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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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3. Processus élémentaires du frottement
Le frottement n'est pas une force fondamentale : elle est la résultante de plusieurs phénomènes. Comprendre les mécanismes fondamentaux de la friction est difficile, car ils dépendent des propriétés des matériaux, en volume et en surface, et de l'environnement d'un système donné, mais aussi des échelles spatiales et de temps qui sont sondées par le cisaillement. Quelques éléments donneront une idée de la complexité du sujet :
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le frottement sec est généralement différent du frottement lubrifié ;
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le frottement dû à la propagation des vibrations (phonons) dans les matériaux et la friction électronique dans le cas de surfaces métalliques peuvent être importants ;
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la rugosité des surfaces et leur inhomogénéité chimique jouent souvent un rôle majeur dans le frottement des objets macroscopiques ;
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l'adhérence entre les surfaces et les propriétés élastiques des parois de confinement peuvent également s'avérer déterminants. En outre, la déformation plastique irréversible des surfaces en contact ne peut être négligée lorsqu'elle est présente : le frottement n'est pas un phénomène uniquement de surface, mais il implique également bien souvent les couches locales proches de l'interface cisaillée ;
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la condensation capillaire peut s'opposer au glissement des surfaces hydrophiles dans des environnements humides ;
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en présence d'usure, des mécanismes de dissipation d'énergie liés à des modifications morphologiques et chimiques des couches superficielles des matériaux soumises au frottement doivent être pris en compte. D'éventuelles réactions chimiques induites par le frottement (tribochimie) peuvent se produire sur les surfaces et/ou dans un film lubrifiant ce qui implique des mécanismes supplémentaires de dissipation d'énergie.
La liste des mécanismes à l'origine des forces de frottement est longue et leur connaissance pas toujours bien établie. Dans la suite, nous nous limiterons à certains mécanismes fondamentaux de dissipation se produisant dans un contact unique de géométrie contrôlée. Les exemples choisis pour illustrer la démarche et l'intérêt de cette discipline ont tous été obtenus à l'aide d'un SFA-nanotribomètre. Les exemples présentés ne couvrent que partiellement l'ensemble des connaissances accumulées ces vingt...
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BIBLIOGRAPHIE
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(7) - MATE (C.M.), McCLELLAND (G.M.), ERLANDSSON (R.), CHANG...
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