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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberWO1994003281 A1
Publication typeApplication
Application numberPCT/FR1993/000764
Publication date17 Feb 1994
Filing date26 Jul 1993
Priority date29 Jul 1992
Publication numberPCT/1993/764, PCT/FR/1993/000764, PCT/FR/1993/00764, PCT/FR/93/000764, PCT/FR/93/00764, PCT/FR1993/000764, PCT/FR1993/00764, PCT/FR1993000764, PCT/FR199300764, PCT/FR93/000764, PCT/FR93/00764, PCT/FR93000764, PCT/FR9300764, WO 1994/003281 A1, WO 1994003281 A1, WO 1994003281A1, WO 9403281 A1, WO 9403281A1, WO-A1-1994003281, WO-A1-9403281, WO1994/003281A1, WO1994003281 A1, WO1994003281A1, WO9403281 A1, WO9403281A1
InventorsPaul Clechet, Nicole Jaffrezic-Renault, Claude Martelet
ApplicantEcole Centrale De Lyon
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: Patentscope, Espacenet
Method of lubricating a mechanical friction part
WO 1994003281 A1
Abstract
A method of lubricating a mechanical friction part comprises the following essential steps: 1) high density functionalisation of the surface to be treated, preferably to obtain 10?14 to 1015¿ functionalised sites per cm2; 2) impregnation of the functionalysed surface with a liquid consisting of a silane and/or a silane solution; 3) condensation of the silane by heating in a neutral atmosphere or in at least a partial vacuum so that said silane bonds substantially covalently to the functionalised sites of the friction surface(s) to form a substantially monomolecular layer; 4) washing of the surface with solvant, to eliminate excess silane. The method can be applied for the lubrication of a mechanical friction part likely to enter into frictional engagement, and manufactured from a material suitable for chemical functionalisation.
Claims  translated from French  (OCR text may contain errors)
REVENDICATIONS : CLAIMS:
1 - Procédé de lubrification d'une pièce mécanique de frottement, consistant, essentiellement, à fonctionnaliser chimiquement au moins la (ou les) surface(s) de frottement de la pièce considérée, puis à soumettre cette dernière à un traitement de fixation d'un silane dont la molécule comprend au moins une extrémité hydrophile et au moins une chaîne longue lipophile, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes essentielles suivantes : 1 - A method of lubricating a mechanical friction piece comprising essentially at least chemically functionalize the (or) surface (s) of friction of the part in question, and then subjecting it to a treatment for fixing a silane in which the molecule comprises at least one hydrophilic end and at least one lipophilic long chain, characterized in that it comprises the following essential steps:
1) fonctionnalisation à haute densité de la surface de traitement, de préférence jusqu'à l'obtention de 10 14 à 10 15 sites fonctionnalisés par cm 2 , 1) functionalization high density of the surface treatment, preferably until from October 14 to October 15 functionalized locations per cm 2,
2) imprégnation de la surface fonctionnalisée à l'aide d'un liquide constitué de silane et/ou d'une solution de silane, 2) impregnating the surface functionalized with a liquid consisting of silane and / or a silane solution,
3) condensation du silane par chauffage en atmosphère neutre ou sous un vide au moins partiel, de telle sorte que ledit silane se lie, de façon essentiellement covalente, aux sites fonctionnalisés de la (ou des) surface(s) de frottement, pour former une couche sensiblement monomoléculaire, 3) condensation of the silane by heating in a neutral atmosphere or under an at least partial vacuum, so that said silane binds substantially covalently to the functionalized sights the (or more) surface (s) of friction, to form a substantially monomolecular layer,
4) lavage de la surface à l'aide d'un solvant, de manière à éliminer le silane en excès. 4) washing the surface with a solvent, so as to remove the excess silane. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonctionnalisation chimique est effectuée à l'aide d'un groupement réactif hydroxyle et/ou d'un groupement comprenant au moins un groupement hydroxyle, tel qu'un carboxyle. 2 - Process according to claim 1, characterized in that the chemical functionalization is carried out using a reactive hydroxyl group and / or group comprising at least one hydroxyl group, such as carboxyl.
3 - Procédé selon la revendication 1 et la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape 1 est suivie par une étape la de lavage et de séchage de la surface hydroxylée et/ou par une étape lb de dégazage de la surface hydroxylée, éventuellement lavée et séchée, par chauffage sous vide au moins partiel. 3 - Process according to Claim 1 and Claim 2, characterized in that step 1 is followed by a washing step and drying the polymer surface and / or a step of degassing lb of the hydroxylated surface, optionally washed and dried by heating under at least partial vacuum.
4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le traitement d'hydroxylation de l'étape 1 consiste à réaliser un trempage dans une base ou un acide, éventuellement en présence d'un oxydant. 4 - Process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the hydroxylation treatment of step 1 is to realize a dip in a base or acid, optionally in the presence of an oxidant.
5 - Procédé selon la revendication 1 et la revendication 3, caractérisé en ce que les étapes lb, 2, 3 et 4 sont mises en oeuvre à au moins deux reprises. 5 - Process according to Claim 1 and Claim 3, characterized in that steps b, 2, 3 and 4 are carried out at least twice.
6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le silane à chaîne longue comporte de 5 à 60, de préférence de 5 à 30 et, plus préférentiellement encore, de 10 à 30 atomes de carbone. 6 - Process according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the silane long chain comprises from 5 to 60, preferably 5 to 30 and even more preferably from 10 to 30 carbon atoms. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce mécanique de frottement est réalisée à partir d'un matériau à base de silicium, de carbone, de bore ou de platine. 7 - Process according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the mechanical friction part is made from a silicon-based material, carbon, boron or platinum.
8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le silane a la formule suivante : R 2 8 - Process according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the silane has the following formula: R 2
I I
R, — Si - R 4 R - Si - R 4
IR 3 dans laquelle : IR 3 wherein:
- R, est un groupement aminé, alcoxylé ou halogène, de préférence choisi parmi les radicaux suivants : - R, is an amino group, alkoxyl or halogen, preferably selected from the following radicals:
. . (CH 3 ) 2 — N-, NH 2 , . (CH 3) 2 N -, NH 2,. CH 3 — O — , CH 3 — CH 2 — O, . CH 3 - O - CH 3 - CH 2 - O. Cl—, Cl,
- R 2 et R 3 peuvent être identiques ou différents, éventuellement égaux à Ε^ et constitués par un groupement alkylé du type C m H 2m+1 , m étant compris entre 1 et 30, aminé alcoxylé ou halogène, de préférence choisi parmi les radicaux suivants : - R 2 and R 3 may be identical or different, optionally equal to Ε ^ and constituted by an alkyl group of type C m H 2m + 1, m being between 1 and 30, amino alkoxylated or halogen, preferably selected from the following radicals:
• CH 3 — , C 2 ,H S , . • CH 3 -, C 2 H S. CH 3 — O— , CH 3 — CH 2 — O— , CH 3 - O-, CH 3 - CH 2 - O,
. . Cl- , Cl,
• NH 2 — , • NH 2 -,
- R 4 = — (CH 2 ) n — R s , - R 4 = - (CH 2) n - R s,
R s étant, soit un groupement alkylé, tel que le méthyle, soit un groupement halogène, tel que Br ou CI, soit un groupement sulfite, carboxylique, cyanhydrique ou phosphore, tel que les phosphonates, - et n est compris entre 1 et 30. R s being either an alkyl group such as methyl, or a halogen group such as Br or Cl, or a sulphite group, carboxyl, hydrogen or phosphorus, such as phosphonates, - and n is between 1 and 30 .
9 - Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 à la lubrification de pièces ou de dispositifs, tels que des micro-actionneurs (moteurs/turbines), des glissières, des engrenages, des roues, des pivots, des rotules, des crémaillères ou des peignes actionneurs. 9 - Application of the process according to any one of claims 1 to 8 for the lubrication of parts or devices, such as micro-actuators (motors / turbines), slides, gears, wheels, pivots, kneecaps , racks or actuators combs.
10 - Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 à la lubrification de pièces ou de dispositifs macromécaniques, tels que des têtes de lecture magnétique. 10 - Application of the process according to any one of claims 1 to 8 for the lubrication of parts or macromécaniques devices, such as magnetic read heads.
11 - Pièces ou dispositifs de micro ou macro mécaniques lubrifiés par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 11 - parts or mechanical micro or macro devices lubricated by implementing the method according to any one of claims 1 to 8.
Description  translated from French  (OCR text may contain errors)

