Percée sur l’origine des particules fines

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Ramin Aghababaei: «Notre recherche trouvera son application directe dans l’industrie.» ©Alain Herzog

Une étude de l’EPFL permet d’approfondir notre compréhension des particules fines liées à l’usure par adhérence. Des bienfaits économiques et environnementaux pourraient en découler.

L’usure par adhérence survient lorsque deux surfaces se frottent l’une à l’autre. Le frottement des plaquettes de freins contre les disques d’un véhicule ou de pneus sur la route en sont deux exemples. Le problème? Ce phénomène génère des millions de particules fines à l’origine, notamment, de graves troubles respiratoires. La formation de ces débris entraîne également une usure des matériaux qui se traduit, au bout du compte, par des pertes économiques et énergétiques.

En 2016, des chercheurs du Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et de la Cornell University, aux Etats-Unis, ont pu expliquer à l’aide d’une simulation informatique quand se formaient ces particules. Cette première avancée, publiée dans la revue Nature Communications, a ouvert un nouveau champ d’étude dans le secteur de la tribologie, la science qui recouvre ce domaine. Les chercheurs publient un nouvel article qui va plus loin, car leur simulation informatique leur permet désormais de calculer le volume, la forme et la taille de ces débris. Des éléments de compréhension essentiels à l’évaluation de leur dangerosité, les particules les plus fines étant les plus nocives. Leur étude paraît dans Proceedings of the National Academy of Sciences.

A lire sur le sujet: L’usure par adhérence génère des particules fines (Actualités EPFL, 17.06.2016)

Révision de la «loi d’Archard»
La simulation informatique utilisée par les chercheurs de l’EPFL a reproduit le phénomène physique d’usure par adhérence au niveau atomique: «Notre étude montre que la taille des zones de contact entre les aspérités détermine le volume des particules qui se formeront», explique Ramin Aghababaei, premier auteur de l’étude. Ce dernier souligne que, dans le milieu de la science des matériaux, son étude se présente comme une révision de «la loi d’Archard», le modèle le plus fondamental, et en partie empirique, développé en 1953 par le chercheur britannique Jack F. Archard. Cette loi indique dans le cas de l’usure par adhérence que le volume des débris est proportionnel à la force normale et à la distance de glissement entre deux surfaces. «Jusqu’ici, les chercheurs et ingénieurs ajoutaient un coefficient lorsque leurs observations expérimentales ne correspondaient pas à cette loi. Mais notre recherche a permis de confirmer la justesse de cette formule et donne donc une base scientifique à ce coefficient.»

Essor du domaine
«La cause de l’apparition de ces débris et le calcul de leur volume restaient jusqu’ici peu compréhensible des chercheurs car leurs outils les limitaient à la simple observation empirique», explique Jean-François Molinari, directeur du LSMS et co-auteur de l’étude. Pendant près d’un demi-siècle, la tribologie a fait figure de parent pauvre dans le paysage scientifique, subissant même un certain déclin.» Une époque quasi révolue, selon le professeur, grâce au développement de nouvelles techniques expérimentales à l’échelle atomique et de la simulation numérique qui permet de comprendre des comportements physiques restés jusqu‘ici invisibles à l’’il humain et aux caméras les plus performantes. «Deux thèses poursuivent cette exploration dans notre laboratoire, pour essayer de produire des outils applicables à des surfaces rugueuses réelles et à de nombreux matériaux.»

Illustration de l’usure par adhérence avec la formation d’un débris entre deux surfaces (schéma). © Ramin Aghababaei

Nombreuses applications
Ramin Aghababaei va démarrer son propre groupe de recherche à l’Aarhus University, au Danemark, en tant que professeur assistant Tenure Track, en travaillant, entre autres, sur la prévention de l’usure par adhérence sur les éoliennes, l’un des nombreux champs d’application de sa recherche. Pour le scientifique, son étude n’est toutefois qu’un premier pas: «Notre recherche trouvera son application directe dans l’industrie automobile et aérospatiale et en métallurgie, pour fabriquer, par exemple, des enduits qui évitent les pertes de matériaux et d’énergie. La production de débris est également importante pour comprendre la formation de la «gouge» et, donc, pour mieux comprendre les tremblements de terre, ainsi que pour limiter l’usure des prothèses médicales et les douleurs que subissent les patients. Mesurer le volume, la taille et la forme de ces particules permettra donc de mieux prévenir ces phénomènes.»

Cette recherche soutenue par le Fonds National Suisse (#162569, ‘Contact mechanics of rough surfaces’) provient d’une collaboration entre le Computational Solid Mechanics Laboratory de l’EPFL et la Cornell University (Professeur Derek Warner).

Référence

Ramin Aghababaei, Derek H. Warner, Jean-François Molinari, On the debris-level origins of adhesive wear, Proceedings of the National Academy of Sciences, 10 juillet 2017.