Cette thèse étudie de nouvelles approches pour contrôler le coefficient de frottement dans les contacts en lubrification elastohydrodynamique (EHL) grâce à l'utilisation de surfaces texturées. Par l'expérimentation et la simulation numérique, les phénomènes gouvernants le frottement en EHL sont tout d'abord identifiés, puis l'effet de différentes surfaces texturées (cavités, rainures, ripples) sur le coefficient de frottement est mis en évidence. Les résultats indiquent que le coefficient de frottement peut être contrôlé par l'ajustement adéquat de la géométrie des textures. / This thesis focuses on finding new ways to control the friction coefficient in elastohydrodynamically lubricated (EHL) contacts through the use of surface textures. Experiments and numerical simulations are employed to first identify the governing phenomena responsible for friction in EHL and then to assess the effect of different surface textures (dimples, grooves and ripples) on the friction coefficient. The findings indicate that the coefficient can be controlled by carefully adjusting the texture geometry.

Les liquides confinés présentent beaucoup de comportements fascinants, très différents de ceux qui sont observés dans leur volume. Le confinement peut induire un déplacement de l'équilibre des phases (par exemple de la transition liquide-vapeur, aussi appelé condensation capillaire), il peut modifier la température de transition vitreuses des polymères, ou bien imposer un ordre dans l'arrangement moléculaire du fluide. Les modifications des propriétés mécaniques des liquides aux interfaces sont particulièrement importantes au niveau des applications. Cependant au niveau de la compréhension, le simple cas des liquides newtoniens est toujours sujet à controverse, avec d'une part des simulations numériques montrant que la viscosité ne devrait pas être modifiée pour des confinements supérieurs à quelques tailles moléculaires, et d'autre part des expériences non unanimes, montrant parfois des modifications qualitatives des propriétés rhéologiques sous confinement. Récemment nous avons montré que les méthodes d'impédance hydrodynamique en géométrie sphère-plan constituent une méthode privilégiée, non-intrusive et non-ambigüe, pour aborder la nano-mécanique des liquides aux interfaces (1,2). S'agissant d'interphases, cad de couches fluides dont les propriétés sont modifiées par la proximité d'un solide, il est possible d'accéder à leur module sans contact, donc sans la perturbation apportée par une seconde surface. S'agissant de l'effet du confinement sur la rhéologie, nous avons montré que la déformation élastique à l'échelle du pico-mètre des surfaces confinantes, donne une forte modification de la rhéologie apparente du fluide, même en l'absence de tout effet intrinsèque. Le sujet de thèse vise à mettre en oeuvre les méthodes d'impédance hydrodynamique pour étudier la rhéologie de solutions de polymères confinés. On étudiera plus précisément deux systèmes modèles d'importance fondamentale aussi bien que pratique : les brosses de polymères greffés, dont les propriétés mécaniques sont un enjeu dans les applications de lubrification aussi bien que pour les écoulements biologiques, et les solutions de polymères hydro-solubles d'intérêt pour la récupération assistée du pétrole, en vue de comprendre les effets de fluidification sous confinement et de faire la part entre modification de la viscosité et couche de déplétion induite par l'écoulement. Au niveau instrumental, un des enjeux de la thèse sera de mettre en oeuvre les mesures d'impédance hydrodynamique sur deux types d'instruments complémentaires au niveau de l'échelle de la sonde: l'appareil de mesure de forces dynamique (SFA) du Liphy, et l'AFM à détection interférométrique développé à l'Institut Néel. Ces différentes échelles d'investigation devront permettre de préciser les propriétés moyennes mécaniques moyennes des liquides confinés et leurs gradients au voisinage de la paroi. Une perspective du travail sera de mettre en regard les propriétés mécaniques et rhéologiques intrinsèques des brosses polymères déterminées directement sur SFA ou AFM, avec leur propriétés fonctionnelles: propriétés de lubrification des contacts frottants, ou de modification des écoulements des dans micro-canaux. Ceci sera