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Frottement local d’élastomères avec des surfaces rugueuses statistiques

Antoine Chateauminois, Christian Fretigny, D.T. Nguyen, V. Romero, M. Trejo et S. Yashima

 

Collaboration Alexis Prevost, Elie Vandersman (Laboratoire Jean Perrin, UPMC), Manoj Chaudhury (Lehigh Univ, USA) et Nic Spencer (ETH Zürich)

Les phénomènes fondamentaux qui gouvernent le frottement constituent un problème de Physique encore largement ouvert. Nous nous intéressons plus particulièrement aux liens entre le frottement de systèmes macroscopiques et des phénomènes locaux se déroulant au sein de l’interface à des échelles comprises entre la taille du contact et quelques micromètres. Il s’agit de mieux comprendre le rôle des micro-aspérités dans des contacts rugueux ou encore d’analyser des contacts en régime de frottement saccadé (stick-slip).
En nous appuyant sur de nouvelles techniques d’imagerie, nous développons une analyse locale du frottement au sein de contacts entre des élastomères silicones (PDMS) et des substrats en verre. Le champ de déplacement induit par le frottement est obtenu par l’analyse de la déformation d’un réseau de marqueurs situés sur la surface de l’élastomère. Par inversion du problème du contact, le champ de déformation ainsi mesuré permet de déterminer la contrainte de cisaillement en surface.

 

 

Champ de déplacement (à gauche) et de cisaillement (à droite) mesurés dans la direction du frottement (contact lisse).

 

Au moyen de cette méthodologie, le frottement local, c’est à dire la relation liant localement la contrainte de cisaillement à la pression de contact, est étudiée dans des contacts avec des surfaces rugueuses statistiques. Quelques soient les caractéristiques statistiques de ces surfaces (gaussiennes ou non), la contrainte de cisaillement varie de façon sublinéaire avec la pression de contact ; les lois d’Amontons-Coulomb ne sont pas vérifiées à l’échelle locale. Plus généralement, ces résultats expérimentaux mettent en évidence l’existence d’effets d’échelle dans les lois de frottement.

 


Loi de frottement local dans un contact entre un élastomère silicone et une surface de verre sablée. Les couleurs correspondent à des expériences différentes réalisées à charges normales croissantes.

Ces approches nous ont permis de mettre en évidence le rôle des déformations de la surface d’élastomères sur leurs propriétés de frottement : dans des contacts lisses verre/élastomère, la contrainte locale de frottement est proportionnelle au taux d’étirement local de la surface. Cette dépendance à de nombreuses implications dans le frottement de surfaces rugueuses et reste à intégrer dans les modèles de frottement.

 

Contacts rugueux viscoélastiques

D’autres développement utilisant ces techniques d’imagerie de contact portent sur les contacts rugueux viscoélastiques pour lesquels nous avons mis en évidence dans une configuration originale de frottement en torsion les effets sur le frottement des variations de l’aire de contact locale induites par des variations de vitesse. En collaboration avec S. Ramakrishna et N. Spencer à l’ETH Zürich, nous avons également étudié le frottement d’élastomères avec des surfaces décorées par des particules colloïdales monodisperses. Cette approche permet d’étudier le rôle de la dissipation viscoélastique à petite échelle sur le frottement dans une situation où la taille et la distribution des aspérités sont bien maîtrisées.

 

Contact et frottement de surfaces rugueuses statistiques modèles

En collaboration avec A. Prévost, A. Vandersman (LJP, UPMC) et Manoj K. Chaudhury (Lehigh Univ.) nous avons également étudié le contact avec des surfaces rugueuses modèles constituées d’aspérités sphériques distribuées en taille, en hauteur et en position. L’imagerie optique des micro-contacts permet alors de déterminer les distributions de pression et de taille des micro-contacts. A la lumière de ces données expérimentales, nous avons ainsi revisité certains modèles de contact rugueux (en partuculier le modèle de Greenwood et Williamson) en discutant le rôle des couplages élastiques entre aspérités.

 


Surface rugueuse modèle constituée d’une distribution d’aspérités sphériques (taille environ 30 µm).

 


Publications

A. Chateauminois, D.T. Nguyen and C. Frétigny, Effects of local stretch on the frictional stress of rubber, submitted

 

C. Frétigny and A. Chateauminois, contact on a stretched rubber, Physical Review E to appear (2017)

 

S. Biswas, A. Chakrabarti, A. Chateauminois, E. Wandersman, A. M. Prevost and M.K. Chaudhury, Soft Lithography Using Nectar Droplets, Langmuir 31 (2015) 13155−13164

 

S. Yashima, V. Romero, E. Wandersman, C. Frétigny, M.K. Chaudhury, A. Chateauminois and A.M. Prevost, Normal contact and friction of rubber with model randomly rough surfaces, Soft Matter 11 (2015) 871 - 881

 

D.T. Nguyen, E. Wandersman, A. Prevost, Y. Le Chenadec, C. Frétigny, A. Chateauminois, Non-Amontons-Coulomb local friction law of randomly rough contact interfaces with rubber EPL, 104 (2013) 64001

 

M. Trejo, C. Frétigny and A. Chateauminois, Friction of viscoelastic elastomers with rough surfaces under torsional contact conditions, Phys. Rev. E 88 (2013) 052401

 

D.T. Nguyen · S. Ramakrishna · C. Fretigny · N.D. Spencer · Y. Le
Chenadec · A. Chateauminois, Friction of rubber with surfaces patterned with rigid spherical asperities, submitted to Trib. Letters (08/2012)

 

D.T. Nguyen, P. Paolino, M-C. Audry, A. Chateauminois, C. Frétigny, Y. Le Chenadec, M. Portigliatti and E. Barthel, Surface pressure and shear stress field within a frictional contact on rubber, J. of Adhesion 87 (2011) 235-250

 

A. Chateauminois, C. Fretigny, Local friction at a sliding interface between an elastomer and a rigid spherical probe, European Physics Journal E, 27 (2008) 221-227