Coup de zoom sur la tribologie à l’école centrale de Lyon et sur Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes

Philippe Kapsa et Denis Mazuyer

Origine et développement du laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, anciennement unité de recherche associée au CNRS (URA 855) créée en 1992 et devenu en janvier 1995 une unité mixte de recherche CNRS-MESR (ECL-ENISE) (UMR 5513) qui dépend de la direction scientifique Sciences et Technologies de l'Information et de l'Ingénierie (ST2I) rattaché à la section 9 du Comité National d'Évaluation. Ce dernier est installé sur deux sites : l’École Centrale de Lyon (site principal) et l’École Nationale d’Ingénieurs de Saint-Étienne.

Philippe  Kapsa
Directeur de recherche, LTDS Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (UMR5513), École Centrale de Lyon, 36 Avenue Guy de Collongue, 69134 Ecully Cedex, http://ltds.ec-lyon.fr, philippe.kapsa@ec-lyon.fr
Denis  Mazuyer
Professeur, LTDS Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (UMR5513), École Centrale de Lyon, 36 Avenue Guy de Collongue, 69134 Ecully Cedex, http://ltds.ec-lyon.fr, denis.mazuyer@ec-lyon.fr

Texte intégral

De l’importance de la tribologie

1 La tribologie est la science du frottement, de l'usure, de la lubrification et de l'adhérence. Elle concerne de nombreux aspects de la vie quotidienne et depuis de nombreuses années, des solutions empiriques existent pour optimiser les contacts dans des systèmes mécaniques utilisés par l'homme. Les Égyptiens utilisaient comme lubrifiant de la graisse animale pour réduire la résistance à l'avancement de chariot en bois servant à déplacer des statuts glissant sur le sol. Il ne serait pas possible de marcher si le frottement entre les semelles de chaussure et le sol n'existait pas. L'usure de prothèses articulaires est toujours un facteur limitant l'emploi de celles-ci, etc. Des problématiques scientifiques multidisciplinaires complexes se cachent bien souvent derrière des applications simples en apparence, etc.

2La tribologie est une science impliquée dans la réponse à des enjeux industriels importants. De nombreux systèmes mécaniques voient leur performance et leur durée de vie limitée par des problèmes d'usure. De plus les pertes par frottement représentent une part significative de la consommation énergétique. C'est pourquoi la tribologie a un impact environnemental et économique de plus en plus fort. Elle apparaît comme une science clé dans de multiples secteurs d'activité et le développement de nouvelles technologies dépend étroitement de ses avancées dans le domaine de la recherche fondamentale. Par exemple, la mise au point de systèmes capables de sauvegarder des volumes de données informatiques croissants impose le contrôle du frottement entre la tête de lecture et le support magnétique. L'augmentation de la fiabilité de fonctionnement de systèmes mécaniques sur satellite a nécessité la résolution de problèmes de lubrification en milieu intersidéral. Devant la continuelle compétition qui règne entre industrie française, japonaise et américaine, l’ECL1 grâce aux recherches de pointe menées dans ses laboratoires, a su depuis plus de trente ans porter la tribologie à un haut niveau et lui conférer une reconnaissance internationale.

  • 1 École Centrale de Lyon

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Un exemple des divers congrès internationaux organisés en tribologie à l'ECL : 4ème congrès de Fretting Fatigue organisé par le LTDS à l'ECL du 26 au 28 mai 2004

Un exemple des divers congrès internationaux organisés en tribologie à l'ECL : 4ème congrès de Fretting Fatigue organisé par le LTDS à l'ECL du 26 au 28 mai 2004

3Un ingénieur est obligatoirement confronté dans sa carrière à des problèmes de tribologie. Il est donc apparu, depuis longtemps, important d'intégrer dans le cursus des ingénieurs généralistes de l'ECL une formation dans ce domaine pour leurs fournir les outils et les méthodes qui leurs permettront d’analyser un problème d'origine tribologique et d’y répondre par la mise en œuvre d’études ou de technologies adaptées. Ainsi, recherche et enseignement se sont développés conjointement dans une synergie qui fait la renommée et l'originalité de la formation des ingénieurs de l'ECL.

