Projet ANR-13-JS09-0016 – Confluence : Fluides confinés sous sollicitations tribologiques variables au cours du temps
Programme : JCJC - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédes et Energie (JCJC SIMI 9)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame juliette CAYER-BARRIOZ (Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes)
Partenaires : Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes
Montant : 190000.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : ConfluenceSi les systèmes mécaniques sont actuellement optimisés dans le cadre des sollicitations constantes pour lesquelles les mécanismes de lubrification sont globalement maîtrisés lorsqu’un film sépare les surfaces frottantes, la majorité des pertes par friction et des endommagements apparaissent lors de sollicitations variables au cours du temps. Ces dernières induisent des phénomènes dynamiques localisés aux interfaces qui demeurent partiellement inexpliqués.
Quelle est l’influence des échelles de temps (temps de contact, temps de relaxation moléculaire, etc) sur les mécanismes de lubrification d’interface confinée?Les objectifs du projet sont :- Identifier les phénomènes locaux se produisant au sein d’une interface confinée lubrifiée pour des sollicitations tribologiques variables au cours du temps (changements rapides de vitesse relative ou mouvement oscillant par exemple)- Caractériser les mécanismes de lubrification avec des fluides dont la rhéologie devient complexe sous l’action combinée de la pression de contact  du confinement et de la vitesse de déformation. Ceci nous permettra de répondre à la question suivante : quelle est l’influence des échelles de temps (temps de contact, temps de relaxation moléculaire, etc) sur les mécanismes de lubrification d’interface confinée?
MéthodologieUne approche expérimentale de mesures simultanées de distribution d'épaisseur de film et des forces de contact sous cinématique contrôlée, est  couplée à une analyse théorique
Résumé de la soumission : Si les systèmes mécaniques sont actuellement optimisés dans le cadre des sollicitations constantes pour lesquelles les mécanismes de lubrification sont globalement maîtrisés lorsqu’un film sépare les surfaces frottantes, la majorité des pertes par friction et des endommagements apparaissent lors de sollicitations variables au cours du temps. Ces dernières induisent des phénomènes dynamiques localisés aux interfaces qui demeurent partiellement inexpliqués. Ils peuvent être associés à la rhéologie complexe des lubrifiants sous pression ou à la réorganisation moléculaire au sein de ces interfaces.Les objectifs du projet de ‘Recherche fondamentale’ Confluence sont d’identifier les phénomènes locaux se produisant au sein d’une interface confinée lubrifiée soumise à des conditions tribologiques variables au cours du temps (changement rapide de la vitesse relative entre les solides, mouvement oscillant) et de caractériser les mécanismes de lubrification tout en intégrant la rhéologie complexe du lubrifiant confiné. On entend par confinement un effet d’échelle dû à un ratio épaisseur de film/longueur caractéristique de contact de l’ordre de 10-3, pour des épaisseurs de film comprises entre quelques nm et quelques centaines de nm. Nous nous concentrerons sur les réponses aux questions suivantes : Quels sont les mécanismes de formation/rupture du film lubrifiant et de friction ? Quel rôle joue la rhéologie du lubrifiant sous pression, en particulier sa viscoélasticité et sa piézoviscosité, sur sa dynamique ? Quelles sont les conséquences de cette rhéologie d’interface et de la nature de l’écoulement qui en résulte sur la réponse tribologique du contact ?Afin d’illustrer l’impact de la rhéologie (viscosité et piézoviscosité) des lubrifiants sous pression et de leurs interactions avec les surfaces, quatre lubrifiants modèles seront choisis: une huile de base newtonienne piézovisqueuse, un fluide isovisqueux, solutions de polymères ou de phases moléculaires organisées qui présentent un comportement viscoélastique en volume et forment des couches adsorbées sur les surfaces.Deux axes principaux de recherche seront suivis. Le premier concerne la caractérisation des réponses transitoires des interfaces tribologiques induites par un changement rapide de vitesse de sollicitation qui renseignent sur la dynamique de friction et de la formation du film lubrifiant. Le second est focalisé sur l’analyse des mécanismes de formation de film et de friction dans un contact soumis à un mouvement oscillant. D’un point de vue expérimental, le projet Confluence s'appuiera sur l’utilisation de tribomètres capables de visualiser un contact en temps réel tout en contrôlant la sollicitation dynamique sur un large spectre fréquentiel (du Hz au kHz). La mesure des forces de contact associées permettra d'accéder aux phénomènes sur des échelles spatiales et temporelles courtes. Cette approche multi-échelle, déployée pour des gammes de pressions de contact allant jusqu’au GPa, et de vitesses de glissement couvrant plusieurs décades, de 10-10 à 1 m/s, sera appliquée à des fluides modèles. Il sera ainsi possible de réaliser une spectroscopie ‘in-situ’ du comportement rhéologique et tribologique du milieu interfacial confiné.Le premier résultat attendu est le développement d’une méthodologie d’investigation des interfaces confinées lubrifiées. Un autre résultat escompté est l’identification de la corrélation frottement/rhéologie interfaciale. Enfin, la compréhension fondamentale des mécanismes de lubrification sous sollicitations variables au cours du temps est un atout majeur d’aide à la formulation de lubrifiant industriel ainsi qu’à la conception optimisée de systèmes mécaniques.
Résultats : Le premier résultat est le développement d’une méthodologie d’investigation des interfaces confinées lubrifiées. Un autre résultat escompté est l’identification de la corrélation frottement/rhéologie interfaciale.
Perspectives : La compréhension fondamentale des mécanismes de lubrification sous sollicitations variables au cours du temps est un atout majeur d’aide à la formulation de lubrifiant industriel ainsi qu’à la conception optimisée de systèmes mécaniques.
Publications et brevets : - Une communication internationale invitée
J. Cayer-Barrioz (invitée), “Local dynamics in a confined lubricated interface”, Gordon Conference on Tribology 2014, Waltham, USA, 20-25 juillet 2014.
- Trois communications internationales sans actes (dont 2 par affiche)
A. Crespo, N. Morgado, D. Mazuyer, J.Cayer-Barrioz, “Confined fluids under transient tribological conditions” (poster), Gordon Research Seminar on Tribology 2014, Waltham, USA, 19-20 juillet 2014.
A. Crespo, N. Morgado, D. Mazuyer, J.Cayer-Barrioz, “Rheology and interfacial friction of confined fluids” (poster), Lubricated Contact, Cadiz, Espagne, 12-17 avril 2015.
A. Crespo, N. Morgado, D. Mazuyer, J. Cayer-Barrioz, “Friction mechanisms at the molecular scale in a lubricated contact”, International Tribology Conference 2015, Tokyo, Japon, 16-20 septembre 2015.
- Une communication nationale sans actes
A. Crespo, N. Morgado, D. Mazuyer, J. Cayer-Barrioz, “Lubrifiants confinés sous des conditions tribologiques transitoires”, CFM 2015, Congrès Français de Mécanique, Lyon, France, 24-28 août 2015.