PROCEDE DE LUBRIFICATION D'UNE PIECE MECANIQUE DE FROTTEMENT METHOD ONE PIECE LUBRICATION MECHANICAL FRICTION

DOMAINE TECHNIQUE : TECHNICAL AREA :

La présente invention concerne un procédé de lubrification d'une pièce mécanique de frottement, susceptible d'être engagée dans des relations de friction et réalisée en un matériau propre à être chimiquement fonctionnalisé. The present invention relates to a method for lubricating a mechanical friction piece which can be engaged in frictional relationship and made of a material suitable for chemically functionalized.

TECHNIQUE ANTERIEURE : PRIOR ART

L'un des soucis constants du domaine général de la mécanique, dans lequel des pièces en contact sont en mouvement les unes par rapport aux autres, est de diminuer, autant que faire se peut, les coefficients de friction qui sont à l'origine de l'usure des pièces et d'une importante déperdition d'énergie. One of the constant concerns of the general field of mechanics, in which the contact parts are in motion relative to each other, is to reduce as much as possible, the friction coefficients that are causing component wear and a significant loss of energy. Ce problème de limitation des frottements est particulièrement crucial dans les tous récents développements réalisés dans le secteur de la micro-mécanique. This friction limitation problem is particularly crucial in all recent developments in the field of micro-mechanics. Ce secteur de pointe repose sur l'utilisation de matériaux propres à la micro-électronique, tels que les semi-conducteurs, par exemple à base de silicium, pour la fabrication de pièces mobiles du genre micro-actionneurs comme les moteurs ou les turbines, glissières, engrenages, roues, crémaillères, pivots, rotules ou peignes actionneurs, reproduisant, à une échelle variant de la dizaine à la centaine de micromètres, tous les éléments de la mécanique classique. The leading sector is the use of materials suitable for microelectronics such as semiconductors, for example silicon for the manufacture of moving parts of the micro-actuators such as motors and turbines, slides, gears, wheels, racks, spindles, ball joints or comb actuators, reproducing, on a scale ranging from ten to hundred micrometers, all the elements of classical mechanics.

La fabrication de tels micro-mécanismes a pu voir le jour grâce à l'apparition de nouvelles techniques, telles que la technique des couches sacrifiées, la méthode de gravure anisotrope ou les diverses autres méthodes relevant des techniques de dépôt sur des matériaux métalliques et diélectriques ou de la soudure électrostatique. The manufacture of such micro-mechanisms has been possible thanks to the emergence of new techniques such as the technique of sacrificial layers, the anisotropic etching method or various other methods under deposition techniques on metal and dielectric materials or electrostatic welding.

La littérature scientifique et technique cite de nombreux exemples de ces réalisations micro-mécaniques, incluant, notamment, des micro-moteurs électrostatiques et des micro-turbines en silicium, dont les rotors peuvent tourner à des vitesses s'élevant à plusieurs milliers de révolutions par minute. Scientific and technical literature cites numerous examples of these micro-mechanical achievements, including, in particular, electrostatic micro-motors and micro-turbines in silicon, whose rotors can spin at speeds of up to several thousand revolutions per minute. Il est clair que de telles micro-structures sont nécessairement le siège de phénomènes très importants d'usure par frottement, phénomènes qui conduisent rapidement à la détérioration et à la destruction de ces micro-structures. It is clear that such micro-structures are necessarily the seat of very important phenomena of attrition, phenomena which quickly lead to the deterioration and destruction of these micro-structures.

Ainsi, il s'est avéré, qu'à défaut de trouver des moyens efficaces de diminution des coefficients de friction, ce secteur de pointe de la micro-mécanique resterait lettre morte. Thus, it turned out, failing to find effective ways to decrease friction coefficients, this advanced sector of micro-mechanics remain a dead letter.