poursuivi sur la plateforme expérimentale mise en place par Lionel Bureau au Liphy : SFA de friction, systèmes micro-fluidiques à visée biomimétique (parois fonctionnalisées par des brosses polymères). L'enjeu sera alors de comprendre comment les propriétés mécaniques et rhéologiques des brosses déterminent celles des systèmes dans lesquels elles interviennent. / Liquids confined present many fascinating behaviors very different from those observed in their volume. Confinement can induce a shift in the balance of phases (eg the liquid-vapor transition, also called capillary condensation), it can change the glass transition temperature of the polymer, or impose order on the molecular arrangement of fluid. The changes in the mechanical properties of liquid interfaces are particularly important in applications. However the level of understanding, the simple case of Newtonian liquids is still controversial, with one hand, numerical simulations show that the viscosity should not be changed for some higher molecular sizes containment, and secondly non-unanimous experiences, sometimes showing qualitative changes in rheological properties under confinement. Recently we have shown that the methods of hydrodynamic impedance sphere-plane geometry is a privileged, non-intrusive method and unambiguous, to discuss the mechanics of nano-liquid interfaces (1,2). As interphase, ie fluid layers whose properties are modified by the proximity of a solid, it is possible to accede their contactless module, so without the disturbance caused by a second surface.S As regards the effect of confinement on the rheology, we have shown that the elastic deformation across the pico meter of confining surfaces, gives a strong modification beyond apparent rheology of the fluid, even in the absence of any intrinsic effect. The thesis aims to implement the hydrodynamic impedance methods to study the rheology of polymer solutions confined. We specifically consider two models of fundamental importance as well as practical systems: brushes grafted polymer whose mechanical properties are an issue in lubrication applications as well as for biological flows and solutions of water-soluble polymers interest in enhanced oil recovery, in order to understand the effects of thinning containment and to distinguish between changes in viscosity and depletion layer induced by the flow. At the instrumental level, one of the challenges of the thesis is to implement the hydrodynamic impedance measurements on two complementary instruments at the level of the probe: the measuring dynamic power (SFA) of Liphy, and AFM interferometric detection developed at the Institut Néel. These different scales of investigation will help to clarify the medium average mechanical properties of liquids confined and their gradients near the wall. A view of work will be to look mechanical and rheological properties of polymer brushes intrinsic determined directly on SFA or AFM with their functional properties: lubricating properties of sliding contacts, or modification of the flow in microchannels. This will continue on the implementation by Lionel Bureau Liphy experimental platform: SFA friction advised biomimetic micro-fluidic systems (walls functionalized polymer brushes). The challenge will be to understand how the mechanical and rheological properties of brushes determine those systems in which they operate.

L’appauvrissement en lubrifiant d’un contact élasto-hydrodynamique peut menacer la pérennité du film interfacial séparant les surfaces, entraîner l’augmentation des forces de frottement et l’endommagement rapide du tribosystème. Industriellement, la volonté de réduire les quantités de lubrifiant embarquées et de limiter les opérations de maintenance favorisent la sous-alimentation. L’objectif de cette thèse est de contrôler l’alimentation d’un contact EHD sous-alimenté par une texturation de surface multi-échelle, afin d’assurer une lubrification minimale à l’interface. Une démarche scientifique s’appuyant sur la dissociation des échelles spatiales, temporelles ainsi que sur l’analyse des contributions des écoulements dans les différentes zones du contact a été mise en oeuvre. La compréhension de l’interaction laser/matière en irradiation ultra-brève a permis de générer des texturations