Modélisation prédictive du comportement tribologique des matériaux composites autolubrifiants

Dans les matériaux composites autolubrifiants, la génération de particules d’usure est nécessaire pour assurer la lubrification. Dans les roulements à billes, ce type de lubrification est possible grâce au matériau de la cage, composé d’un matériau composite autolubrifiant, tandis que le reste du roulement est fait en métal (AISI 440C). Pour les applications spatiales, le RT/Duroid 5813 est un composite autolubrifiant reconnu pour les cages de ce type de roulements. Ce matériau a été largement utilisé car il a répondu aux besoins de la lubrification sèche dans l’espace. Cependant, la production de ce matériau a été arrêtée dans les années 90. Cette situation a conduit à la recherche d’un « matériau équivalent » , répondant à la fois aux besoins du marché spatial et aux « besoins tribologiques ». Aujourd’hui, le principal inconvénient lié à ces matériaux est le manque de prévisibilité de leur comportement tribologique. Dans ce travail, une approche couplée expérimentale et numérique a été proposée afin de modéliser le comportement tribologique des matériaux composites autolubrifiants. Le modèle numérique proposé a été nourri par des caractérisations expérimentaux (comme la tomographie à rayons X pour la création de la morphologie du matériau numérique, ou la microscopie à force atomique pour informer la valeur de l’adhésion entre les composants). Le but d’une telle démarche numérique est de palier les limites d’une approche entièrement expérimentale qui ne permet pas d’observer in-situ le contact de par son caractère confiné. L’objectif du présent travail est de donner une réponse au problème de compréhension du comportement tribologique de matériaux composites autolubrifiants dans le mécanisme de double transfert. Ceci en vue de contribuer au développement d’un nouveau matériau tribologique répondant aux besoins des applications spatiales. Parmi tous les matériaux autolubrifiants, le PGM-HT a été sélectionné dans cette étude car sa morphologie grossière a permis de construire une version numérique du matériau (avec la résolution du tomographe à rayons X utilisé dans ce travail). Néanmoins, l’approche proposée ici pour construire le modèle numérique peut être étendue à d’autres matériaux composites autolubrifiants. Le modèle numérique proposé dans ces travaux ouvre de nouvelles perspectives en termes de conception de matériaux, car il permet d’étudier directement les scénarios de dégradation et d’usure des matériaux composites. D’un point de vue général, il est à noter que la tribologie numérique est un outil offrant de multiples possibilités pour la compréhension des matériaux autolubrifiants, et permet d’aider dans le processus de prédiction du comportement tribologique des matériaux autolubrifiants.In self-lubricating composite materials, the generation of a stable third body layer is necessary to ensure contact lubrication. This is specially true for the contact in which these materials are directly involved, and also in other contacts implicating its counterface. Such type of lubrication is possible in self-lubricating bearings thanks to its cage material, which is made of the self-lubricating composite, while the rest of the bearing is usually made of AISI 440C. For space applications, RT/Duroid 5813 is a recognized self-lubricating composite cage material for this kind of bearings. This material has been widely used not only because of the space heritage, but also because it has satisfied the needs of space dry lubrication. However, the production of this material has been stopped in the 90’s, and it has placed the latter out of the market. This situation has led to the search for an equivalent material, that meets both the needs of the space market and the "tribological needs." Today, the main inconvenient related to these materials is the lack of predictability of their tribological behaviour. In this work, the "making of" a coupled numerical-experimental approach has been proposed in order to carry out the understanding of these materials. The goal of this numerical approach is to let to "complement" the limitations of a fully experimental or a fully numerical approach (the confined nature of the contact does not allow in situ observation). Such numerical approach has been informed with experimental test (as X-ray tomography for the creation of the numerical morphology, or atomic force microscopy to inform the value of adhesion between the components). Among all the self-lubricating materials, PGM-HT has been selected in this study because its coarse morphology let to build a numerical version of the material (with the resolution of the X-ray tomograph used in this work). Nevertheless, the approach that has been proposed here to build the numerical model, can be extended to other self-lubricating composite materials. The numerical model developed in this work opens new perspectives in terms of material design, as it makes it possible to directly study the scenarios of damage and wear of self-lubricating composite materials. From a general point of view, from this work it can be highlighted that numerical tribology is a tool that offers multiple possibilities in the understanding of self-lubricating materials, and that helps in the predictionof the tribological behaviour of self-lubricating materials. This work has then let to advance in the understanding of these materials