Il a alors été proposé diverses alternatives pour limiter les frottements comme, par exemple, la sustentation des pièces mobiles par des gaz sous pression divulguée par JB HUANG, QY TONG, VS MAO dans "Gas lubrificated micro-bearing for micro-actuators". It was then proposed various alternatives to reduce friction, for example, the lift moving parts by pressurized gases disclosed by JB HUANG, QY Tong, VS MAO in "Gas lubrificated micro-bearing for micro-actuators". PROC. PROC. TRANSDUCERS 1991, page 894, ou la lévitation électro-magnétique ou électrique étudiée par F. KUMAR, D. CHO, W. CARR dans PROC. TRANSDUCERS 1991 page 894, or electro-magnetic levitation or electric studied by F. KUMAR, CHO D., W. CARR in PROC. TRANSDUCERS 1991, page 882, ou bien encore l'utilisation de matériaux à caractéristiques de frottement améliorées par rapport aux matériaux diélectriques traditionnels à base de silice ou de silicium, tels que le nitrure de silicium. TRANSDUCERS 1991, page 882, or alternatively the use of materials with improved friction characteristics compared to conventional dielectric materials based on silica or silicon, such as silicon nitride.

Ces propositions techniques ne donnent pas réellement satisfaction, soit en raison de leur trop haut niveau de sophistication, soit en raison de leur coût prohibitif, entre autres. These technical proposals do not really satisfactory, either because of their too high level of sophistication, either because of their prohibitive cost, among others.

Pour des raisons dimensionnelles évidentes, la lubrification par des lubrifiants liquides ou pulvérulents n'est pas transposable du domaine macroscopique au domaine microscopique. For obvious reasons dimensional, lubrication by liquid or powder lubricant is not capable of macroscopic field at the microscopic field. Il ne faut, en effet, pas perdre de vue que les entrefers des micro-dispositifs considérés varient de la dizaine de nanomètres, jusqu'au micromètre. It should indeed be remembered that the gaps of the micro-devices considered range from tens of nanometers, to micron.

Toujours par référence à la macro-mécanique, on aurait pu imaginer de s'inspirer des tchniques de lubrification des têtes de lecture magnétique, par dépôt de revêtements de lubrification constitués d'une ou plusieurs couches de composés du type silane alkylé. Always with reference to the macro-mechanical, one would imagine to build on tchniques lubrication of magnetic read heads, for depositing lubricating coatings consist of one or more layers of compounds of alkyl silane.

Ces techniques sont décrites, notamment par EIJI ANDO et al. Such techniques are disclosed, including EIJI ANDO et al. dans in

"Frictional properties of monomolecular layers of silane compounds" - Thin solid films, 180 (1989) 287 - 291 et par M. SUSUKI et al. "Frictional properties of monomolecular layers of silane compounds" - Thin solid films, 180 (1989) 287 - 291 and by Mr. SUSUKI et al. dans "Characterization of monolayer and bilayer (polymers/monolayers) structures for their use as a lubricant" dans THIN SOLID FILMS, 160 (1988) 453-462. in "Characterization of monolayer and bilayer (polymers / monolayers) Their structures for use as a lubricant" in THIN SOLID FILMS, 160 (1988) 453-462.

Ces documents font état de divers procédés connus de dépôt, et non de fixation réelle et solide, d'une ou plusieurs couches de composés silanés amphiphiles. These documents are state of various known deposition methods, and not actual and solid attachment of one or several layers of amphiphilic silane-containing compounds.

Un premier procédé est celui, dit de Langmuir-Blodgett. A first method is that said Langmuir-Blodgett. Il consiste à traiter des surfaces planes, par exemple de verre poreux ou non, par trempage et retrait du support dans un bain de liquide hydrophile présentant, à sa surface, une couche monomoléculaire de substances amphiphiles orientées, dont les parties hydrophiles sont en contact du liquide et dont les parties lipophiles sont repoussées vers l'extérieur du bain. It consists in treating flat surfaces, for example of porous or non-glass by immersion and withdrawal of the support in a hydrophilic liquid bath having, on its surface, a monolayer of oriented amphiphilic substances, the hydrophilic parts are in contact liquid and whose lipophilic portions are pushed outwards of the bath. Ce dépôt peut, éventuellement, être complété d'un séchage par chauffage, destiné à améliorer quelque peu la faible solidité de la fixation des composés amphiphiles sur le support. This deposit may optionally be completed by drying by heating, to improve somewhat the low strength of attachment of the amphiphilic compounds on the support.

De par son principe, ce procédé est d'application strictement limitée au dépôt d'un revêtement de lubrification sur des surfaces planes sans anfractuosités. From its principle, this process is strictly limited application to the filing of a lubricating coating on flat surfaces without crevices. II est donc totalement inadapté à la lubrification de pièces micromécaniques de frottement faisant intervenir des structures tridimensionnelles de taille extrêmement réduite. It is therefore totally unsuitable for the lubrication of micromechanical parts friction involving three-dimensional structures of extremely small size.

Un deuxième procédé de dépôt de revêtement lubrifiant (THIN SOLID FILMS, 160, 1988 - 454-455) consiste à déposer, en phase vapeur, des silanés alkylés sur un support plan (verre). A second lubricating coating deposition process (THIN SOLID FILMS, 160, 1988 - 454-455) consists in depositing vapor of silane-alkylated on a flat surface (glass).

Dans un troisième procédé, le support à revêtir est immergé dans une solution de toluène contenant les composés amphiphiles lubrifiants. In a third method, the support to be coated is immersed in a toluene solution containing the amphiphilic compounds lubricants. Il est prévu, ensuite, un traitement thermique de séchage (cf. OKAHATA et Al. - Langmuir 1986, 2, 538-540, EP-A-0 474 228 entre autres). It is expected, then, a heat treatment of drying (see Okahata and Al -. Langmuir 1986, 2, 538-540, EP-A-0,474,228 among others). L'inconvénient majeur de tous ces procédés antérieurs est que les liaisons, formées entre les composés silanés amphiphiles lubrifiants, sont de très faible énergie. The major drawback of these prior methods is that the bonds formed between the silane-containing amphiphilic compounds lubricants are of very low energy.