La naissance du LTDS

4Le pôle de tribologie à l'ECL a fortement évolué depuis ses premiers travaux. De quelques personnes au démarrage, il est maintenant piloté par le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS, UMR2 CNRS 5513). En relation avec le CNRS3, l'ENISE4et l'EMSE5 (partenaires de l'ECL pour former le LTDS6) plus de 170 personnes (50% de personnel permanent, 50% de doctorants) travaillent dans cette discipline en relation très étroite avec le milieu industriel mais aussi avec de nombreuses structures régionales et nationales.

  • 2 Unité Mixte de Recherche
  • 3 Centre National de la Recherche (...)
  • 4 École Nationale d' Ingénieurs (...)
  • 5 École Nationale Supérieure (...)
  • 6 Laboratoire de Tribologie et (...)

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Vers 1975, le bâtiment H10 de l'ECL qui est maintenant le lieu principal de l'activité du LTDS en tribologie était un hall avec des machines outils utilisée pour l'enseignement de la technologie de fabrication

Vers 1975, le bâtiment H10 de l'ECL qui est maintenant le lieu principal de l'activité du LTDS en tribologie était un hall avec des machines outils utilisée pour l'enseignement de la technologie de fabrication

5Le LTDS s'appuie sur une collaboration intense avec le monde industriel et veille à maintenir un équilibre, souvent fragile mais essentiel, entre recherche amont et actions finalisées afin de répondre aux attentes du monde socio-économique. L'apport de la tribologie dans le domaine sportif ou de la santé, le poids des problèmes dynamiques dans l'industrie des transports, montrent bien la richesse et l'impérieuse nécessité de cette dualité entre génération de connaissances et réponses aux défis technologiques proposés par nos partenaires industriels. Nous développons avec eux une relation basée sur la durée et sur l'identification claire du rôle de chacun. L'étendue du domaine couvert et la nécessaire pluridisciplinarité entraîne naturellement une très grande diversité des secteurs industriels concernés : matériaux, chimie, pétroliers, automobile, génie civil, génie nucléaire, aéronautique et mécanique générale, etc.

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La tribologie est un facteur important de la durée de vie des prothèses d'articulation humaine dont l'emploi devient de plus en plus fréquent. (prothèse de col du fémur)

6Le LTDS, anciennement Laboratoire de Technologie des Surfaces (LTS, URA7 855), a été créé en 1992 à l'ECL par le professeur Jean-Marie Georges avec pour objectif de développer la recherche en tribologie.

  • 7 Unité de Recherche Associée (...)

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Le 9 mars 1995, remise de la médaille d'or de tribologie (Tribology Gold Medal décernée par l'International Tribology Council) à M. le professeur J.-M. Georges par M. l'ambassadeur d'Angleterre à Paris

7En janvier 1995, il devient le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS, UMR 5513) qui associe le CNRS et le MESR8 par le biais de deux écoles d'ingénieurs : l'ECL et l'ENISE. Cet événement s’est traduit par un élargissement des thématiques notamment avec l'introduction de nouvelles composantes telles que lamécanique des solides et la mécanique des vibrations. Sous la direction de Philippe Kapsa, le LTDS s’est développé tout en conservant l’équilibre entre recherche de base et recherche finalisée qui a fait sa renommée au niveau national et international auprès du monde industriel et du monde universitaire.

  • 8 Ministère de l'Enseignement (...)

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Le 28 novembre 1998, accueil du professeur Koji Kato de l'université de Sendai, médaille d'or de tribologie , à l'occasion de la cérémonie de docteur Honoris Causa de l'ECL

Le 28 novembre 1998, accueil du professeur Koji Kato de l'université de Sendai, médaille d'or de tribologie , à l'occasion de la cérémonie de docteur Honoris Causa de l'ECL

8Actuellement sous la direction de Denis Mazuyer, le laboratoire continue son expansion avec l’intégration d'une équipe de l'EMSE spécialisée dans la mécanique expérimentale et les matériaux composites.

