L’adaptation des surfaces pour des fonctions prédéterminées par le choix des matériaux métalliques ou des couches minces ayant des propriétés mécaniques avancées peut potentiellement permettre de réaliser des nouvelles applications à petites échelles. Concevoir de telles applications utilisant des nouveaux matériaux nécessite en premier lieu la connaissance des propriétés mécaniques des matériaux ciblés à l’échelle microscopique et nanoscopique. Une méthode souvent appliquée pour caractériser les matériaux à petites échelles est la nanoindentation, qui peut être vue comme une mesure de dureté à l’échelle nanoscopique. Ce travail présente une contribution relative à l'interprétation des résultats de la nanoindentation, qui fait intervenir un grand nombre de phénomènes physiques couplés à l'aide de simulations numériques. A cette fin une approche interdisciplinaire, adaptée aux phénomènes apparaissant à petites échelles, et située à l’intersection entre la physique, la mécanique et la science des matériaux a été utilisée. Des modèles numériques de la nanoindentation ont été conçus à l'échelle atomique (modèle discret) et à l'échelle des milieux continus (méthode des éléments finis), pour étudier le comportement du nickel pur. Ce matériau a été choisi pour ses propriétés mécaniques avancées, sa résistance à l'usure et sa bio-compatibilité, qui peuvent permettre des applications futures intéressantes à l'échelle nanoscopique, particulièrement dans le domaine biomédical. Des méthodes avancées de mécanique du solide ont été utilisées pour prendre en compte les grandes déformations locales du matériau (par la formulation corotationelle), et pour décrire les conditions de contact qui évoluent au cours de l'analyse dans le modèle à l'échelle des milieux continus (traitement des conditions de contact unilatérales et tangentielles par une forme de Lagrangien augmenté). L’application des modèles numériques a permis de contribuer à l’identification des phénomènes qui gouvernent la nanoindentation du nickel pur. Le comportement viscoplastique du nickel pur pendant nanoindentation a été identifié dans une étude expérimentale-numérique couplée, et l'effet cumulatif de la rugosité et du frottement sur la dispersion des résultats de la nanoindentation a été montré par une étude numérique (dont les résultats sont en accord avec des tendances expérimentales). Par ailleurs, l’utilisation de l’outil numérique pour une autre application à petites échelles, la manipulation des objets par contact, a contribué à la compréhension de la variation de l’adhésion électrostatique pendant micromanipulation. La déformation plastique des aspérités de surface sur le bras de manipulateur (en nickel pur) a été identifiée comme une source potentielle d’augmentation importante de l'adhésion pendant la micromanipulation, qui peut potentiellement causer des problèmes de relâche et de précision de positionnement, observés expérimentalement. Les résultats présentés dans cette thèse montrent que des simulations numériques basées sur la physique du problème traité peuvent expliquer des tendances expérimentales et contribuer à la compréhension et l'interprétation d'essais couramment utilisé pour la caractérisation aux petites échelles. Le travail réalisé dans cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche appelé "mini-micro-nano" (mµn), financé par la Communauté Française de Belgique dans le cadre de "l'Action de Recherche Concertée", convention 04/09-310.

Adhesion between solid bodies plays a prominent role in a wide variety of situations ranging from tribological applications to dust coagulation initiating the formation of planets. It can be due to various reasons like capillary, electrostatic, van der Waals, and hydrophobic forces. Among these, adhesion due to van der Waals force| which has its origin in permanent or instantaneous electric dipoles present in all atoms and molecules|is of special significance as it is present in all cases. Computational studies on adhesion due to van der Waals force commonly assume it as a surface force due to its short effective range, which is about a few tens of nanometers, in comparison to the length-scales commonly encountered. However, such restrictions are often violated in various important problems. For example, the characteristic dimensions of asperities| which are the smallest roughness elements interacting to cause friction and wear| are usually of nanometer length-scale. In addition, the assumptions inherent in development of surface force model are exact only when the deformations are small. In all such situations, the van der Waals force must be assumed as distributed over the volume. In this work, a computational model is developed by incorporating van der Waals force and short-range repulsion (steric repulsion or Pauli repulsion) as body forces distributed over the volume in a large deformation, static/transient, finite element framework. First the development of the general formulation is discussed, and then it is specialized for various considerations like handling symmetry and interaction between an elastic body and a rigid half-space, which offer significant computational advantages over the general formulation. The applicability of the model is illustrated by using a number of benchmark and practical problems. The comparison of the analysis results and well-established analytical models are provided, which