En outre, il n'est pas possible d'obtenir un réseau chimique dense et cohérent (grand nombre de liaisons covalentes) entre le support et le revêtement. In addition, it is not possible to obtain a dense and coherent chemical network (large number of covalent bonds) between the support and the coating. II en résulte que le revêtement est fixé de façon peu solide et instable. As a result, the coating is fixed so shaky and unstable.

Ceci constitue un grave handicap, la plupart du temps rédhibitoire, pour les applications en lubrification. This is a serious handicap, most of the time prohibitive for applications in lubrication.

Par ailleurs, les deux derniers procédés antérieurs cités ci-dessus ne permettent pas de maîtriser et de contrôler les quantités de composés amphiphiles lubrifiants appliqués sur le support. Furthermore, the last two previous processes mentioned above do not allow to control and monitor the amount of amphiphilic compounds lubricants applied to the support. Il s'ensuit des inhomogénéités de dépôt et de sérieuses difficultés à former des couches monomoléculaires, d'où, nécessairement, un achoppement dans le domaine de la lubrification en micro-mécanique. It follows deposition inhomogeneities and serious difficulties to form monolayers, which, necessarily, a block in the field of lubrication in micromechanics.

Force est donc de constater que les techniques de dépôt des composés silanés alkylés, notamment pour la lubrification de têtes de lecture magnétiques, ne sont elles aussi, pas transposables au domaine de la micro-mécanique. Force is to note that deposition techniques of silane-containing alkyl compounds, especially for the lubrication of magnetic read heads, they are also not transferable to the field of micro-mechanics. En outre, elles ne donnent pas entière satisfaction en macro-mécanique. Furthermore, they do not entirely satisfactory macro-mechanics.

Il apparaît, également, que l'art antérieur n'offre pas de procédé de lubrification permettant d'obtenir des pièces mécaniques, en particulier micromécaniques, à faible coefficient de friction. It appears, also, that the prior art does not provide lubrication method for obtaining mechanical parts, particularly micromechanical, low coefficient of friction.

Dans cet état de fait, l'un des buts essentiels de la présente invention est de fournir un procédé de lubrification d'une pièce susceptible d'être engagée dans des relations mécaniques de friction et, en particulier mais non limitativement, composant des structures micro-mécaniques tridimensionnelles du type micro- actionneurs (moteurs, turbines), glissières, engrenages, peignes actionneurs ..., qui permette de diminuer notablement les coefficients de friction, de manière durable et efficace, et qui permette, également, d'obtenir une lubrification homogène, quel que soit le relief et la conformation de la surface de frottement considérée. In this situation, one of the essential purposes of the present invention to provide a method of lubricating a part likely to be engaged in mechanical friction and relations, particularly but not exclusively, composed of micro structures -mécaniques dimensional type micro actuators (motors, turbines), slides, gears, actuators ... combs, which allows to significantly reduce the friction coefficient, sustainable and efficient manner, and allows also to obtain a homogeneous lubrication, regardless of the terrain and the shape of the friction surface considered.

Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de lubrification qui soit de mise en oeuvre commode et économique. Another object of the present invention is to provide a lubrication method which is convenient and economic to implement.

De manière tout à fait surprenante et inattendue, le Demandeur a découvert qu'il était possible de procéder à une lubrification d'une pièce mécanique, en particulier micro-mécanique, en soumettant la ou les surfaces de frottement de la pièce considérée à une fonctionnalisation chimique suivie d'un traitement de fixation d'un composé de lubrification approprié. So quite surprisingly and unexpectedly, the Applicant has discovered that it is possible to lubricate a mechanical part, particularly micro-mechanical, or by subjecting the workpiece friction surfaces considered for functionalization followed by a chemical fastening treatment of a compound of suitable lubrication. EXPOSE DE L'INVENTION : DISCLOSURE OF INVENTION:

Il s'ensuit que la présente invention concerne un procédé de lubrification d'une pièce mécanique de frottement consistant, essentiellement, à fonctionnaliser chimiquement au moins la (ou les) surface(s) de frottement de la pièce considérée, puis à soumettre cette dernière à un traitement de fixation d'un silane dont la molécule comprend au moins une extrémité hydrophile et au moins une chaîne longue lipophile, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes essentielles suivantes : It follows that the present invention relates to a method for lubricating a mechanical friction piece consisting, essentially, at least chemically functionalize the (or) surface (s) of friction of the part in question, and then subjecting the latter a fixing of a silane treatment in which the molecule comprises at least one hydrophilic end and at least one lipophilic long chain, characterized in that it comprises the following essential steps:

1) fonctionnalisation à haute densité de la surface de traitement, de préférence jusqu'à l'obtention de 10 14 à 10 15 sites fonctionnalisés par cm 2 , 1) functionalization high density of the surface treatment, preferably until from October 14 to October 15 functionalized locations per cm 2,

2) imprégnation de la surface fonctionnalisée à l'aide d'un liquide constitué de silane et/ou d'une solution de silane, 2) impregnating the surface functionalized with a liquid consisting of silane and / or a silane solution,

3) condensation du silane par chauffage en atmosphère neutre ou sous un vide au moins partiel, de telle sorte que ledit silane se lie, de façon essentiellement covalente, aux sites fonctionnalisés de la (ou des) surface(s) de frottement pour former une couche sensiblement monomoléculaire, 3) condensation of the silane by heating in a neutral atmosphere or under an at least partial vacuum, so that said silane binds substantially covalently to the functionalized sites in the (or more) surface (s) of friction to form a substantially monolayer,

4) lavage de la surface à l'aide d'un solvant, de manière à éliminer le silane en excès. 4) washing the surface with a solvent, so as to remove the excess silane.

