En dépit de leur importance pratique considérable, et bien que de nombreuses expériences établissent une corrélation certaine entre les hétérogénéités d’interaction de surface (rugosité ou inhomogénéités chimiques) et les propriétés de friction des surfaces, le rôle de ces interactions sur la friction n’est encore pas bien décrit par les modèles et les expériences existants. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l’identification des mécanismes moléculaires de la friction aux interfaces polymères souples. Dans ce contexte, nous avons réalisé deux études complémentaires. La première partie du travail concerne le mouvement d’une ligne triple solide-liquide-vapeur qui se déplace sur une surface solide sous l’effet de différentes forces (gravité, forces capillaires et tensions interfaciales), et en particulier le lien entre le piégeage et le dépiégeage de la ligne triple et l’hystérèse de l’angle de contact. Cette méthode permet de mesurer des angles de contact d’avancée et de reculée avec une précision sans précédent (0,1°)et s’avère être particulièrement sensible aux mécanismes qui tendent à ancrer la ligne triple. Ceci en fait un outil de choix pour étudier la friction liquide/solide. Dans la seconde partie du travail, nous avons cherché à comprendre comment des chaînes de polymère flexibles, fortement ancrées sur une surface solide, dans le régime des fortes densités de greffage affectent la friction entre une telle surface et un élastomère réticulé constitué du même polymère. Nous avons montré que le comportement en friction de cette couche confinée suit exactement le comportement rhéofluidifiant observé pour des couches de fondu de masses molaires équivalentes mais avec un temps de relaxation beaucoup plus long que celui des chaînes en fondu,la reptation n’étant pas permise pour les chaînes ancrées. Enfin, en comparant les résultats obtenus pour des couches greffées chimiquement à une extrémité et des couches fortement adsorbées, ayant par ailleurs les mêmes caractéristiques moléculaires (masse molaire des chaînes et épaisseur de la couche ancrée), nous avons mis en évidence que la friction est remarquablement sensible à l’organisation moléculaire au sein de la couche ancrée. / Different experiments show a correlation between interaction heterogeneities (roughnessor chemical inhomogeneities) and friction properties of surfaces but the exact role of theseinteractions is still not clearly established. In this thesis, we try to identify molecular mechanism offriction at soft polymer interfaces. In this context, we have performed two complementary studies.The first one concerns the movement of a triple line solid-liquid-gas which moves on a solidsubstrate and more particularly the link between trapping and entrapping of the triple line andcontact angle hysteresis. This method allows measurement of dynamic contact angles with a verygood precision (0,1°), and is particularly sensitive to mechanisms which tend to anchor a tripleline. This technique is then a very efficient tool to study solid/liquid friction.In the second part of this thesis, we try to understand how flexible polymer chains stronglyanchored on a solid substrate affect friction at the interface between such surface and crosslinkedelastomer made of the same polymer. We show that the friction is dominated by the shearthinning of the grafted layer confined between the elastomer and the substrate, and responding tothe shear solicitation like a melt, with very long relaxation times. We also show that the frictionstress appears highly sensitive to the molecular organization inside the surface anchored polymerlayer, comparing end grafted and strongly adsorbed layers having otherwise the same molecularcharacteristics (molecular weight of the chains, and thickness of the surface anchored layer).

