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RÉSUMÉ
La tribotronique est un vocable apparu au milieu des années 2010. Il peut être appliqué aussi bien à la tribologie dite active que dans le domaine de la récupération d’énergie ; les surfaces en contact et leur mouvement relatif permettant d’être de véritables sources d’énergie afin de fournir des dispositifs en alimentation électrique. La tribotronique ou plus exactement les tribotroniques sont encore une aire de recherche jeune et certaines applications n’en sont encore qu’au stade du laboratoire. Divers exemples sont répertoriés dans cet article montrant toute la diversité possible ainsi que des pistes d’exploration s’adressant à tout type d’applications industrielles.
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Caroline RICHARD : Professeur des Universités - GREMAN UMR 7347, Université de Tours, CNRS, INSA Centre Val de Loire, Tours, France
INTRODUCTION
La tribologie, définie il y a déjà une cinquantaine d’année dans le fameux rapport JOST (1966) transmis au gouvernement britannique de l’époque, comme une science ayant trait à l’étude des phénomènes de frottement et d’usure des surfaces en contact et en mouvement relatif (et à la lubrification), est inhérente au développement technologique de machines fonctionnelles, robustes, fiables et efficaces. Toute machine, quelle qu’elle soit, induit de nombreux contacts mécaniques entre des surfaces variées, engendrant potentiellement frottement et usure ainsi que des pertes d’énergie substantielles sans compter des impacts environnementaux (perte de lubrifiants, émission de débris, maintenance à mettre en place). Le coût global des pertes engendrées par des phénomènes d’usure et de frottement est d’ailleurs communément évalué à 3 à 4 % du PNB d’un pays industrialisé. Ce domaine est donc de première importance et on peut considérer que depuis son avènement en tant que science à la fin des années 1970, la tribologie, partie intégrante de l’ingénierie des surfaces, s’intéresse toujours à de nouveaux champs d’applications et de nouveaux concepts (tribologie des interfaces, etc.). Aujourd’hui, la tribologie tend vers une tribologie dite vertueuse avec le concept de la « green tribology » ou « sustainable tribology ». Elle peut également devenir un atout dans des domaines où la mécanique du contact, le frottement et donc l’usure ne sont pas, de prime abord, d’importance. Cet article brosse un panorama des divers aspects de la tribotronique, ou plutôt des tribotroniques, à l’heure de l’Internet des objets, de l’efficacité énergétique, où l’interaction avec d’autres domaines comme l’électronique, l’informatique, les semi-conducteurs devient prégnante pour le développement des produits du futur.
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3. Tribotronique ou couplage de la tribologie et de l’électronique (semi-conducteur)
Cependant, le mot tribotronique peut également être utilisé dans une autre aire et dans d’autres dimensions. En effet, ce mot peut également concerner la fabrication de composants microélectroniques d’un nouveau genre, dans un domaine de recherche stratégique dorénavant de première importance qui concerne la récupération, le stockage et la conservation de l’énergie ainsi qu’au sens large le développement de l’électronique sans fil, l’internet des objets (IoT : Internet of Things). Ceci nécessite l’accès à des micro-sources d’énergie avec le développement de capteurs autonomes, dont le champ d’applications est immense dans le domaine industriel (suivi des machines, des véhicules ou des infrastructures), médical (suivi de la santé des personnes, implants), militaire (fantassin du futur) ou grand public (maison intelligente).
Entre les différentes énergies « gratuites » (solaire, thermique ou mécanique, celle-ci provenant de vibrations ou de pressions) dans l’environnement humain ou industriel, le choix n’est pas simple pour concevoir une micro-source miniature et efficace. Les matériaux piézoélectriques, capables de réaliser la conversion directe de l’énergie mécanique en énergie électrique, font l’objet d’une recherche intense pour la récupération d’énergie depuis la fin des années 1990. La diversité des procédés de fabrication permettant leur miniaturisation se traduit par une large offre de prototypes (à base de céramiques massives amincies, de couches épaisses, de couches minces, ou de composites polymère-nanostructures) dont il n’est pas aisé de comparer les performances. Le champ d’investigation s’élargit encore si l’on utilise l’effet piézoélectrique inverse des matériaux piézoélectriques pour en faire des actionneurs comme en micro-robotique. Enfin, les transformateurs piézoélectriques, combinant effets piézoélectriques direct et inverse, assurent l’isolation galvanique parfois exigée dans certains convertisseurs de puissance. Pour terminer ce panorama, des nanostructures piézo-semiconductrices ont été intégrées dans des composants à semi-conducteurs, faisant apparaître un nouveau domaine baptisé piézotronique. En 2006 seulement, le premier nanogénérateur est créé avec un matériau semi-conducteur piézoélectrique pour convertir à l’échelle...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - JOST (P.H.) - A report on the Present Position and Industry’s Needs (HMSO). - UK Department of Education and Science (1966).
-
(2) - HOSENFELDT (T.), SCHULZ (E.), GIERL (J.), STEINMETZ (S.) - Friction tailored to your requirements, - 10th Schaeffler Symposium, 331-345 (2014).
-
(3) - GLAVATSKIH (S.), HÖGLUND (E.) - Tribotronics-Towards an active tribology. - Tribology International, 41, 934-939 (2008).
-
(4) - ZHANG (C.), WANG (Z.L.) - Tribotronics – A new field by coupling triboelectricity and semiconductor. - Nano Today, 11, 521-536 (2016).
-
(5) - NEAGOE (M.-B.) - Modélisation expérimentale de phénomènes électrostatiques et tribologiques aux interfaces solide/solide, - Thèse de l’Université de Poitiers (2017).
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Diffusion d’information en France sur la tribologie – GST 12 Tribologie de l’AFM (Association Française de Mécanique) https://groupes.renater.fr/sympa/info/tribologie http://h.pre.free.fr/wp-content/uploads/p01-triboelec.pdf
Générateur universelle fonctionnant à l’électricité statique https://www.sciencesetavenir.fr/high-tech/vers-un-generateur-universel-fonctionnant-a-l-electricite-statique_35524
Une nouvelle dynamo portable http://www.lefigaro.fr/sciences/2014/03/05/01008-20140305ARTFIG00340-une-nouvelle-espece-de-dynamo-portable.php
Le corps humain pour électrode https://www.infohightech.com/un-generateur-utilise-le-corps-humain-comme-une-electrode-pour-alimenter-des-appareils-electroniques-portables/
Michelin Visionary Concept https://www.michelin.com/eng/media-room/press-and-news/michelin-news/Innovation/MICHELIN-Visionary-Concept http://www.nanoscience.gatech.edu/
Électricité à partir...
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