L'usure de surface décrit le processus de perte de matière lorsque deux surfaces entrent en contact l'une avec l'autre. Il a une économie importante, conséquences sociales et sanitaires — pensez aux particules fines émises par les véhicules en mouvement. Quoi de plus, il peut être observé à tous les niveaux, de l'échelle nanométrique jusqu'à l'échelle des failles tectoniques, avec formation de gouge. Il existe plusieurs mécanismes d'usure, pourtant, le type d'adhésif est le plus courant. Il se produit lorsque deux surfaces, telles que deux pièces du même métal, se frottent l'une contre l'autre et adhèrent.

L'un des paramètres qui influencent le mécanisme d'usure est la rugosité de surface. Une meilleure compréhension de l'évolution de la rugosité de surface au cours du processus d'usure améliorerait notre contrôle sur ce mécanisme. Cela pourrait conduire à des réductions significatives de la consommation d'énergie, émissions de gaz à effet de serre et coûts.

Les chercheurs du Laboratoire de mécanique des solides computationnelle (LSMS) de l'EPFL ont fait un pas important dans cette direction. Ils ont simulé numériquement comment la rugosité de surface change au fil du temps, et leurs résultats sont en accord avec les résultats expérimentaux. Ce qui distingue leurs simulations, c'est leur durée :grâce à une méthode développée à l'EPFL, les chercheurs du LSMS ont pu simuler ces mécanismes sur une longue période de temps. En d'autres termes, ils ont réussi à capturer l'ensemble du processus, de la géométrie initiale à la géométrie fractale finale. Leurs conclusions ont été publiées le 8 mars dans Communication Nature .

Cette étude est la troisième des chercheurs du LSMS sur l'usure des adhésifs. Leur première étude, publiée en 2016 dans Communication Nature - utilisé des simulations numériques pour décrire comment le processus d'usure adhésive produit des particules fines. En 2017, pousser leurs simulations plus loin, ils sont sortis avec une deuxième étude, apparaissant cette fois dans Actes de l'Académie nationale des sciences , démontrant qu'il était possible de prédire le volume, la forme et la taille de ces particules.

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Les scientifiques sont encore loin de comprendre pleinement la physique sous-jacente à l'usure, et les ingénieurs doivent encore réaliser des expériences ad hoc pour chaque situation. Ce qui est connu, cependant, est que les surfaces usées présentent une morphologie fractale caractéristique, appelé auto-affine, qui a des propriétés fondamentales quels que soient le matériau et l'échelle. Les origines de cette morphologie auto-affine sont encore inconnues.

Peu de travaux ont été effectués sur la façon dont la rugosité de surface change au fil du temps, et ils ont été principalement expérimentaux. Une limitation des expériences est que, à cause des débris qui se forment, il n'est pas facile de contrôler comment la morphologie de la surface change pendant le processus de frottement. Les chercheurs ont surmonté ce problème grâce à leurs simulations numériques, qui fournissent un flux constant de données.

Des simulations numériques puissantes

« Nous avons utilisé des simulations informatiques hautes performances pour suivre l'évolution de la morphologie de la surface dans les matériaux 2D, " dit Enrico Milanese, un doctorat étudiant au LSMS. « Dans nos simulations, nous avons observé que le contact entre deux surfaces génère toujours une particule de débris d'usure. Cette particule est alors forcée de rouler entre les deux surfaces, les porter vers le bas. Cela nous a conduit à conclure que des débris d'usure doivent être présents pour que les surfaces développent leur rugosité auto-affine caractéristique."

À l'avenir, les chercheurs du LSMS espèrent explorer les origines de l'usure des adhésifs en appliquant leur approche de simulation à des modèles 3D de matériaux présentant un intérêt pour l'industrie.