Repères historiques

9Le développement de la tribologie à l'ECL a toujours été associé à l'essor régional du secteur industriel dans ce domaine avec en particulier la société Hydromécanique Et Frottement à Andrézieux-Bouthéon (Loire). Ainsi depuis 1961, de nombreux évènements ont marqué son histoire :

1961 : création de la société HEF par Jean-Jacques Caubet,

1962 : premiers cours de tribologie à l'ECL par Jean-Jacques Caubet jusqu'en 1970,

1963 : premier Travail de Fin d'Études (TFE) en tribologie avec J.-L. Polti de la société HEF,

1967 : inauguration de l'ECL au campus d'Écully avec l’organisation par Jean-Jacques Caubet d’un congrès national sur la tribologie,

1970 : création du laboratoire de technologie des surfaces par J.-M. Georges; développement de travaux de recherche en physico-chimie des surfaces et tribologie,

1975 : le laboratoire de technologie des surfaces devient associé au CNRS avec la création de l'URA 855,

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1980, Raymond Barre, premier Ministre visite le laboratoire de technologie des surfaces avec M. le professeur J.-M. Georges

1983 : le laboratoire de métallurgie de l'ECL avec Léo Vincent élargi ses actions de recherche en science des matériaux an abordant la tribologie,

1992 : le laboratoire de technologie des surfaces renforce ses actions dans le domaine de la mécanique, de la dynamique des systèmes et de la physique en intégrant une équipe de recherche du département de l'époque mécanique des solides et d'une équipe de l'ENISE. Il devient alors l'UMR du CNRS (UMR 5513), le LTDS : Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, un des laboratoires majeurs du département des sciences pour l'ingénieur du CNRS. Il est dirigé par Philippe Kapsa et est constitué d'environ 80 personnes (40 permanents et 40 doctorants). Ses relations avec le secteur industriel national et international se développent fortement,

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Le 6 décembre 1988, Hubert Curien, ministre de la Recherche, en visite au LTDS, avec Philippe Kapsa

Le 6 décembre 1988, Hubert Curien, ministre de la Recherche, en visite au LTDS, avec Philippe Kapsa

1992 : la recherche amont du LTDS est aussi en plein essor avec le pilotage par Jean-Marie Georges du Groupement De Recherche (GDR) CNRS « forces de surfaces » qui a regroupé pendant plusieurs années divers laboratoires CNRS des départements science pour l'ingénieur, chimie et physique,

1996 : l'Institut Européen de Tribologie (I.E.T.) est mis en place avec des chercheurs de l'INSA  de Lyon, de l'Imperial Collège de Londres et de l'université de Leeds en Angleterre. Cette action permet de structurer les actions du LTDS tant dans le cadre régional qu’européen, toujours en maintenant une synergie recherche de base et recherche finalisée, recherche et enseignement,

2005 : le LTDS accroît encore ses thématiques de recherche en intégrant une équipe matériaux de l'ECL. Les aspects de recherche dans le domaine du vivant deviennent alors plus importants,

2007 : le LTDS intègre une équipe de l'EMSE pour renforcer la thématiques mécanique des matériaux composites. La direction du LTDS est alors prise par Denis Mazuyer. Le LTDS est alors composé d'environ 180 personnes ce qui fait de lui le plus important laboratoire du département Science et Technologie de l'Information et de l'Ingénierie (ST2I) du CNRS avec une forte notoriété internationale.

Le développement du LTDS

Les missions du LTDS

10Au cours de toutes ces années, les actions du LTDS l'ont placé au premier plan international des laboratoires en tribologie. Il a ainsi mené de nombreuses actions scientifiques structurantes pour la communauté. Ainsi depuis 2006, il prend une part très active au développement du pôle « Ingénierie à Lyon » en relation avec la région Rhône-Alpes, le CNRS et le milieu universitaire Lyonnais.

11La tribologie participe de manière incontestable à la notoriété de l'ECL en matière de recherche avec le laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes qui est maintenant un acteur majeur de recherche ingénierie.

12Ce dernier poursuit donc ses actions de recherche avec une stratégie reposant sur trois éléments fondateurs :

une recherche pluridisciplinaire,

une forte synergie entre le développement permanent d’une expérimentation de pointe et d’une modélisation numérique et phénoménologique avancée,

une volonté constante d’ouverture vers la communauté scientifique et le monde socio-économique.