nanométriques (ripples) et micrométriques (ondulations et réseaux de cavités) à l’aide d’un laser femtoseconde. La contribution de chaque échelle topographique sur la lubrification d’un contact a été étudiée. Lorsque les forces hydrodynamiques sont faibles (contact statique), l’alimentation d’un contact résulte d’une compétition entre une contribution capillaire et une contribution visqueuse. La macro géométrie des solides déformés ainsi que la viscosité pilotent au premier ordre la propagation du lubrifiant à l’extérieur de la zone haute pression. L’imbibition de la zone de Hertz n’est possible qu’avec l’introduction d’une surface nanotexturée et sa cinétique dépend de l’orientation et de l’amplitude des ripples. Pour des nombres capillaires élevés (contact dynamique), un critère de prédiction de l’apparition de la sous-alimentation a été établi. En présence de réseaux de cavités et sous l’action d’un cisaillement interfacial, les surfaces texturées possédant une capacité de rétention élevée réalimentent la zone de haute pression. Le volume piégé envahit alors le contact puis crée une surépaisseur de lubrifiant qui protège les solides de l’endommagement tout en limitant l’augmentation du frottement. Les texturations nanométriques (ripples) et micrométriques, anisotropes et périodiques, modifient l’équilibre entre les débits de réalimentation et les débits de fuite. Une orientation adaptée des motifs peut contenir le drainage du lubrifiant dans le contact et ainsi empêcher ou retarder l’apparition d’un régime de sous-alimentation totale. Au final, chaque échelle topographique contribue à la réalimentation d’un contact sousalimenté, soit en favorisant l’expansion des réservoirs latéraux, soit en apportant localement du lubrifiant, ou en maintenant un film fluide résiduel sur les surfaces. / The lubricant depletion of an elasto-hydrodynamic contact may threaten the sustainability of the interfacial film separating the surfaces, can result in the increase of frictional forces and a rapid damage of the tribosystem. Industrially, the trend to reduce the amount of initial lubricant and to limit maintenance promotes starvation of the lubricated contact. The aim of this work is to control the lubricant feeding of a starved EHL contact by a multi-scale surface texturing, in order to ensure minimal lubrication at the interface. A scientific approach based on the separation of spatial and temporal scales, as well as the analysis of the flow contributions in different zones of the contact has been implemented.The understanding of the laser/matter interaction in ultra-short irradation has helped us to generate both nanoscale texturing (ripples) and microscale texturing such as microwaves and networks of micrometric cavities, using a femtosecond laser. The contribution of each topographic scale on the contact lubrication has been analysed. When the hydrodynamic forces are low (static contact), the feeding of the contact results from a competition between capillary and viscous contributions. The macro geometry of the deformed solids and the lubricant viscosity mainly control the lubricant spread around the high-pressure zone. The imbibition of the Hertz contact area is only possible with the introduction of a nanotextured surface. The imbibition kinetics depends on the orientation and amplitude of the ripples. For high capillary numbers (dynamic contact), a criterion has been established in order to predict the occurrence of starvation. Using a network of micro cavities and the action of an interfacial shear, the high retention capacity textured surfaces brings lubricant to the high-pressure zone. The trapped volume propagates inside the contact and creates a film thickness that protects the solids from damages while limiting the increase in friction. Anisotropic and periodic nanoscale and microscale texturing, like ripples, influences the balance between re-feeding and leakage flow rates. A suitable orientation of the geometries may prevent the lubricant from drainage and thus delay the onset of a starved lubrication regime. In conclusion, each topographic scale contributes to re-feed a starved contact, by promoting lateral reservoir extension, by providing lubricant locally where it is needed, or maintaining a residual fluid film on surfaces.