Lorsque deux objets sont mis en contact, on réalise une expérience d’adhésion si on les sépare et une expérience de friction si on les fait glisser l’un sur l’autre. Lors de ces expériences, on mesure les forces d’adhésion et de friction contrôlées par un paramètre fondamental qui est l’aire réelle de contact. Cette aire réelle dépend fortement de la rugosité des surfaces. Afin de mieux comprendre le rôle de la rugosité, des expériences d’adhésion et de friction ont été réalisées entre des sphères d’élastomère en PDMS et des surfaces texturées (dures ou molles) constituées d’une rugosité modélisée par un réseau hexagonal de plots cylindriques de hauteurs, diamètres et espacements micrométriques.Dans les expériences d’adhésion, un dispositif de type JKR (pour Johnson, Kendall et Roberts) a été utilisé permettant d’observer le contact entre une sphère élastique et un plan texturé tout en contrôlant la force entre les surfaces. À faible force d’appui, la sphère reste au sommet des plots et le contact est dit « posé ». Lorsque la force entre les surfaces augmente, un contact total, où les plots sont écrasés (« contact intime »), apparaît au centre du contact, entourée d’une couronne de contact « posé ». Un modèle d’évolution du contact intime a été réalisé en prenant en compte l’adhésion entre les plots et les caractéristiques mécaniques des surfaces. De plus, en utilisant une analyse similaire à l’analyse classique de type JKR, il a été possible de mesurer les énergies d’adhésion effectives entre les surfaces. L’étude de l’évolution de ces énergies d’adhésion en fonction de la densité surfacique de plots sous le contact sphère-plan s’est révélée complexe. Finalement, des mesures de la force d’arrachement ont été réalisées, confirmant le rôle très important de la nature du contact sur l’évolution des énergies d’adhésion effective.Pour les expériences de friction, un tribomètre développé au laboratoire a été utilisé pour mesurer la force de friction dynamique. Durant ces expériences, les deux types de contact précédemment cités ont également été observés. Dans le cas où le contact reste « posé », il est naturel d’introduire une contrainte de friction égale à la force de friction divisée par l’aire réelle de contact. Il a été montré que cette contrainte de friction augmente sur des surfaces texturées (par rapport au cas lisse) et que cette augmentation dépend de façon complexe de la géométrie des plots utilisés. De plus, il a été montré que pour des petits rayons de courbure des sphères frottantes, la contrainte de friction n’est plus indépendante de l’aire réelle de contact. Finalement, nous avons montré que la contrainte de friction dans la zone de contact intime est la même que pour des surfaces lisses.Ce travail ouvre la voie à des développements théoriques et numériques nouveaux sur l’analyse du champ de contraintes et de déformations pour des contacts texturés modèles. / When two objects are in contact, an adhesion experiment is carried out if they are separated and a friction experience if one object slides on the other. A fundamental parameter which controls the adhesion and friction forces is the real area of contact between the surfaces which is largely determined by the surface roughness. To better understand the role of roughness, adhesion and friction experiments were performed with spheres of PDMS elastomer and textured surfaces (hard or soft). The latter’s roughness is modeled by an hexagonal network of cylindrical pillars with micrometrical dimensions and spacing.In adhesion experiments, a JKR set up (for Johnson, Kendall and Roberts) was used to observe the contact between an elastic sphere and a textured surface while controlling the force between the surfaces. At low normal force, the sphere remains at the top of the pillars and the contact is called "top". When the force between the surfaces increases, a full area of contact, where pillars are collapsed ("intimate contact"), appears in the center contact, surrounded by a crown of "top" contact. A model of evolution of this intimate contact which takes into account the adhesion between the pillars and the mechanical properties of surfaces has been achieved. Furthermore, it was possible to measure effective energies of adhesion between the surfaces using a similar analysis to the classical JKR analysis. Studying the evolution of these adhesion energies as a function of the pillars’ surface density below the sphere-plan contact proved to be a challenging task. At last, measurements of the pull off force were realised, corroborating the important role of the nature of contact on the evolution of effectif energies of adhesion.For friction experiments, a tribometer developed in the laboratory was used to measure the dynamic frictional force. During these experiments, the two kinds of contact previously reported were observed. When the contact remains "top", it is natural to introduce a friction stress equal to the friction force divided by the real area of contact. It has been shown that friction stress increases on textured surfaces (relative to the smooth case) and that this increase depends in a complex manner on the geometry of the pillars. Moreover, it has been shown that for small curvature radii of the friction spheres, the friction stress is no longer independent of the real area of contact. Finally, we have shown that the friction stress in the zone of intimate contact is the same as on smooth surfaces.The experimental results obtained in this thesis will serve to validate future numerical models.

