atomiquement mince disposée en hexagones adjacents comme du grillage à poules. Les débris de nanotubes de carbone fracturés issus du rasage sont redéposés sur la surface de contact, formant un tribofilm riche en graphène qui réduit le frottement à presque zéro.
Chanaka Kumara explique que la fabrication des nanotubes de carbone est un processus en plusieurs étapes : « Tout d’abord, nous devons activer la surface de l’acier pour produire de petites structures, à l’échelle des nanomètres. Ensuite, nous devons fournir une source de carbone pour faire pousser les nanotubes de carbone. »
Il a chauffé un disque d’acier inoxydable pour former des particules d’oxyde de métal sur la surface. Puis, il a utilisé la déposition chimique en phase vapeur pour introduire du carbone sous forme d’éthanol afin que les particules d’oxyde de métal puissent y fixer le carbone, atome par atome, sous forme de nanotubes.
Jun Qu précise que « les nanotubes de carbone ne procurent pas de superlubricité tant qu’ils ne sont pas endommagés. Ils sont détruits lors du frottement mais deviennent une nouvelle chose. La clé est que ces nanotubes de carbone fracturés sont des morceaux de graphène. Ces morceaux de graphène sont étalés et reliés à la zone de contact, devenant ce que nous appelons un tribofilm, un revêtement formé pendant le processus. Puis les deux surfaces de contact sont recouvertes d’une couche riche en graphène. Maintenant, quand elles se frottent l’une à l’autre, c’est du graphène sur du graphène. »
La présence d’une seule goutte d’huile est essentielle pour atteindre la superlubricité.
« Nous avons essayé sans huile ; cela n’a pas fonctionné, » déclare Jun Qu. « La raison est que, sans huile, le frottement enlève les nanotubes de carbone de manière trop agressive. Ensuite, le tribofilm ne peut pas se former correctement ou survivre longtemps. C’est comme un moteur sans huile. Il fume en quelques minutes, tandis qu’un moteur avec de l’huile peut facilement fonctionner pendant des années. »
La superlubricité du revêtement de l’ORNL a une durabilité impressionnante.
Elle a persisté lors de tests de plus de 500 000 cycles de frottement. Chanaka Kumara a testé les performances pour un glissement continu sur trois heures, puis un jour et plus tard 12 jours. « Nous avons toujours obtenu une superlubricité, » a-t-il déclaré. « C’est stable. »
À l’aide de la microscopie électronique, Chanaka Kumara a examiné les fragments tondus pour prouver que l’usure tribologique avait sectionné les nanotubes de carbone. Pour confirmer indépendamment que le frottement avait raccourci les nanotubes, Michael Lance, co-auteur de l’ORNL, a utilisé la spectroscopie Raman, une technique qui mesure l’énergie vibratoire, liée à la liaison atomique et à la structure cristalline d’un matériau.
« La tribologie est un domaine très ancien, mais la science et l’ingénierie modernes ont apporté une nouvelle approche scientifique pour faire progresser la technologie dans ce domaine, » déclare Jun Qu.
« La compréhension fondamentale a été superficielle jusqu’à ces vingt dernières années, lorsque la tribologie a connu un renouveau. Plus récemment, les scientifiques et les ingénieurs ont vraiment uni leurs efforts pour utiliser les technologies de caractérisation des matériaux les plus avancées – c’est une force de l’ORNL. La tribologie est très pluridisciplinaire. Personne n’est expert en tout. Par conséquent, en tribologie, la clé du succès est la collaboration. »
Le titre de l’article est « Macroscale superlubricity by a sacrificial carbon nanotube coating. »
Le Programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire (LDRD) de l’ORNL a fourni le soutien initial au travail de preuve de concept. Ensuite, le Bureau des technologies de l’énergie solaire et le Bureau des technologies des véhicules du DOE’s EERE ont soutenu la recherche ultérieure.
Légende photo illlustration principale : Chanaka Kumara of ORNL used a chemical vapor deposition system, in the background, to coat a stainless-steel disc, in the foreground, with carbon nanotubes. Credit: Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy
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