Cette thèse est consacrée à l'analyse mathématique, à la modélisation et au calcul scientifique des problèmes d'interface dans des milieux fluides de faible épaisseur. Les problèmes d'interface liquide-gaz de type cavitation apparaissent dans la plupart des mécanismes lubrifiés et leur modélisation a toujours été un sujet très discuté en tribologie. Celle-ci a initialement utilisé (et utilise encore) des inéquations variationelles mais l'inadéquation de ce modèle qui est non conservatif a conduit à introduire de manière heuristique une modélisation basée sur un système hyperbolique-elliptique. Cependant, dans le cadre de cette nouvelle modélisation, des problèmes ouverts apparaissent, dès lors que l'on s'intéresse à des conditions de fonctionnement plus réalistes. Parmi ceux-ci, on peut citer :<br />1/ la possibilité d'utiliser ce modèle en présence de rugosités. Il s'agit, du point de vue mathématique, de l'homogénéisation d'une équation en pression-saturation, <br />2/ la prise en compte de la déformation élastique de surfaces solides due à la pression hydrodynamique du fluide adjacent. Pour cela, il est habituel en élastohydrodynamique (E.H.D.) de modifier les coefficients de l'équation de l'écoulement par l'introduction d'un terme intégral (déformation du type Hertz). La modélisation de la cavitation intervient dans la partie hydrodynamique et, par suite, sur l'ensemble du couplage.<br />3/ la possibilité de justifier ou non ce modèle à partir d'une description bifluide rigoureuse de l'écoulement et d'en déduire ainsi une procédure de calcul du frottement associé à l'écoulement mince.<br /><br />Nous étudions ces différents aspects qui permettent de justifier la pertinence du modèle de cavitation considéré.

Lorsque deux solides séparés par un liquide se rapprochent, le drainage s’accompagne de forces visqueuses normales aux parois. Si elles sont très rapprochées, de l’ordre de quelques nanomètres, les parois sont indentées par ces forces : c’est le "confinement élastique". Indenter un solide par un liquide permet de supprimer l’adhésion, qui limite la résolution en termes de module d’Young des tests classiques d’indentation par un solide, surtout pour les films supportés minces et mous, par exemple des élastomères d’épaisseur micrométrique. Or leurs propriétés, qui peuvent sensiblement différer des propriétés en volume, sont essentielles dans des domaines aussi variés que la microfluidique, l’électronique ou l’usure mécanique. Nous présentons les calculs qui relient les forces normales aux propriétés mécaniques du liquide et des parois lors d’un confinement élastique. Les résultats sont comparés à des expériences de nanorhéologie réalisées sur une machine à forces de surface très sensible. Cette sensibilité nous permet de montrer que l’effet du confinement élastique se manifeste même sans film mou déposé : cela implique que la rhéologie apparente d’un liquide confiné est toujours affectée par les déformations des parois, même très rigides.Nous montrons enfin que nous pouvons effectivement mesurer avec précision des modules d’Young autour du MPa dans des films d’élastomères de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur. Si le module de stockage ne varie presque pas avec l’épaisseur, un module de pertes apparaît, augmentant sensiblement lorsque l’épaisseur diminue, témoignant d’une visco-élasticité que nous attribuons à la présence d’une couche interfaciale. / When two solids separated by a liquid layer are moving towards each other, the resulting drainage is associated with viscous forces normal to the walls. If these are very close to each other (several nanometers), they are indented by these forces : this is the notion of “elastic confinement”. Indenting a solid by a liquid solves the problem of adhesion, which limits the ability of classical indentationtests to provide accurate measurements on Young’s modulii. Adhesion is especially problematic for soft thin films, for example micrometric layers of elastomers, which mechanical properties can strongly differ from the bulk, but are of the highest importance in various fields such as microfluidics, electronics or mechanical wear. We present here the calculations which link the solid and liquid mechanical properties to the resulting forces in a liquid indentation test. The corresponding results are compared to nanorheology experiments using a very sensitive Surface Force Apparatus. Its sensitivity enables us to show that the elastic confinement is also measurable without any soft films, which implies that a confined liquid apparent rheology is always affected bythe deformations of even very rigid confining walls. Finally, we demonstrate that we are indeed able to measure precisely Young’s modulii in the MPa range for films as thin as several hundreds of nanometers. While the storage modulii are found to be almost independent ofthe film thicknesses, we identify the presence of loss modulii increasing with decreasing thicknesses. We attribute this unexpected viscoelastic behaviour to the presence of an interfacial layer.