La mise en glissement d’une interface de contact est un phénomène dont la dynamique spatiotemporelle est encore mal comprise. Dans cette thèse, nous avons développé et mis en oeuvre un dispositif expérimental original permettant de visualiser in situ les phénomènes locaux en jeu lors de la mise en glissement d’interfaces rugueuses élastomères, avec une bonne résolution temporelle. Nous avons mis en évidence une forte réduction de l’aire de contact réelle au sein d’une interface de contact sous cisaillement, et ce bien avant le début du glissement macroscopique. Cette réduction influence la valeur de la force de frottement statique de l’interface. Nous avons montré que le paramètre qui quantifie l’amplitude de la réduction vérifie une loi d’échelle valable largement, allant des monocontacts millimétriques jusqu’aux jonctions micrométriques impliquées dans les interfaces rugueuses. Nous avons ensuite montré que la contrainte de cisaillement critique de mise en glissement d’une interface n’est pas une constante pour un couple de matériaux en contact. En effet, en changeant systématiquement l’épaisseur d’un revêtement élastique sur l’un des corps en contact, on peut varier cette contrainte d’un facteur trois. Cet effet est interprété semi-quantitativement via un modèle couplant dissipation à l’interface et dans le volume des matériaux. Nous avons enfin montré que la dynamique spatio-temporelle de mise en glissement est influencée par le couple appliqué à l’interface par la force de frottement, lorsque celle-ci n’est pas exercée dans le plan de l’interface. En particulier, via une mesure du champ de déplacement par corrélation d’images, nous avons réalisé la première comparaison quantitative avec un modèle récent décrivant cet effet de couple. / The onset of sliding of a contact interface is a phenomenon the space-time dynamics of which are still poorly understood. In this thesis, we have developed and implemented an original experimental device allowing us to visualize in situ the local phenomena involved during the onset of sliding of rough elastomer interfaces, with a good temporal resolution. We have shown a strong reduction of the real contact area within a sheared contact interface, well before the beginning of macroscopic sliding. This reduction affects the value of the static friction force of the interface. We have shown that the parameter that quantifies the amplitude of the reduction obeys a well-defined scaling law ranging from millimetric mono-contacts to the micrometric junctions involved in rough interfaces. We have then shown that the shear strength of an interface is not a constant for a couple of materials in contact. Indeed, by systematically changing the thickness of an elastic coating on one of the bodies in contact, we could vary the value of the shear strength by a factor three. This effect is interpreted semi-quantitatively via a model incorporating dissipation both at the interface and in the bulk of the materials. We have finally shown that the space-time dynamics of the onset of sliding is influenced by the torque applied to the interface by the friction force, when the latter is not exerted in the plane of the interface. In particular, via a digital image correlation-based measurement, we performed the first quantitative comparison with a recent model describing this torque effect.

L’étude de la durabilité des élastomères des stators des pompes Moineau a été menée en utilisant à la fois des simulations numériques, des essais thermomécaniques et des analyses physico-chimiques. Les simulations numériques ont eu pour principal objectif de permettre de déterminer la localisation et le niveau des maximums des champs mécaniques dans le stator. Les essais ont permis quant à eux de caractériser le comportement mécanique du matériau élastomère sous sollicitations mécaniques cycliques à différentes températures. Une première étude a permis d’analyser l’évolution de l’effet Payne en fatigue. Une seconde s’est concentrée sur l’analyse de l’effet de l’application d’un chargement thermomécanique sur l’évolution de la microstructure du matériau élastomère. / The study of the sustainability of the rubber, which is the main constitutive material of the Moineau pump stator, was carried out using finite element analyses, thermomechanical experiments and physic-chemical analysis. The numerical simulations were performed to identify the range and location of the maximal stress and strain within the pump stator. The experimental tests allowed to characterize the mechanical behaviour of rubber under cyclic solicitation at several temperatures. The first part of the study focused on the Payne effect during fatigue loading while the second dealt with the effect of a thermomechanical loading on the rubber microstructure evolution.

Deux méthodes expérimentales ont été développées pour mesurer, pour une interface multi-contacts élastomère / verre, les champs mécaniques en volume (micro-capteur de force MEMS noyé sous le film élastique) et à l'interface (imagerie de contact par transmission), résolus spatialement à une échelle intermédiaire entre celle du contact apparent et celle des micro-contacts.<br />La mesure MEMS a permis d'obtenir les champs de contrainte sous charge normale et en glissement stationnaire, en très bon accord avec des modèles mécaniques simples. Pour des substrats de rugosité périodique le lien entre spectre des contraintes et topographie de surface a pu être interprété en termes de filtrage spectral, pertinent pour comprendre la perception tactile.<br />La mesure optique a permis, en analysant la répartition spatiale de l'intensité, d'obtenir le champ de pression de surface. Sa dépendance avec les propriétés de la couche rugueuse a été confrontée au modèle de Greenwood-Tripp. Par suivi des aspérités, le champ de déplacement a été mesuré avec une résolution sub-micronique et a mis en évidence la coexistence de zones glissantes et adhérentes prédite par Cattaneo et Mindlin.