Il s’attache également à assurer de front ses différentes missions :

la recherche pour l’avancée des connaissances et la compréhension des mécanismes fondamentaux,

la recherche pour répondre aux attentes et aux questions émanant de la société,

la recherche et l’innovation pour tenir son rôle de soutien au développement industriel.

13Son champ scientifique et disciplinaire couvre un domaine allant de la tribologie (étude du frottement, de l'usure, de la lubrification, de l'adhérence) à la dynamique des systèmes (contrôle des vibrations et de la stabilité des systèmes et des organes mécaniques) en passant par la mécanique des solides (calcul des structures, ouvrages et procédés) et le génie civil.

L’organisation structurelle du LTDS

14Le laboratoire structure son activité autour de trois équipes de recherche où se mêlent tribologues, dynamiciens et spécialistes des matériaux.

L’équipe « tribologie, physico-chimie et dynamique des interfaces »

15Cette équipe focalise ses thématiques de recherche sur la compréhension fondamentale des phénomènes de contact entre solides, de frottement, d'usure et de lubrification. La maîtrise des interfaces tribologiques est une réponse non seulement aux enjeux technico-économiques (transports, production d'énergie, stockage de l'information, etc.) mais aussi aux exigences de plus en plus fortes de la société en matière de protection de l'environnement, de santé ou encore d'éducation.

16Un des points forts de la démarche suivie au sein de l'équipe réside dans le développement d'approches multi-échelles au sens où si les objets en contact sont souvent macroscopiques, les mécanismes impliqués mettent en jeu des interactions locales, dont l'échelle caractéristique est le nanomètre. Des expérimentations originales (mesures de forces de surfaces, tribomètre UHV9, tribomètres spécifiques, nanosondes, détermination des contraintes résiduelles, traitements de surfaces, etc.) sont développées pour intégrer les différentes échelles de longueur, pression, temps et température impliquées dans l'évolution d'un tribo-système. Elles sont adossées à des modélisations variées : éléments finis, automates cellulaires, modélisations moléculaires et statistiques (écoulement hétérogène, interfaces multi-contacts, chimie, etc.) et modélisations mécaniques (rhéologie et écoulement homogène des interfaces, etc.).

  • 9 Ultra High Vacuum

L’équipe « mécanique des milieux hétérogènes, géomatériaux et procédés de transformation »

17Cette seconde équipe réunit un ensemble de compétences dans le domaine de la mécanique des solides et de ses applications industrielles. Les objets d'études regroupent les structures et les milieux fortement hétérogènes (milieux vivants, matériaux naturels ou fabriqués par l’homme), ainsi que les procédés de fabrication. L’équipe développe et met en œuvre des modèles de comportement, des modèles numériques et des outils expérimentaux pour apporter des éléments de réponse à des problèmes d’ingénierie complexes (souvent multiphysiques) comme ceux rencontrés dans les matériaux naturels (géomatériaux), ainsi qu’en mécanique des surfaces et dans le domaine des procédés de fabrication.

18Un des thèmes de recherche majeurs concerne les procédés de fabrication avancés. De nombreux projets sont ainsi conduits sur les procédés d’usinage et de superfinition des surfaces tant du point de vue numérique qu’expérimental. La modélisation du comportement des matériaux à structure discrète constitue l’un des axes forts de l’équipe avec comme application essentielle la modélisation des géomatériaux et des ouvrages géotechniques sous sollicitations complexes avec des objectifs de maîtrise de l’environnement (stockage des déchets) et des risques naturels (érosion interne des digues ou barrages en terre, sollicitations sismiques).

L’équipe « dynamique, fiabilité, durabilité »

19Cette dernière équipe se fixe comme objectif l’estimation et la prédiction du comportement global (dynamique et durabilité) des structures en définissant les lois qui caractérisent leurs interactions grâce à un fort couplage entre analyse théorique et développement expérimental. Ceci passe par la maîtrise des propriétés mécaniques et structurales des matériaux qui les composent et de leurs lois d’endommagement (amorçage et propagation de fissures, usure des contacts). Leur description physique et quantitative est déterminée à partir d’essais réalistes de l’éprouvette à la structure qui intègrent à la fois les hétérogénéités du chargement et les conditions extrêmes (forts gradients thermiques, chocs, etc.).