Contre toute attente, le procédé suivant l'invention permet d'obtenir, sur toute la surface de frottement, un revêtement composé d'une couche monomoléculaire d'un composé de lubrification à chaîne longue, qui se révèle être extrêmement adhérent au substrat. Against all expectations, the process of the invention allows to obtain, on the whole friction surface, a coating composed of a monomolecular layer of a compound of long chain lubrication, which proves to be highly adherent to the substrate. On assiste, en quelque sorte, à la formation d'un continuum chimique entre la pièce à lubrifier et le revêtement, ce continuum étant formé de multiples attaches covalentes dont la solidité est très grande. We are seeing, in some way, to the formation of a chemical continuum between the piece and to lubricate the coating, continuum formed covalent multiple attachments whose strength is great. Cette multiplicité découle de la haute densité de fonctionnalisation chimique de la surface de frottement. This multiplicity arises from the high density of chemical functionalization of the friction surface.

Il en découle une lubrification fiable et durable qui se traduit par des diminutions remarquables des coefficients de friction, ceux-ci pouvant, en effet, être divisés par au moins six. This results in a reliable and durable lubrication resulting in remarkable decreases in friction coefficients, these may in fact be divided by at least six. Un autre avantage remarquable du procédé suivant l'invention est sa parfaite adaptabilité à la lubrification de micro-mécanismes réalisés en matériaux, par exemple à base de silicium, de carbone, de bore, de platine entre autres. Another remarkable advantage of the process according to the invention is its perfect adaptability to the micro-mechanisms of lubrication made of materials, for example based on silicon, carbon, boron, platinum and others.

Il devient possible de diminuer le coefficient de friction dans des structures comprenant des entrefers de l'ordre d'au moins 10 nanomètres. It becomes possible to reduce the coefficient of friction in structures including the security gaps of at least 10 nanometers.

Il va de soi que ce procédé n'en est pas pour autant limité à ce domaine d'application, mais peut également être utilisé dans le domaine de la macro- mécanique, en particulier sur les macro-actionneurs du type tête de lecture magnétique, par exemple. It goes without saying that this process is not so far limited to this field of application, but can also be used in the field of macro-mechanical, especially on the macro-actuator of the magnetic read head type for example. Conformément à une caractéristique préférée de l'invention, la fonctionnalisation chimique de surface est effectuée à l'aide d'un groupement réactif hydroxyle et/ou d'un groupement comprenant au moins un groupement hydroxyle, tel qu'un carboxyle. According to a preferred feature of the invention, the chemical functionalization surface is carried out using a reactive hydroxyl group and / or group comprising at least one hydroxyl group, such as carboxyl.

Le composé de lubrification présente la particularité d'avoir au moins une extrémité hydrophile apte à réagir avec les sites fonctionnalisés de la surface de frottement pour former une liaison covalente forte. The lubricating compound has the characteristic of having at least one hydrophilic end adapted to react with the functionalized sites of the friction surface to form a strong covalent bond.

Chaque molécule de lubrification formant le revêtement monomoléculaire est donc fixée de façon covalente à la pièce mécanique considérée, au moins sur sa ou ses surfaces de frottement. Each lube molecule forming the monomolecular coating is covalently attached to the mechanical part in question, at least on its or friction surfaces. Le composé comprend, également, au moins une chaîne longue lipophile comportant de 5 à 60, de préférence de 5 à 30 et, plus préférentiellement encore, de 10 à 30 atomes de carbone. The compound also comprises at least one lipophilic long chain having from 5 to 60, preferably from 5 to 30 and even more preferably from 10 to 30 carbon atoms.

Il s'agit, de préférence, d'un silane de formule suivante : R, It is preferably a silane following formula: R

R, - Si - R 4 R - Si - R 4

R 3 dans laquelle : - R j est un groupement aminé, alcoxylé ou halogène, de préférence choisi parmi les radicaux suivants : ' . R 3 in which: - R j is an amino group, alkoxyl or halogen, preferably selected from the following radicals: '. (CH 3 ) 2 — N—, NH 2 , (CH 3) 2 N -, NH 2,

. . CH 3 — O — , CH 3 — CH 2 — O, CH 3 - O - CH 3 - CH 2 - O,

. . Cl-, Cl,

- R 2 et R 3 peuvent être identiques ou différents, éventuellement égaux à R 4 et constitués par un groupement alkylé du type C m H 2m+1 , m étant compris entre 1 et - R 2 and R 3 may be identical or different, optionally equal to R 4 and constituted by an alkyl group of type C m H 2m + 1, m being between 1 and

30, aminé alcoxylé ou halogène, de préférence choisi parmi les radicaux suivants : . 30, alkoxylated amine or halogen, preferably selected from the following radicals:. CH 3 — , C 2 ,H 5 , CH 3 -, C 2 H 5,

. . CH 3 — O— , CH 3 — CH 2 — O— , . CH 3 - O-, CH 3 - CH 2 - O-. Cl- , . Cl-. NH 2 — , NH 2 -,

- R 4 = — (CH 2 ) n — R 5 , - R 4 = - (CH 2) n - R 5,

R s étant, soit un groupement alkylé, tel que le méthyle, soit un groupement halogène, tel que Br ou Cl, soit un groupement sulfite, carboxylique, cyanhydrique ou phosphore, tel que les phosphonates, - et n est compris entre 1 et 30. R s being either an alkyl group such as methyl, or a halogen group such as Br or Cl, or a sulphite group, carboxyl, hydrogen or phosphorus, such as phosphonates, - and n is between 1 and 30 .

La chaîne longue alkylée — (CH 2 )„ — peut être substituée par des groupements insaturés permettant des reticulations par pontages entres les chaînes d'une même molécule de composé lubrifiant et/ou entre des molécules différentes, ou par d'autres groupements favorisant la lubrification. The long chain alkylated - (CH 2) "- may be substituted by unsaturated groups allowing crosslinks by bridges among the chains of the same molecule of lubricant compound and / or between different molecules, or other moieties facilitating the lubrication. Suivant un mode préféré de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, le composé de lubrification est un silane et le groupement réactif est un hydroxyle. In a preferred form of implementation of the process according to the invention, the lubricating compound is a silane and the reactive group is hydroxyl.