Dans un premier temps, on s'intéresse à la modélisation numérique du comportement thermo-mécanique des élastomères. Pour ce faire un modèle mécanique en grandes déformations est proposé et discuté. Il est basé sur les hypothèses classiques de l'état local et des matériaux standards généralisés, et s'appuie sur la notion d'états intermédiaires. On applique alors la méthode des éléments finis à ces équations. Le modèle éléments finis mécanique ainsi obtenu est alors associé, via un algorithme de couplage séquentiel à une formulation éléments finis des équations de la thermique écrites en configuration lagrangienne. Diverses simulations numériques, visant à valider d'une part le comportement mécanique, et d'autre part thermo-mécanique, sont présentées et confrontées à des résultats expérimentaux. Dans un second temps, l'objet du travail concerne la modélisation d'un assemblage de structures composites à matrice élastomère, une à une invariantes dans une même direction. La forte hétérogénéité des composants, rendant impossible la modélisation par homogénéisation périodique, contraint à user du couplage d'une technique de sous structuration classique et d'une méthode de sous structuration multi niveaux. La taille des calculs oblige à adopter pour les différents constituants un comportement élastique linéaire. Cependant, une première approche d'un terme de dissipation mécanique, dans le cas de sollicitations périodiques, est proposée en vue d'un éventuel couplage thermo-mécanique.

En dépit de leur importance pratique considérable, et bien que de nombreuses expériences établissent une corrélation certaine entre les hétérogénéités d'interaction de surface (rugosité ou inhomogénéités chimiques) et les propriétés de friction des surfaces, le rôle de ces interactions sur la friction n'est encore pas bien décrit par les modèles et les expériences existants. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l'identification des mécanismes moléculaires de la friction aux interfaces polymères souples. Dans ce contexte, nous avons réalisé deux études complémentaires. La première partie du travail concerne le mouvement d'une ligne triple solide-liquide-vapeur qui se déplace sur une surface solide sous l'effet de différentes forces (gravité, forces capillaires et tensions interfaciales), et en particulier le lien entre le piégeage et le dépiégeage de la ligne triple et l'hystérèse de l'angle de contact. Cette méthode permet de mesurer des angles de contact d'avancée et de reculée avec une précision sans précédent (0,1°)et s'avère être particulièrement sensible aux mécanismes qui tendent à ancrer la ligne triple. Ceci en fait un outil de choix pour étudier la friction liquide/solide. Dans la seconde partie du travail, nous avons cherché à comprendre comment des chaînes de polymère flexibles, fortement ancrées sur une surface solide, dans le régime des fortes densités de greffage affectent la friction entre une telle surface et un élastomère réticulé constitué du même polymère. Nous avons montré que le comportement en friction de cette couche confinée suit exactement le comportement rhéofluidifiant observé pour des couches de fondu de masses molaires équivalentes mais avec un temps de relaxation beaucoup plus long que celui des chaînes en fondu,la reptation n'étant pas permise pour les chaînes ancrées. Enfin, en comparant les résultats obtenus pour des couches greffées chimiquement à une extrémité et des couches fortement adsorbées, ayant par ailleurs les mêmes caractéristiques moléculaires (masse molaire des chaînes et épaisseur de la couche ancrée), nous avons mis en évidence que la friction est remarquablement sensible à l'organisation moléculaire au sein de la couche ancrée.

Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à la modélisation vibratoire de structures amorties et à l'optimisation de traitements en élastomère pour la réduction de bruit. Une méthode d'analyse modale sans contact a permis d'identifier dans un premier temps l'amortissement structurel total d'une plaque en aluminium suspendue, traitée par des patches en élastomère contraint. Une quantification précise des principales sources de dissipation a ensuite été effectuée. La dissipation thermoélastique de l'aluminium, visqueuse de l'air et la dissipation par rayonnement acoustique ont été modélisées; les dissipations viscoélastiques de l'aluminium et de l'élastomère, identifiées. Le calcul thermoélastique repose sur la prise en compte du couplage par perturbation et apporte quelques éclairages sur le modèle de référence de Zéner. La modélisation de l'élastomère s'appuie sur une expérience d'identification du module de rigidité complexe en fonction de la fréquence. Une plate-forme de résolution, basée sur le calcul des modes de résonance à l'aide de la méthode des éléments finis, d'un solveur aux valeurs propres complexe et de routines itératives et de perturbation, permet le calcul précis et rapide de la réponse temporelle ou fréquentielle instationnaire de systèmes à amortissement linéaire, non-proportionnel et dépendant de la fréquence. Dans une dernière partie, des études d'optimisation paramétrique conduites sur des traitements en élastomère débouchent sur un savoir-faire pratique en matière de réduction de bruit.