20La connaissance fine de la dynamique des structures est aussi un passage obligé qui constitue un des domaines d’expertise de l’équipe. En effet, la présence de caractéristiques non-linéaires, comme les frottements ou encore les jeux sont sources d’une grande complexité dynamique. Des outils spécifiques sont alors nécessaires pour simuler des phénomènes aussi divers que la présence de bifurcations, de réponses quasi-périodiques ou même chaotiques. La richesse spectrale est analysée au travers d’outils spécifiques notamment pour le traitement des aspects moyennes et hautes fréquences. Si une maîtrise absolue de la prédictivité n’est pas toujours possible alors une stratégie de contrôle peut être envisagée. Ainsi l’avènement de matériaux multi-fonctionnels, ouvre de nouveaux champs d’application pour le domaine du contrôle actif que l’équipe est à même de construire par ses compétences sur les matériaux et le contrôle de structure.

Le LTDS : une renommée nationale et internationale

21Grâce à ses activités, le LTDS dispose d'une renommée nationale et internationale dans ses domaines d’excellence que sont la tribologie, la dynamique non-linéaire et la vibro-acoustique, la physico-chimie des surfaces, la mécanique des matériaux et des interfaces. Parmi les actions fortes de l’UMR, il est possible de mentionner :

le développement de l'instrumentation en tribologie, tribomètres divers dont un tribomètre analytique sous ultra vide, les appareils de mesure des forces de surfaces et de nanorhéologie en milieu liquide,

l'étude de la lubrification moléculaire, limite et élastohydrodynamique,

l'étude des transformations physico-chimiques et structurales associées aux phénomènes tribologiques (amorphisation subnanométrique des matériaux créée par l'usure, origine de coefficients de frottement ultra-faibles),

l'étude dynamique et vibroacoustique des mécanismes (engrenages, transmission, etc.),

la modélisation et le passage micro-macro des matériaux granulaires, hétérogènes et discrets à différentes échelles (poudres, sables, enrochements),

la modélisation, la caractérisation et le contrôle des systèmes mécaniques non linéaires,

le développement d’approches énergétiques globales dans le domaine des moyennes fréquences,

l'étude et la caractérisation de la morphologie et des propriétés mécaniques de surface par AFM, nanoindentation et topographie.

22L'UMR 5513 fonde son originalité sur un équipement exceptionnel qui lui confère un potentiel d'expérimentation unique tant dans le domaine de la tribologie et de la caractérisation multi-échelle des surfaces que dans celui de la simulation du comportement vibratoire de structures mécaniques complexes : microscopes, simulateurs, tribomètres originaux, techniques d'analyses des surfaces et des matériaux, banc d'essais vibratoires, etc. De plus, la complémentarité et l’interaction entre modélisation et expérience se sont maintenant largement généralisées dans le laboratoire avec l’intégration raisonnée des outils numériques.

23Le laboratoire participe activement à de nombreux projets structurants à la fois au plan national et régional (structures fédératives de recherche, clusters régionaux). Dans le domaine des matériaux, il participe à la mise en place de la fédération de recherche CNRS, FR 2145,FédéRams (Fédération Rhône-Alpes Matériaux de Structure et Propriétés d'usage)dirigée par Michel Suéry. Cette fédération associe le laboratoire MATEIS10 et LaMCoS11 de l'INSA de Lyon, deux laboratoires de l'INPG12 (SIMAP13 et 3-SR14) ainsi que deux laboratoires de l’EMSE (PECM15 et LPMG16) autour de thèmes de recherche portant sur les matériaux. Elle a permis la réalisation de thèses en collaboration ainsi que l'élaboration de programmes de recherche communs. Cette fédération a de plus été motrice dans l'établissement du contrat de plan État et Région qui a permis d'investir dans des outils de recherche commun aux six laboratoires. Cette fédération pilote un projet de GDR européen en cours de montage dont la thématique est centrée sur les matériaux hétérogènes.