Dans ce cas, le procédé comprend les étapes essentielles suivantes : In this case, the method comprises the following essential steps:

1) hydroxylation de la surface de traitement, de préférence jusqu'à l'obtention de 10 14 à 10 15 sites OH par cm 2 , 1) hydroxylation of the surface treatment, preferably until from October 14 to October 15 OH sites per cm 2,

2) imprégnation de la suface hydroxylée à l'aide d'un liquide constitué de silane et/ou d'une solution de silane, 2) impregnating the suface hydroxylated with a liquid consisting of silane and / or a silane solution,

3) condensation du silane par chauffage en atmosphère neutre ou sous un vide au moins partiel, 4) lavage de la surface à l'aide d'un solvant, de manière à éliminer le silane en excès. 3) condensation of the silane by heating in a neutral atmosphere or under an at least partial vacuum, 4) washing the surface with a solvent, so as to remove the excess silane. Avantageusement, le procédé comprend une étape la de lavage et de séchage de la surface hydroxylée obtenue à l'issue de l' étape 1 et/ou une étape 1b de dégazage de la surface hydroxylée, éventuellement lavée et séchée, par chauffage sous vide au moins partiel. Advantageously, the method comprises a step of washing and drying of the hydroxylated surface obtained at the end of step 1 and / or a step 1b of degassing the hydroxylated surface, optionally washed and dried by heating under vacuum at less partial. Selon l'invention, l'étape préparatoire 1 consiste à assurer l'hydroxylation de la surface de frottement, en vue d'obtenir, de préférence, de 10 14 à 10 15 sites OH par cm 2 de surface. According to the invention, the preparation stage 1 is to achieve the hydroxylation of the friction surface, in order to obtain, preferably, from 10 14 to 10 15 Oh sites per cm 2 of surface. Cette phase d'hydroxylation peut être conduite par décapage ou trempage à partir d'une solution aqueuse basique (pure ou diluée) contenant, par exemple, de la soude à une concentration idéalement comprise entre 0, 1 et 1 M. La durée de cette étape 1 est, de préférence, comprise entre 5 et 30 minutes, avec une solution de décapage maintenue à une température de préférence comprise entre 15 et 40° C. This phase hydroxylation may be conducted by etching or dipping from a basic aqueous solution (pure or diluted) containing, for example, soda ideally at a concentration between 0, 1 and 1 M. The duration of this step 1 is preferably between 5 and 30 minutes with an etching solution maintained at a temperature preferably comprised between 15 and 40 ° C.

La base peut, avantageusement, être remplacée par un acide employé pur ou dilué, tel que l'H 2 SO 4 . The base can advantageously be replaced by a pure or diluted acid employed, such as H 2 SO 4. L'hydroxylation est éventuellement effectuée en présence d'un oxydant apte à favoriser la fonctionnalisation chimique par des hydroxyles de la surface de frottement. Hydroxylation is optionally performed in the presence of an oxidant capable of promoting the chemical functionalization of the hydroxyl of the friction surface. L'oxydant peut être l'eau oxygénée lorsque l'on a recours à une base et l'oxyde de chrome (Cr 2 O 3 ) en cas d'emploi d'un acide. The oxidant may be hydrogen peroxide when one uses a base and chromium oxide (Cr 2 O 3) in case of use of an acid.

Dans le cas où la surface de frottement est constituée par de la silice, l'hydroxylation consiste en une hydratation dans laquelle la surface de frottement est mise en contact avec de l'eau bidistillée maintenue à une température supérieure à 40° C, de préférence à 60° C, et, plus préférentiellement encore, de l'ordre de 95° C, pendant une à 48 heures et, préférentiellement, pendant environ 12 heures. In the case where the friction surface is constituted by silica, hydroxylation consists of hydration wherein the friction surface is contacted with double distilled water maintained at a temperature above 40 ° C, preferably at 60 ° C, and even more preferably, of the order of 95 ° C for one to 48 hours and preferably for about 12 hours.

Eventuellement, on procède ensuite à un lavage de la surface de frottement par trempage ou écoulement d'un fluide d'eau distillée délivré à la température ambiante et à un séchage consistant à placer le substrat à traiter sous un flux de gaz inerte, tel que l'azote, à température ambiante. Optionally, one then proceeds to a washing of the friction surface by dipping or flow of a fluid delivered distilled water at room temperature and drying of placing the substrate to be treated under a stream of inert gas, such as nitrogen, at room temperature.

L'étape facultative lb de dégazage sous vide s'opère, de préférence, à une pression comprise entre 1 et 5 Pascals et, plus préférentiellement encore, de l'ordre de 1 Pascal, en chauffant le substrat à traiter à une température comprise entre 120 et 160° C et, de préférence, égale à environ 140° C. Cette phase de dégazage sous vide est d'une durée de une à cinq heures, de préférence inférieure ou égale à deux heures, de manière à obtenir une surface complètement déshydratée et dégazée. The optional lb. vacuum degassing step is carried out preferably at a pressure between 1 and 5 Pascals, and more preferably still of the order of 1 Pascal, heating the substrate to be treated at a temperature of between 120 and 160 ° C and preferably equal to about 140 ° C. the vacuum degassing phase is of a duration of one to five hours, preferably less than or equal to two hours, so as to obtain a surface completely dried and degassed.

Conformément à l'étape 2 du procédé suivant l'invention, la surface de frottement est soumise à une imprégnation avec un liquide à base de silane, éventuellement pur, mais, de préférence, en solution dans un solvant inerte, contenant de 0,5 à 5 % en poids de silane à chaînes grasses. In accordance with step 2 of the process according to the invention, the friction surface is subjected to impregnation with a silane-based liquid, optionally pure, but preferably in solution in an inert solvent containing from 0.5 to 5% by weight of silane fatty chains.