Les élastomères chargés sont des matériaux nanocomposites présentant un compromis de propriétés unique exploité notamment dans les bandes de roulement des pneumatiques. Ils comprennent une charge renforçante, silice ou noir de carbone, qui doit présenter un module élevé, des dimensions nanométriques, et avoir la capacité de se disperser et de former des liaisons fortes avec la matrice. La nanocellulose est caractérisée par une morphologie anisotrope avec une section de l'ordre de 10 nm, et une structure cristalline avec un module d'environ 150 GPa. L'objectif de la thèse est d'évaluer si ce substrat peut être employé comme charge renforçante. Les travaux se divisent ainsi en trois parties portant successivement sur l'obtention d'aérogels de haute surface spécifique, la modification de leur surface, puis leur emploi comme renfort. La mise au point d'un protocole de lyophilisation de suspensions de nanocellulose, et d'un procédé d'estérification par voie gaz des aérogels obtenus, a permis d'obtenir des charges avec une haute surface spécifique et une interface avec un agent hydrophobe ou un agent de couplage. Une attention particulière a été accordée à la topochimie de la réaction dont le suivi a été réalisée par RMN du solide. Ces charges ont ensuite été incorporées au sein d'un élastomère, puis les matériaux obtenus ont été caractérisés par MET et par des tests mécaniques. Dans le cas d'un aérogel de nanocellulose avec une haute surface spécifique et un agent de couplage, les propriétés des matériaux obtenus sont alors caractéristiques du comportement d'un élastomère chargé.

Le besoin en isolation vibratoire des voies ferrées conduit de plus en plus souvent au recours à des systèmes d'attache de rail souples avec des designs sophistiqués. Par contre, les produits deviennent diversifiés mais leur conception se fait de manière empirique dans la pratique. Dans ce travail de thèse, deux systèmes d'attache de rail sont étudiés expérimentalement et numériquement: un système qui travaille principalement en cisaillement et l'autre en compression. Des essais quasi-statiques et dynamiques sont menés puis les résultats sont analysés à l'aide de différents modèles mécaniques. En plus, une série de tests sur les élastomères utilisés dans les deux systèmes sont réalisés. Ces tests permettent de choisir des modèles hyperélastiques et viscoélastique appropriés, et de déterminer les paramètres de propriétés mécaniques des élastomères dans ces modèles par des simulations Abaqus. En utilisant également Abaqus, des analyses par élément fini des deux systèmes d'attache sont effectués et les résultats sont comparés aux ceux des essais. Des non-linéarités d'origine matérielle et géométrique sont ainsi analysées et expliquées. Enfin, des études de sensibilité des paramètres sont effectuées, suivies d'études d'optimisation structurale. Cet étude devrait être utile pour une meilleure compréhension du comportement mécanique des systèmes d'attache de rail sous chargement statique et dynamique, et au final pour une meilleure pratique dans la conception et l'optimisation des produits / Higher demand on vibration isolation of track structure in modern railway track leads to a trend of lower stiffness of rail fastening systems, places an increasing need for better design approach as well. However the current development status of rail fastening industry is dramatically diversified but mainly empirical. In this work, a shear type and a bonded compressed type of rail fastening systems are investigated experimentally and numerically. Quasi-static and dynamic experiments are carried out and the results are analysed with different mechanical models. Besides, a series of fundamental rubber material tests is performed to accurately describe the rubber material used in the two fastening systems. The most appropriate hyperelastic and hysteresis models are chosen with the help of simulations by Abaqus. Also by using Abaqus, finite element analyses are conducted for the two fastening systems and the numerical results are compared with those of experiments. Material and geometrical nonlinear features observed in the measured displacement-force curves are analysed and explained. Finally, parameter sensitivity of the two fastening specimens are studied, followed by an optimization process to meet practical optimization objectives. The present work is believed to be helpful for understanding the mechanical behavior of rail fastening systems, while enlightening the engineering practice, and eventually improving product designing and optimizing measures