  • 10 Matériaux : Ingénierie et (...)
  • 11 Laboratoire de Mécanique des (...)
  • 12 Institut Polytechnique de (...)
  • 13 Science et Ingénierie des (...)
  • 14 Sols, Solides, Structures - (...)
  • 15 Plasticité, Endommagement et (...)
  • 16 Laboratoire des procédés en (...)

24Cette fédération a été à la base de la mise en place d'un cluster régionalMACODEV17dans le domaine des matériaux. Ce projet qui regroupe plus de cinquante laboratoires de la région a formalisé une offre recherche en matériaux et a proposé des programmes de recherche. Enfin, le LTDS constitue un des piliers de la structuration de l’ingénierie à Lyon.

  • 17 MAtériaux et COnception pour (...)

25En outre, l'activité du LTDS se situe dans les axes prioritaires affichés au niveau européen : nanotechnologies et nanosciences, aéronautique et espace, santé, énergie et environnement ainsi que dans ceux définis par le département ST2I du CNRS (matériaux à fonction structurale, structures et systèmes mécaniques, génie mécanique, acoustique, ingénierie pour la santé). Dans ce contexte, nos travaux trouvent leurs applications essentiellement dans l'énergie, le transport, les produits à usage fonctionnel, la santé, le sport, la sûreté, les matériaux.

26Pour toutes ses actions, le LTDS est en contact étroit avec l'industrie. Ainsi, le LTDS est depuis 1999 pôle externe de recherche de la Snecma18pour la tribologie et de la dynamique des systèmes. Cette action montre la reconnaissance de la qualité de nos recherches et l'intérêt qu'y porte une industrie de pointe. Elle conduit à une collaboration très importante qui se concrétise notamment par de nombreuses thèses financées. Ce partenariat se poursuit et se renforce dans le cadre du projet MAIA 19 (Snecma/CNRS). La pluridisciplinarité que nous faisons vivre au LTDS est ainsi reflétée par la diversité des secteurs industriels avec lesquels nous entretenons des relations contractuelles suivies : matériaux, chimie, pétroliers, automobile, génie civil, génie nucléaire, aéronautique et mécanique générale.

  • 18 Société Nationale d'Études (...)
  • 19 MAchine Intelligente Autonome

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Dans le freinage, coefficient de frottement et taux d'usure sont très importants. (Frein d'airbus A 380)

Dans le freinage, coefficient de frottement et taux d'usure sont très importants. (Frein d'airbus A 380)

Le LTDS : un acteur majeur de la recherche en ingénierie

27Le LTDS est une structure active et évolutive qui participe fortement à la vie scientifique locale, nationale et internationale. Sa situation, sans équivalent en France, se renforce sur le plan international par de nombreuses collaborations :

au niveau local, il représente avec le LMFA  l'essentiel de l'activité de recherche à l'ECL,

il a permis à l'ENISE le développement d'une recherche structurée et structurante pour la mécanique à Saint-Étienne avec des relations avec l'EMSE qui se traduit par l'intégration d'une de ses équipes au sein de l'unité pour la période 2007 à 2010,

Au niveau régional, il joue un rôle prépondérant en relation avec les chercheurs des autres établissements (INSA, INPG) dans le cadre d'actions structurantes; il participe ainsi aux pôles de compétitivité ViaMéca (Pôle de compétitivité mécanique) et Axelera (Pôle de compétitivité à vocation mondiale Chimie-Environnement Lyon & Rhône-Alpes),

il est un des laboratoires les plus importants du département ingénierie du CNRS et plusieurs membres du LTDS occupent des postes dans plusieurs instances nationales,

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Le 10 Novembre 1998, visite de Mme Catherine Bréchignac, Directeur Général du CNRS, en présence de M.le professeur J.-M. Georges, Mme Sandrine Bec et M. Bernier (CNRS)

Le 10 Novembre 1998, visite de Mme Catherine Bréchignac, Directeur Général du CNRS, en présence de M.le professeur J.-M. Georges, Mme Sandrine Bec et M. Bernier (CNRS)

au niveau mondial, les travaux du LTDS sont reconnus dans les divers champs scientifiques qui l’aborde et contribuent à sa notoriété,

le volume de ses relations contractuelles avec le monde industriel montre clairement sa contribution au développement technologique.

