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Avec A. Chateauminois, C. Frétigny et E. Verneuil
Régimes transitoires de frottement dans des contacts de taille finie : non-uniformités mécaniques et géométriques
Effets mémoire dans le frottement des caoutchoucs
Avec V. Fazio et V. Acito
Collaboration F.Amiot, FEMTO, Besançon
Les transitoires de frottement sont connus depuis longtemps pour mettre en jeu des effets mémoires dont la description reste essentiellement phénoménologique. Afin de clarifier les origines physiques de ces effets, nous menons des expériences dans lesquelles nous perturbons des interfaces frottantes en imposant des trajectoires de glissement non rectilignes. Par exemple, une situation contrôlée de régime transitoire de frottement est obtenue en imposant une trajectoire sinusoïdale à une sphère en verre en contact avec un substrat en caoutchouc (Fig.a)), on obtient. Le dispositif expérimental permet de mesurer simultanément les deux composantes de la force de frottement dans le plan de l’interface et le champ de vitesse du substrat. De façon remarquable, la force de frottement mesurée n’est pas tangente à la trajectoire (Fig.b). Un effet mémoire est mis en évidence, et est modélisé en tenant compte de la non-uniformité du champ de vitesse au sein du contact (Fig.c).
(a) Contact entre un substrat plan en caoutchouc et une sphère en verre qui suit une trajectoire sinusoïdale. (b) Vecteurs rouges : force de frottement le long de la trajectoire sinusoidale imposée représentée en bleu. (c) Champ de vitesse à la surface du substrat. Le bord du contact est représenté en bleu.
Références
V. Fazio, V. Acito, F. Amiot, C. Frétigny and A. Chateauminois, Memory effects in friction : the role of sliding heterogeneities, Proceedings of the Royal Society A 477 (2021) 20210559
Frottement de films minces d’hydrogels
Avec L. Ciapa et J. Delavoipière et Y. Tran
Collaboration Saint Gobain Recherche, Aubervilliers et C.Y. Hui, Cornell University
Pour la fonctionnalisation de certains produits verriers, on envisage de plus en plus souvent d’utiliser des couches minces de gels ou d’élastomères. Or ces couches se révèlent souvent fragiles, en particulier à l’état hydraté, lorsqu’elles sont soumises à l’action combinée de sollicitations mécaniques induites par des contacts et de contraintes liées au gonflement de la couche en atmosphère humide. L’optimisation des propriétés fonctionnelles et la durabilité de ces revêtements repose sur une meilleure compréhension physique du couplage entre l’élasticité des réseaux, la condensation et la diffusion du solvant à partir de la phase vapeur et la présence de contraintes mécaniques.
Nous étudions ainsi les liens entre les propriétés élastiques de couches minces (quelques µm à l’état gonflé) de réseaux d’hydrogels, leur état de gonflement et leurs propriétés de frottement en nous appuyant sur une étude expérimentale du contact et du mouillage de ces couches. Elaborés au laboratoire, des réseaux de structure contrôlée obtenus par chimie click nous permettent, en jouant sur la nature chimique des constituants et leur architecture (taux de réticulation), de faire varier les paramètres d’élasticité et de gonflement des couches.
Lorsqu’une bille de verre sphérique est appuyée sur une couche mince d’hydrogel, le réseau de polymère gonflé relargue de l’eau et le contact obtenu à l’équilibre est fixé par les propriétés élastiques du réseau de polymère (Fig.a). Le drainage de l’eau en dehors de la zone de contact est caractérisé par un temps dit poroélastique qui dépend aussi de la perméabilité du réseau.
Si maintenant la sphère est translaté à la surface du gel, un régime transitoire de frottement est observé au cours duquel le rayon du contact et la force de frottement varient. Nous nous sommes demandé si le flux de l’eau dans le contact jouait un rôle sur le frottement et sur ces variations transitoires observées. En mesurant les variations temporelles du rayon du contact et de la force de frottement, nous avons montré que des écoulements poroélastiques de l’eau sous le contact s’établissent au moment de la mise en glissement et peuvent donner lieu à un effet de portance qui soulève la sphère. Nous avons aussi montré que ces écoulements pilotent la cinétique de variation de la taille du contact (Fig.b), et, en conséquence, la force de frottement. En effet, la force de frottement varie en loi de puissance de la taille du contact, selon une courbe maitresse qui permet de rassembler tous les résultats expérimentaux (Fig.c).
(a) Expérience de frottement d’une bille sphérique de verre glissant contre un film mince d’hydrogel d’épaisseur micrométrique. (b) En réponse à la mise en glissement, le rayon du contact varie et l’eau contenue dans le gel peut être expulsée ou absorbée par le gel, selon le temps de contact statique précédant la mise en glissement. (c) Les variations correspondantes de la force de frottement ne dépendent que du rayon du contact, et les données peuvent se remettre sur une courbe maitresse qui est une loi de puissance en fonction de la taille du contact.
Références
L. Ciapa, J. Delavoipière, Y. Tran, E. Verneuil, and A. Chateauminois, Transient sliding of thin hydrogel films : the role of poroelasticity, Soft Matter 16 (2020) 16, 6539
J. Delavoipière, Y. Tran, E. Verneuil, B. Herteufeu, C.-Y. Hui and A. Chateauminois, Friction of poroelastic contact with thin hydrogel layers, Langmuir 34 (2018) 9617-9626
J. Delavoipière, Y. Tran, E. Verneuil and A. Chateauminois, Poroelastic indentation of mechanically confined hydrogel layers, Soft Matter 12 (2016) 8049-8058
J. Delavoipière, B. Herteufeu, J. Teisseire, A. Chateauminois, Y. Tran, M. Fermigier and E. Verneuil
Swelling dynamics of surface-attached hydrogel thin films in vapor flows, Langmuir 34 (2018) 15238-15244
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