Projet ANR-08-JCJC-0051 – PENELOPE par ME : Procédures d'Etudes aux Nano-Echelles par une Limitation Originale des Pertes d'Energie par Modèles Evolutifs et Développements d'Etudes Expérimentales
Programme : Jeunes chercheuses et jeunes chercheurs (JCJC) 2008
Année de financement : 2008
Coordinateur du projet : UNIVERSITE DU MAINE (UNIVERSITE DU MAINE)
Partenaires : Université du Maine
Montant : 165865.0 euros
Date de début : 2008
Durée : 36 mois
Résumé : Les phénomènes de frottement interviennent dans de nombreux procédés industriels et sont responsables d'une perte d'énergie considérable. La diminution des frottements est donc un enjeu économique important. Par ailleurs, les préoccupations liées à la diminution des réserves d'énergies fossiles place la réduction de la consommation d'énergie comme une priorité de la recherche appliquée. Malgré leur importance considérable, les phénomènes fondamentaux responsables du frottement restent mal compris. La raison essentielle est liée au fait que le frottement fait intervenir des phénomènes physico-chimiques et mécaniques dans des contacts où la nature et la géométrie des surfaces (rugosité) sont généralement mal maîtrisées. Cependant, le développement de nouveaux outils tel que la Microscopie à Force Atomique (AFM) ont permis des avancées pertinentes. Le fait que l'adhésion joue un rôle dans les phénomènes de frottement n'est pas une idée nouvelle. Les forces d'adhésion sont soupçonnées d'être responsables des phénomènes de vieillissement du contact (augmentation du frottement statique avec le temps) ou de la diminution de la force de frottement avec la vitesse de glissement dans le cas des surfaces hydrophiles. Les forces d'adhésion s'ajoutent aux forces appliquées et augmentent ainsi les forces de frottement. Le temps nécessaire de formation d'un col adhésif d'origine capillaire est de l'ordre de la milliseconde. Lors d'un glissement, le contact n'est plus à l'équilibre et les forces d'adhésion en sont affectées. On peut par exemple citer une disparition de la force d'adhésion due à l'impossibilité temporelle de former le ménisque de condensation capillaire. De nombreux travaux actuels cherchent à établir le rôle joué par la vitesse de glissement sur les forces d'adhésion sans que des preuves expérimentales convaincantes puissent être apportées. L'objectif de ce projet est double. Il s'agit d'une part de développer un protocole expérimental innovant permettant de mesurer l'influence de la vitesse de glissement sur la force d'adhésion et d'autre part, de relier les propriétés intrinsèques des surfaces (hydrophilie, viscoélasticité…) aux données expérimentales recueillies pour développer et valider un modèle théorique innovant . Pour atteindre cet objectif, un problème majeur doit être résolu. A l'échelle microscopique, la rugosité des surfaces même très faible induit des contacts généralement de type multiaspérités. Lors d'un déplacement relatif, ce type de contact est par essence même difficile à étudier en raison de l'évolution permanente des aires en contact. Il est donc indispensable de travailler avec des contacts monoaspérités pour lesquels le contact peut être considéré comme stable au phénomène d'adhésion près. L'AFM permet à la fois de générer ce type de contact à l'échelle nanométrique et de mesurer les forces d'adhésion avec une résolution satisfaisante. Dans son principe, l'AFM permet de générer des déplacements de va-et-vient dont l'amplitude est de l'ordre du micromètre (de 0 à 100µm) à des fréquences typiques comprises entre 0,1 et 10Hz. Expérimentalement, il est difficile d'obtenir des résultats fiables pour des vitesses de déplacement supérieures à 10 µm/s. Cependant, ces vitesses sont trop faibles comparées aux vitesses pratiques de déplacements des contacts. Par ailleurs, lors de ces mouvements cycliques, on génère à chaque inversion de direction, un temps d'arrêt qui permet au contact d'évoluer de manière significative. Notre méthodologie consiste à imposer un déplacement relatif du contact de manière circulaire afin d'obtenir une vitesse de glissement constante et surtout sans temps d'arrêt aux phénomènes de stick-slip près. Durant l'opération, il est possible de mesurer les forces d'adhésion en fonction de la vitesse de glissement. Le fait de déplacer de manière circulaire permet d'utiliser des vitesses de glissement beaucoup plus grandes de l'ordre du mm/s. Dans une seconde étape, l'étude de l'influence de la