Le solvant inerte utilisé est, de préférence, un alcane, comme par exemple l'isopentane, l'hexane, l'éthane, l'isopentane étant particulièrement préféré. The inert solvent used is preferably an alkane, such as isopentane, hexane, ethane, isopentane being particularly preferred. La solution du silane, à une concentration comprise entre 0,5 et 5 % en poids, de préférence 2 % en poids environ, est maintenue à une température comprise entre - 10 et - 50° C, de préférence de l'ordre de - 30° C. L'imprégnation se déroule, de préférence, sous un vide compris entre, de préférence, 1 et 5 Pascals et, plus préférentiellement encore, égal à environ 1 Pascal, pendant une durée de préférence comprise entre une à cinq heures et, plus préférentiellement encore, au moins égale à deux heures, pour permettre l'élimination complète du solvant. The silane solution at a concentration of between 0.5 and 5% by weight, preferably 2% by weight, is maintained at a temperature between - 10 and - 50 ° C, preferably of the order of - 30 ° C. The impregnation takes place, preferably under a vacuum of between, preferably, 1 and 5 Pascals, and more preferably, equal to about 1 Pascal, for a period preferably between one to five hours and even more preferably, at least two hours to allow complete removal of the solvent.

L'étape 3 du procédé suivant l'invention consiste à effectuer une condensation du silane imprégné en soumettant la surface traitée à un chauffage, de préférence entre 120 et 160° C, pendant une durée comprise entre 15 et 48 heures, dans une enceinte à la pression atmosphérique et en présence d'un gaz inerte, tel que l'argon ou l'azote. Step 3 of the process according to the invention consists in carrying out a condensation of the silane impregnated by subjecting the treated surface to a heating, preferably between 120 and 160 ° C, for a duration between 15 and 48 hours, in a chamber atmospheric pressure and in the presence of an inert gas such as argon or nitrogen.

Conformément à une disposition avantageuse de l'invention, cette étape 3 se déroule à 140° C environ, pendant 24 heures. According to an advantageous embodiment of the invention, this step 3 runs at 140 ° C for 24 hours.

Conformément à une variante de mise en oeuvre, l'étape 3 peut se dérouler, sous un vide au moins partiel, de la même façon que l'étape 2. According to an implementation variant, step 3 can take place under a vacuum at least in part, in the same manner as step 2.

La dernière étape 4 du procédé consiste à réaliser un lavage de la surface avec un solvant du silane, tel que l'éther, le tetrahydrofurane, par trempage ou écoulement à température ambiante et, de préférence, en renouvelant une à quatre fois le solvant, de manière à éliminer le silane en excès. The final step 4 of the method consists in carrying out a washing of the surface with a silane of the solvent, such as ether, tetrahydrofuran, dipping or flow at room temperature and, preferably, renewing one to four times the solvent, so as to remove the excess silane. On termine, avantageusement, cette étape par un lavage à l'eau. Is completed, advantageously, this step by washing with water.

Pour parfaire score le procédé, il est possible de mettre en oeuvre une étape supplémentaire de séchage, du type de celle de l'étape la décrite ci-dessus. To perfect score method, it is possible to implement an additional drying step, the type of the step described above.

En procédant ainsi, on obtient un greffage covalent de composés de lubrification de type silane sur des matériaux aptes à être hydroxyles. By doing so, one obtains a covalent grafting of the type of lubrication of silane compounds on materials suitable for hydroxyls. Cela recouvre les matériaux céramiques, les matériaux semi-conducteurs, les matériaux à base de silicium, de fibres de carbone, à base de bore, de platine ou autres. This covers the ceramic materials, semiconductor materials, silicon-based materials, carbon fiber, boron-based, platinum or others. Les matériaux à base de silicium sont particulièrement préférés. silicon-based materials are particularly preferred. On peut citer, en particulier, le SiC, le SiO 2 , le Si 3 N 4 , le SiOxNyHz, avec : Mention may be made, in particular, SiC, SiO 2, Si 3 N 4, the SiOxNyHz, with:

- x = 0, 1 ou 2, - X = 0, 1 or 2,

- y = 0, 1, 2 ou 3, - z = 0, 1, 2, 3 ou 4, - Y = 0, 1, 2 or 3, - z = 0, 1, 2, 3 or 4,

- x + y + z = 4. - X + y + z = 4.

Grâce à l'hydroxylation les liaisons covalentes formées sont du type : With the hydroxylation formed covalent bonds are of the type:

— A — O — Si - A - O - Si

A appartenant au substrat et pouvant être constitué par Si. L'importante énergie de liaision de ces attaches covalentes, ainsi que leur nombre considérable, garantissent une extrême solidité de la fixation du revêtement sur le substrat. A belonging to the substrate and can be formed of Si. The important liaision energy of these covalent attachments and their considerable number, guarantee extreme strength of attachment of the coating on the substrate. Cette cohésion est encore améliorée par la formation de couches organiques organisées par formation de liaisons de Van der Waals entre les chaînes. This cohesion is further enhanced by the formation of organic layers arranged by forming Van der Waals bonds between the chains.

On peut, également, envisager d'optimiser les caractéristiques de greffage en renouvelant plusieurs fois les étapes lb, 2, 3, 4 du procédé suivant l'invention, par exemple de une à six fois. One can also consider optimizing the graft characteristics by repeating several times the steps lb, 2, 3, 4 of the method of the invention, for example one to six times.

Outre l'excellente cohésion entre le revêtement et le substrat qu'il assure, le procédé suivant l'invention permet une parfaite pénétration du revêtement de lubrification dans des structures tridimensionnelles de tailles réduites. In addition to excellent cohesion between the coating and the substrate ensures that the process of the invention allows a perfect penetration of the lubricating coating in three-dimensional structures with reduced sizes. On a montré que le greffage est efficient dans des structures en silicium poreux ayant des pores de quelques nanomètres de diamètre. It was shown that the graft is efficient in porous silicon structures having pores of a few nanometers in diameter. Il est ainsi possible d'atteindre des coefficients de friction (μ) inférieurs ou égaux à 0,1. It is thus possible to attain coefficients of friction (μ) less than or equal to 0.1. La présente invention concerne, également, l'application du procédé de lubrification à des pièces ou des dispositifs micromécaniques tels que des micro- actionneurs (moteurs/turbines), des glissières, des engrenages, des roues, des pivots, des rotules, des crémaillères ou des peignes actionneurs ou à des pièces ou des dispositifs macromécaniques, tels que les têtes de lecture magnétique. The present invention also relates to the application of the method of lubricating to parts or micromechanical devices such as micro-actuators (motors / turbines), slides, gears, wheels, pivots, hinges, racks or actuators combs or parts or macromécaniques devices, such as magnetic read heads.

