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Projet TRIBO

TT1 : Interfaces, surfaces et changements d’échelles dans les matériaux nano-structurés

 

Modélisation et simulation multi-échelle de phénomènes nano-, micro-tribologiques et de surfaces 

 

Axe 1 / Superlubricité du graphène et du graphite 

L’adhésion, le frottement, la lubrification et l’usure de deux surfaces en contact et en mouvement relatif sont des phénomènes tribologiques qui sont apparemment très différents quand l’échelle d’observation passe de l’échelle nanométrique à l’échelle macroscopique. Par exemple, quand un petit morceau de graphène glisse sur un graphène de taille beaucoup plus grande et quand la distance de glissement est très petite, la force de frottement est quasiment nulle si les deux réseaux cristallins correspondants sont incommensurables l’un par rapport à l’autre. Ce phénomène qualifié de «superlubricité », qui est très prometteur et très utile pour certaines nanotechnologies, semble actuellement très difficile à réaliser quand la surface de contact devient importante. La compréhension des effets des déformations des graphènes en contact et en mouvement relatif sur le frottement est considérée comme la clé pour surmonter cette difficulté. Ce projet a deux objectifs. D’abord, il vise à appréhender des phénomènes nanotribologiques via la modélisation et la simulation basées sur les calculs ab initio et la dynamique moléculaire. Ensuite, il vise à fournir des éléments pour expliquer les origines et mécanismes nanométriques et moléculaires des phénomènes de frottement et d’usure à l’échelle macroscopique.

 

Axe 2 / Passivation de surfaces de métal par le graphène 

Les revêtements à base de graphène ont récemment suscité un intérêt grandissant de par leurs propriétés de passivation des substrats vis-à-vis de l’oxygène et de l’augmentation de la résistance des surfaces associés à l’usure. Nous proposons une étude de modélisation et de simulation par calculs ab initio visant : (a) à modéliser l’oxydation locale de substrats de cuivre revêtus de graphène, pour comprendre les mécanismes de défauts de passivation aux joints de grains bi-dimensionnels constituants le graphène ; (b) à déterminer l’influence de l’oxydation locale sur les propriétés mécaniques telles que l’adhésion du graphène sur le substrat et (c) à développer des modèles multi échelle de systèmes substrat/graphène. Une collaboration avec l’Université de Pékin sera réalisée pour obtenir des données expérimentales en vue d’identifier et valider les modèles.

 

Axe 3 / Étalement et recul des gouttelettes de liquide impactant sur des surfaces solides avec diverses propriétés de mouillage 

Afin de caractériser la construction de dépôts minces sur des surfaces de matériaux de construction du bâtiment (traitement des verres, traitement anti-corrosion des matériaux métalliques, ...), l'impact de gouttes de céramique ou de métal fondues est étudié par des simulations numériques à petite échelle, grâce au financement d’une thèse par le LabEx MMCD. Dans une première phase, nous nous intéressons à l'effet de l'état de surface de l'objet à revêtir (propriété de mouillabilité) sur la régularité et la topologie de l'étalement des gouttes encore liquides. Ces informations sont essentielles pour contrôler au mieux les porosités et les épaisseurs des dépôts construits par impact de gouttes. Nous avons pu trouver des lois d'étalement des gouttes selon les différents paramètres adimensionnels de l'impact des gouttes. Ces lois permettent de prédire, à partir de grandeurs simples connues (vitesse d'impact, diamètre initial de la goutte, angle de contact statique de la goutte avec la paroi à revêtir), aux temps courts ou longs les formes des gouttes, leur étalement ou leurs rebonds éventuels.

 

Références

 

[1] Paggi, M., He, Q.-C. (2015), Evolution of the free volume between rough surfaces in contact. Wear 336-337, 86-95.

[2]Wang, A.L., He, Q.-C., Xu, Z.P. (2015), Predicting the lifetime of superlubricity. Europhysics Letters (EPL) 112, 60007.

[3] Houanoh, Y., Yin H.-P. He, Q.-C. (2016), A simple numerical approach for solving the frictionless contact problem of elastic wavy surfaces. Meccanica 51, 463-473.

[4] Vu, C. C., Zhang, S.M., Li Q.Y., Urbakh, M., He, Q.-C., Zheng, Q.-S. (2016), Observation of normal force-independent superlubricity in mesoscopic graphite contacts. arxiv.org/abs/1602.02557