Section 09 Ingénierie des matériaux et des structures, mécanique des solides, biomécanique, acoustique

III. Surfaces et interfaces

Pour le bon fonctionnement des systèmes mécaniques, les propriétés et le comportement de la surface des composants sont essentiels. Si leurs propriétés en volume sont primordiales, très souvent les dysfonctionnements sont liés à des défaillances associées à la réponse et aux performances des surfaces et des interfaces. Les approches numériques, qui aident à prédire le comportement des systèmes mécaniques, décrivent bien les comportements en volume. En revanche, elles ne sont plus pertinentes lorsqu'appliquées aux surfaces. En effet, surfaces et interfaces possèdent des propriétés spécifiques, et doivent être abordées à travers différentes disciplines scientifiques telles que la mécanique, la physique, la chimie et la science des matériaux. Cette interdisciplinarité se traduit par de nombreuses interactions avec d'autres sections du Comité National, comme les sections 5, 10, 11 et 28. À ce jour, nous pouvons évaluer la proportion de chercheurs en mécanique des solides, dont le centre d'intérêt est lié aux surfaces et aux interfaces, à 15-20 % environ. Ceux-ci évoluent au sein d'équipes de recherche identifiées dans une trentaine de laboratoires publics et une vingtaine de centres de recherche industriels, ce qui est très significatif et représentatif de l'importance de ce secteur.

L'étude des surfaces et interfaces concerne tous les phénomènes spécifiques qui apparaissent lorsqu'un solide est en interaction avec son environnement, qu'il soit gazeux, liquide ou solide. Les questions scientifiques qui se posent sont multiples et concernent entre autres les phénomènes d'adsorption, d'adhérence et d'adhésion, de frottement, les interactions fluides/structures, ainsi que l'étude des propriétés spécifiques des surfaces et matériaux interfaciaux (lubrifiants). Les échelles mises en jeu couvrent plusieurs ordres de grandeurs, allant de la tectonique des plaques au film triboformé d'épaisseur nanométrique (il a été démontré qu'un nanomètre de matière dans un contact glissant pouvait diviser par 10 la valeur du coefficient de frottement). La compréhension de ces phénomènes est rendue particulièrement difficile lorsqu'ils se situent au sein d'un contact ne permettant pas une observation directe, cette difficulté se trouvant exacerbée lorsque les surfaces mécaniques doivent accommoder des déplacements relatifs et transmettre des efforts.

C'est le cas de la tribologie, science du frottement, de l'usure et de la lubrification, qui concentre toutes ces difficultés. Il est à ce jour encore très difficile de prédire le comportement d'une interface en glissement et en particulier entre deux solides. En effet, les phénomènes se situent souvent dans des interfaces confinées et soumises à des conditions extrêmes de pression et de cisaillement. Dans ces conditions, les limites d'utilisation des matériaux sont proches et les efforts qu'ils subissent sont localisés dans des volumes très petits. La connaissance des propriétés mécaniques des interfaces en conditions extrêmes reste encore un défi, même si des progrès considérables ont été réalisés ces dernières années. Il est maintenant bien établi, qu'en situation de glissement, les matériaux aux interfaces peuvent être modifiés de différents points de vue (métallurgique, structural ou chimique). Ces modifications de la nature du contact sous sollicitation constituent ainsi une difficulté supplémentaire. Il faut comprendre pour prédire ces évolutions et en déduire de nouvelles propriétés induites. Les phénomènes ne dépendent pas uniquement des efforts en présence, mais également des cinématiques, de la température ou de l'environnement. L'ensemble de la communauté des mécaniciens a su saisir toute cette complexité afin d'optimiser les comportements en frottement/usure des surfaces et interfaces dans les systèmes mécaniques. Des efforts importants ont notamment été accomplis ces dernières années, en s'appuyant sur les outils de caractérisation et d'observation.

Les techniques de caractérisation qu'il convient de développer font appel à des connaissances dans des domaines très variés et sont souvent d'une mise en œuvre délicate quand il s'agit de mesurer les interactions physiques (électriques, acoustiques..) ou chimiques qui agissent au sein des contacts. Les techniques de caractérisation développées ces dernières années (XPS, SIMS, AFM, MET-HR, nano-indenteurs, FIB...) donnent l'opportunité de conduire les investigations à des échelles très petites, qui peuvent atteindre le niveau atomique pour certaines, et ont permis des avancées très significatives. La communauté a su prendre conscience de l'apport de ces techniques de caractérisation et a développé de nombreux outils spécifiques alliant in situ la caractérisation/observation de surfaces à un essai mécanique. Ainsi, ces dernières années ont vu l'intensification des méthodes de champs, rapidement intégrées, en particulier en nanotribologie.

La culture de la communauté reste très fortement expérimentale, mais l'approche numérique de ces problématiques s'est nettement développée. Plusieurs équipes se sont structurées pour développer cette démarche, et dans la plupart des cas, en gardant un lien fort avec l'approche expérimentale. Ce nouveau domaine d'application de la simulation numérique couvre une large gamme allant des techniques statistiques, par éléments finis, dynamique moléculaire jusqu'à la chimie quantique. Il est prévisible que dans les prochaines années les besoins en moyens de calculs seront plus importants. On peut constater néanmoins que l'approche théorique est relativement peu développée et pourrait être amplifiée. Ceci ne serait que profitable au développement des outils numériques et à la qualité des résultats qu'ils produisent.

Les domaines d'applications de ces recherches sont nombreux. Ils concernent entre autres les matériaux, qu'ils soient métalliques, polymères ou céramiques, ainsi que les biomatériaux (joints de grains, fibres/matrices), et les situations dans lesquelles les interfaces ont un effet prépondérant sur le comportement d'un système (fixes comme pour les assemblages par soudage, ou mobiles). On retrouve entre autres les domaines particuliers de l'usinage, de la mise en forme, du freinage etc. Les enjeux sociétaux concernent principalement l'énergie vue sous l'angle des pertes par frottement, la fiabilité des systèmes liés aux problèmes d'endommagement, mais également la santé (ex. les prothèses ou l'adhésion tissulaire). Les partenaires industriels nationaux et internationaux l'ont bien mesuré, ce qui se traduit par l'existence de nombreux centres de recherche industriels et de multiples collaborations avec les laboratoires publics. Ces recherches sont indispensables pour la prévision de la réponse et la durée de vie des systèmes mécaniques, dans les situations où ils sont utilisés dans des environnements peu accessibles comme dans les milieux vivants ou dans l'espace.

Face à ces enjeux, il est donc indispensable de poursuivre nos efforts pour comprendre ces phénomènes, que ce soit sur des aspects thermiques, de transformation des matériaux, d'évolution des propriétés mécaniques ou des états chimiques qui peuvent exister au sein d'un contact. La communauté Française qui aborde ces thématiques est importante, avec un affichage dominant en tribologie. Cette communauté est dynamique et a su s'organiser pour créer des structures qui favorisent les interactions comme le Labex Manutech-Sise et Interactifs, l'Equipex Manutech-USD, l'institut Carnot Ingénierie à Lyon (I@L), le Laboratoire International Associé ElyTLab, plusieurs fédérations (CIMReV, C2I@L). Elle participe à plusieurs Groupements de Recherche dont le GDR « Mécanique Multi-échelle des Milieux Fibreux » et le GDR international « Mecano ». Son rayonnement international est notable et se concrétise par un très bon niveau de publications et de citations ainsi qu'une participation active dans l'organisation de nombreux congrès internationaux et au niveau des comités éditoriaux des principales revues internationales du domaine.