L'invention se rapporte, en outre, à titre de produit industriel nouveau, à une pièce mécanique de frottement, lubrifiée, dont l'originalité est qu'au moins sa (ou ses) surface(s) de frottement est (sont) revêtue(s) d'une couche monomoléculaire de lubrification, constituée de molécules d'un composé de lubrification dont chacune comprend au moins une extrémité hydrophile et au moins une chaîne longue lipophile, chaque molécule étant liée, par liaison covalente, à la ou les surfaces de frottement. The invention relates, in addition, as a new industrial product, a mechanical part of friction, lubrication, whose originality is that at least his (or her) surface (s) of friction is (are) coated (s) of a monomolecular layer of lubrication, consisting of molecules of a compound of lubrication each comprising at least one hydrophilic end and at least one lipophilic long chain, each molecule being linked by covalent bonding, to the surface or surfaces friction.

Un tel produit présentant des coefficients de friction inférieurs ou égaux à 0, 1 n'existe pas dans l'art antérieur. Such a product having coefficients of friction less than or equal to 0, 1 does not exist in the prior art.

MEILLEURE MANIERE DE REALISER L'INVENTION : BEST MANNER OF INVENTION:

Les avantages et les variantes de l'invention ressortent de l'exemple qui suit, de réalisation d'éprouvettes de SiO 2 non lubrifiées. The advantages and embodiments of the invention emerge from the following example, for producing samples of SiO 2 non-lubricated.

EXEMPLE EXAMPLE

Les pièces mécaniques de frottement mises en oeuvre dans cet exemple sont des plaquettes de silicium (100) recouvertes de 70 mm de silice thermique. Mechanical friction components used in this example are silicon wafers (100) covered with 70 mm of thermal silica.

- METHODOLOGIE DE LUBRIFICATION SUIVANT L'INVENTION : Les plaquettes de silicium sont soumises à une fonctionnalisation chimique d'hydroxylation consistant en un trempage pendant 10 mn dans un bain à 70° C et contenant : - METHODOLOGY LUBRICATING FOLLOWING THE INVENTION Silicon wafers are subjected to chemical functionalization hydroxylation consisting of a soaking for 10 min in a bath at 70 ° C and containing:

. . 7 volumes de H 2 O ultra pure, 7 volumes of H 2 O ultrapure,

. . 2 volumes de H 2 O 2 , . 2 volumes of H 2 O 2. 1 volume de NH 4 OH. 1 volume of NH 4 OH.

On procède ensuite à un rinçage à l'eau, suivi d'une déshydratation et dégazage par mise sous un vide de 10 "2 Torr. This is followed by a rinsing with water, followed by dehydration and degassing by placing under a vacuum of 10 "2 Torr.

L'étape intervenant ensuite est celle d'imprégnation des plaques avec du (diméthylamino) octadécyl diméthylsilane liquide et sous forme pure, à température. The speaker then step is the impregnation of the plates with (dimethylamino) dimethylsilane and octadecyl liquid in pure form, to temperature. Les ampoules contenant les plaques sont mises sous vide (10 2 Torr) et scellées pour la mise en oeuvre de cette étape. The ampules containing the plates were placed under vacuum (10 -2 Torr) and sealed to the implementation of this step.

Les plaques sont alors soumises à une condensation pendant 5 jours à 140° C permettant le greffage covalent du composé de lubrification. The plates are then subjected to condensation for 5 days at 140 ° C for the covalent grafting of the compound of lubrication. On récupère enfin les plaques lubrifiées et on les lave à l'aide de tetrahydrofurane. finally recovering the lubricated plates and washed with tetrahydrofuran.

- TESTS DE FRICTION : - FRICTION TESTS:

Les expériences de frottement ont été faites sur un tribomètre du type pion-plan. The friction experiments were performed on a tribometer of the peg-type plan. Le pion est une bille de quartz, nettoyée à l'acétate d'éthyle, puis au chalumeau de rayon r = 4,75 mm. The pin is a quartz ball, cleaned with ethyl acetate, and then the torch radius r = 4.75 mm. Avant l'expérience, les plaquettes à tester sont préalablement nettoyées au tetrahydrofurane, puis aux ultrasons. Before the experiment, the wafers to be tested are previously cleaned with tetrahydrofuran, then with ultrasound. Elles sont ensuite nettoyées au coton-tige imbibé d'éthanol pour tenter d'éliminer les poussières déposées qui risquent de fausser les mesures. They are then cleaned with cotton swab ethanol to attempt to remove the deposited dust which may distort the measurements. La force appliquée sur le pion est de 0,5 N. Le tribomètre employé est d'un type classique (application d'une force verticale W, mesure de la traînée F et évaluation du coefficient de frottemnt F/W. The force applied to the pin is 0.5 N. The tribometer used is of conventional type (application of a vertical force W, able to drag F and evaluation of the coefficient of frottemnt F / W.

- RÉSULTATS : - RESULTS:

Les résultats obtenus sont illustrés par les fig. The results obtained are illustrated in Figs. 1 et 2 de la planche unique annexée, qui représentent les courbes de coefficient de friction (μ) en fonction du nombre (N) de cycles de mesure avec W = 0,5 N et une distance de traînée D = 9,5 mm. 1 and 2 of the annexed single board, which represent the coefficient of friction curves (μ) as a function of the number (N) of measurement cycles with W = 0.5 N and a drag distance of D = 9.5 mm.

La fig. FIG. 1 correspond aux plaquettes de silicium non lubrifiées et la fig. 1 corresponds to silicon wafers unlubricated and FIG. 2 aux plaquettes lubrifiées conformes à l'invention. 2 lubricated to platelets according to the invention.

Ces test font apparaître la remarquable diminution du coefficient de friction (de 0,6 à 0,1). These test show the remarkable decrease in the coefficient of friction (0.6 to 0,1). On note que cet abaissement perdure longtemps (N = 60). Note that this reduction remains long (N = 60).

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WO1996002329A1 *18 Jul 19951 Feb 1996Ecole Centrale De LyonSurface treatment method and compositions therefor
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17 Feb 1994AKDesignated states
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