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RÉSUMÉ
La tribologie est l’étude des phénomènes de frottement, d’adhésion, d’usure et de lubrification entre deux surfaces en contact, mais il s’agit de contacts multiples entre des objets rugueux. Grâce à de nouvelles techniques expérimentales et théoriques (microbalance à quartz, microscope à force atomique, appareil de mesure de force de surface), la nanotribologie permet de dévoiler les mécanismes fondamentaux du frottement, mais ramenés à un contact unique. L’article présente plusieurs exemples pour illustrer la complexité de cette démarche, comme la lubrification par un liquide simple, le frottement entre surfaces adhésives et la déformation des parois de confinement.
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Carlos Drummond : Chargé de recherche au CNRS, Centre de recherche Paul Pascal, université de Bordeaux
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Philippe Richetti : Directeur de recherche au CNRS, - Centre de Recherche Paul Pascal, université de Bordeaux
INTRODUCTION
La tribologie est la science qui étudie les phénomènes qui se produisent lorsque deux surfaces en contact subissent un mouvement relatif. Elle couvre les phénomènes du frottement, de l'adhésion, de l'usure et de la lubrification. La tribologie est une science fondamentalement interdisciplinaire : elle utilise des concepts issus de la chimie, de la science des matériaux, de la mécanique des fluides, de la physique des solides, de la rhéologie, de la cristallographie, de la physico-chimie des surfaces, de la thermodynamique et des mathématiques.
L'étude des forces de frottement est généralement compliquée. Ces forces dépendent de nombreuses variables qui ne peuvent pas toujours être contrôlées simultanément. Souvent, il s'agit d'étudier une interface qui est difficilement observable pendant le glissement. De plus, un certain nombre de processus se déroulent à différentes échelles de longueur et de temps, pouvant aller du macroscopique à l'atomique, de la femtoseconde au siècle. Pour ces raisons, la compréhension fondamentale de l'origine des forces de frottement ou la caractérisation complète d'un comportement tribologique est toujours limitée par les moyens techniques. Lors des trente dernières années, la mise au point de nouvelles techniques expérimentales et l'avènement des simulations numériques, toujours plus sophistiquées, ont permis de réaliser des progrès très significatifs, apportant une meilleure compréhension de ces phénomènes.
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Techniques expérimentales de nanotribologie
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1. Nanotribologie : définition et objectifs
Un système tribologique correspond à deux surfaces en contact en mouvement relatif. Ces deux éléments sont habituellement appelés premiers corps. Ils peuvent être semblables, comme des os recouverts de cartilages dans les articulations, ou différents, comme un stylo frotté contre du papier, ou encore une paupière qui glisse sur une lentille de contact. Les deux surfaces en contact sont séparées par une interface qu'on appelle généralement le troisième corps. C'est la région de glissement entre les objets en contact et celle qui peut subir des modifications physico-chimiques par rapport aux objets massifs. Il peut s'agir d'un lubrifiant liquide (les larmes ou le liquide synovial des articulations) ou solide (graphite, téflon ou disulfure de molybdène) ajouté pour faciliter le glissement. L'interface peut également être constituée de particules d'usure ou d'un film de transfert se déposant sur les surfaces. Le troisième corps peut réduire le frottement et l'usure, et prolonger la durée de vie du contact.
Pour étudier un système tribologique, plusieurs facteurs doivent être pris en considération. Les plus importants sont la mécanique du contact et l'adhérence entre les surfaces. L'objectif de la mécanique de contact est de décrire les corps en interaction physique : comment les contraintes sont distribuées et comment les corps se déforment. La rugosité et la morphologie des surfaces en contact gouvernent habituellement le contact des corps macroscopiques en raison de leur caractère multicontact. À l'opposé, en nanotribologie on traite un contact unique, une seule aspérité, de géométrie bien définie. Dans le cas d'un contact mono-aspérité, la description complète de la mécanique du contact doit tenir compte des propriétés mécaniques des objets en contact et de leur énergie d'adhésion (l'énergie nécessaire pour séparer deux surfaces après leur mise en contact). Différents mécanismes sont à l'origine de cette interaction, qui doivent être ajoutés à la force extérieure appliquée (charge) pour décrire la déformation des objets en contact. L'adhésion dépend de la nature chimique des objets en contact et de paramètres physico-chimique, comme la température et l'humidité.
La mécanique du contact n'est pas une science récente. En 1882, Hertz décrit la déformation élastique d'une sphère...
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BIBLIOGRAPHIE
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(7) - MATE (C.M.), McCLELLAND (G.M.), ERLANDSSON (R.), CHANG...
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