28Le LTDS envisage de poursuivre ses actions dans ces divers domaines qui le placent au premier plan des laboratoires français en ingénierie et la tribologie contribuera encore certainement pendant longtemps à la une renommée et au rayonnement international de l’ECL.

Des travaux de recherche en tribologie au LTDS

La nano-structuration des surfaces pour influer sur le frottement et l'usure en régime lubrifié

29Le domaine du transport illustre bien le degré de complexité que doit intégrer la démarche et la diversité des retombées de nos activités de recherche. À titre d'exemple, dans un véhicule, des comportements en frottement antagonistes coexistent : une friction élevée mais sans adhésion est indispensable au bon fonctionnement des freins pour assurer la sécurité des passagers tout en dissipant des puissances considérables alors qu'une réduction des frottements dans les composants de moteurs thermiques pourrait diminuer d'environ 5% (soit 30 milliards de litres de carburants) la consommation mondiale annuelle de carburants (source : Nissan Motor Co.). Du point de vue environnemental, ce dernier point s'accompagnerait d'une décroissance annuelle de 250 millions de tonnes des émissions de CO2. Conjointement, l’élimination des dégradations de surfaces responsables de la perte de fonctionnalité des mécanismes est un objectif majeur, car synonyme de fiabilité et d'augmentation de leur durée de vie.

30Nous explorons diverses voies pour minimiser frottement et usure : la lubrification, les traitements de surfaces, les couches sacrificielles ou encore la nano-structuration des surfaces, etc. Le bénéfice potentiel d’une texturation de surfaces en termes de réduction de frottement et d’allongement de la durée de vie des contacts hydrodynamiques complètement ou partiellement alimentés est souvent attribué à l’action des cavités comme autant de petits réservoirs constituant une série de micro-patins à marche responsables d’une augmentation locale de la portance. En 2005, les travaux expérimentaux et numériques menés au LTDS sur des contacts lubrifiés soumis à de hautes pressions ont montré l’importance du cisaillement du lubrifiant. Celui-ci, confiné par la distribution de pression dans la micro-cavité, passant dans une phase quasi-solide, provoque une déformation élastique et génère, dans le sens du glissement, une sur-épaisseur localisée dans la zone de haute pression du contact (fig. 1).

31À titre d'exemple, la durée de vie de pompes a été multipliée par trois grâce à la micro-texturation des joints utilisés dans ces mécanismes. De plus, des réductions du coefficient de frottement et d'usure pouvant aller jusqu'à 30% ont été obtenues sur bancs de simulation dans une gamme de chargement limitée, mais néanmoins représentative des sollicitations tribologiques d’un contact segment-piston ou chemise.

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Figure 1 : Passage d’une micro-cavité d’un diamètre de 45 µm et profonde de 160 nm dans un contact EHD (Elasto-HydroDynamic), soumis à un taux de glissement de 50%. Le sens de glissement va de la gauche de l’image vers la droite. On constate aussi bien expérimentalement (a) que numériquement (b) la présence d’une traînée à l’arrière de la cavité qui correspond à une augmentation locale de l’épaisseur

Le supra-glissement

32Un autre exemple pertinent concerne le phénomène de supra-glissement (coefficient de frottement inférieur à 1%) dont l'enjeu, au-delà de la seule obtention de très faibles coefficients de frottement, est d'en assurer la pérennité par le contrôle des propriétés de surfaces lors de l'évolution du contact. La supra-friction a été prévue théoriquement il y a une vingtaine d’années et démontrée pour la première fois expérimentalement au sein du laboratoire au début des années 90. Trois exemples ont été clairement identifiés :

33Les couches de bisulfure de molybdène (MoS2) déposées sous vide sont réputées réduire le coefficient de frottement à quelques centièmes (typiquement 0,05). Nous avons pu déposer des films de composition parfaitement stoechiométrique et exempte de contamination par le carbone et caractérisé leur comportement tribologique dans l’ultravide (fig. 2-a). Nous avons observé, un coefficient de frottement de l’ordre du millième, proche de la limite des valeurs mesurables avec notre équipement . Les analyses in situ ont montré que le frottement a finalement lieu entre des couches de MoS2 après un processus de transfert du revêtement sur la surface antagoniste. Les analyses cristallographiques ex-situ par diffraction X rasants et microscopie électronique à haute résolution ont mis en évidence un double mécanisme d’orientation des feuillets de MoS2 dans l’interface. D’abord une orientation cristallographique des plans de base se produit parallèlement à la direction du glissement. Un autre effet d’orientation caractérisé par la rotation des feuillets les uns par rapport aux autres (normalement au plan de base) conduit à une incommensurabilité entre les réseaux des deux plans de glissement. Ces résultats expérimentaux sont confortés par des études théoriques effectuées. Ces résultats prouvent la possibilité de quasi-disparition du frottement lorsqu’il y a glissement entre deux surfaces cristallines constituées de réseaux incommensurables. Le terme superlubricity (supra lubrification) est introduit par Hirano en 1991.

34À la fin des années 90, le LTDS en collaboration avec l’IBM20 T.J. Watson Research Center d’une part et l’Argonne National Laboratory (ANL) d’autre part, a rapporté l’obtention de coefficient de frottements inférieurs au centième pour des couches minces de carbone amorphe hydrogéné (a-C:H) aussi appelée carbone adamantin (Diamond-Like Carbon, DLC). Ces matériaux amorphes et métastables constituent une nouvelle famille de matériaux supra-lubrifiants, après les dichalcogénures d’alcalins, à la structure cristalline lamellaire. Notre équipe a ainsi mis en évidence l’importance de la teneur en hydrogène de ces couches minces et de la température pour le maintien de ce régime particulier. Les couches les moins hydrogénées peuvent conduire à une perte brutale du supra glissement. indiquant l’occurrence de jonctions adhésives, Toutefois, en effectuant des essais en présence d’hydrogène gazeux, il est possible de restaurer durablement une période de supra glissement, après une élévation transitoire du coefficient de frottement (fig. 2-b). Plus récemment, nous avons montré que la lubrification de couches DLC par du glycérol permet d’atteindre des frottements très faibles (< 0,01) selon un mécanisme basé sur la formation de groupements hydroxyl consécutive à une réaction chimique entre le glycérol et la surface carbonée.

  • 20 International Business Machines

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Figure 2-a : Schéma du tribomètre analytique sous ultra-vide

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Figure 2-b : Frottement d'une couche DLC sous environnement gazeux

35Fin

Notes

1 École Centrale de Lyon

2 Unité Mixte de Recherche

3 Centre National de la Recherche Scientifique

4 École Nationale d' Ingénieurs de Saint-Étienne

5 École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne

6 Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes

7 Unité de Recherche Associée au CNRS

8 Ministère de l'Enseignement supérieur et de la Recherche

9 Ultra High Vacuum

10 Matériaux : Ingénierie et Science

11 Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

12 Institut Polytechnique de Grenoble

13 Science et Ingénierie des MAtériaux et Procédés

14 Sols, Solides, Structures - Risques

15 Plasticité, Endommagement et Corrosion des Matériaux

16 Laboratoire des procédés en milieux granulaires

17 MAtériaux et COnception pour un DEVeloppement durable

18 Société Nationale d'Études et de Construction de Moteurs d'Avions

19 MAchine Intelligente Autonome

20 International Business Machines

Pour citer ce document

Philippe Kapsa et Denis Mazuyer , «Coup de zoom sur la tribologie à l’école centrale de Lyon et sur Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes», Histoire de l'École Centrale de Lyon [En ligne], Enseignement et Recherche en Sciences pour l'Ingénieur, Mémoire de l'École Centrale de Lyon, mis à jour le : 20/11/2008, URL : http://histoire.ec-lyon.fr/index.php?id=528.