validates our method. As a specific example, the smooth change of interaction force from a thin-rod model to a at-plate model on increasing the cross-sectional areas of two interacting elastic rods is demonstrated. The impact of elastic bodies in presence adhesion, and the associated energy loss is an important concern in studies regarding the origin of friction. Therefore, adhesive impact of elastic rods and spheres is studied using our formulation. Emphasis of the study is on finding the apparent energy loss during impact, which represents the part of energy lost to elastic stress waves remaining in the body after the impact, and hence not available for rebound motion. In case of impact of elastic rods on a rigid half-space, it is shown that the apparent energy loss is a unique function of the tensile strain energy developed in the rod due to van der Waals attraction. A one-dimensional model is developed for this case to determine the energy loss based on the specified problem parameters, which can be used to predict practically relevant phenomena like capture. In case of impact of elastic spheres, which is often correlated with asperity interactions, the energy loss is found to be significant only if adhesion-induced instabilities occur. The behavior shown by rods and spheres are probably at the two extremes with regards to energy loss during impact of elastic bodies in presence of adhesion. Practical use of the formulation is demonstrated by applying it to the study of amplitude variation and phase shifts in tapping-mode atomic force microscopy. Specifically, the advantage of operating the AFM cantilever just below its natural frequency as compared to operating it just above the natural frequency is demonstrated. Bistable behavior, which is the coexistence of two stable vibration modes under exactly same operating conditions, is shown to be severe when the driving frequency is higher than the natural frequency of AFM cantilever even in the absence of adhesion, which can result in spurious contrast-reversal artifacts during imaging. The hysteresis loop associated with the bistable behavior may lead to erroneous conclusions regarding presence of adhesion. Since this model overcomes the limitations of lumped parameter models and the computational models based on surface force approximation, the results can be used for much more realistic interpretation of experimental data. Computational framework developed in this study achieves the capability for analysis of adhesive contact problems directly from van der Waals interaction and steric repulsion. Such a model can be used for revisiting the fundamental problems in contact mechanics, as well as for providing better insights into experimental observations.

<p align='justify'>L’adaptation des surfaces pour des fonctions prédéterminées par le choix des matériaux métalliques ou des couches minces ayant des propriétés mécaniques avancées peut potentiellement permettre de réaliser des nouvelles applications à petites échelles. Concevoir de telles applications utilisant des nouveaux matériaux nécessite en premier lieu la connaissance des propriétés mécaniques des matériaux ciblés à l’échelle microscopique et nanoscopique. Une méthode souvent appliquée pour caractériser les matériaux à petites échelles est la nanoindentation, qui peut être vue comme une mesure de dureté à l’échelle nanoscopique.</p><p><p align='justify'>Ce travail présente une contribution relative à l'interprétation des résultats de la nanoindentation, qui fait intervenir un grand nombre de phénomènes physiques couplés à l'aide de simulations numériques. A cette fin une approche interdisciplinaire, adaptée aux phénomènes apparaissant à petites échelles, et située à l’intersection entre la physique, la mécanique et la science des matériaux a été utilisée. Des modèles numériques de la nanoindentation ont été conçus à l'échelle atomique (modèle discret) et à l'échelle des milieux continus (méthode des éléments finis), pour étudier le comportement du nickel pur. Ce matériau a été choisi pour ses propriétés mécaniques avancées, sa résistance à l'usure et sa bio-compatibilité, qui peuvent permettre des applications futures intéressantes à l'échelle nanoscopique, particulièrement dans le domaine biomédical. Des méthodes avancées de mécanique du solide ont été utilisées pour prendre en compte les grandes déformations locales du matériau (par la formulation corotationelle), et pour décrire les conditions de contact qui évoluent au cours de l'analyse dans le modèle à l'échelle des milieux continus (traitement des conditions de contact unilatérales et tangentielles par une forme de Lagrangien augmenté).</p><p><p align='justify'>L’application des modèles numériques a permis de contribuer à l’identification des phénomènes qui gouvernent la nanoindentation du nickel pur. Le comportement viscoplastique du nickel pur pendant nanoindentation a été identifié dans une étude expérimentale-numérique couplée, et l'effet cumulatif de la rugosité et du frottement sur la dispersion des résultats de la nanoindentation a été montré par une étude numérique (dont les résultats sont en accord avec des tendances expérimentales).</p> <p><p align='justify'>Par ailleurs, l’utilisation de l’outil numérique pour une autre application à petites échelles, la manipulation des objets par contact, a contribué à la compréhension de la variation de l’adhésion électrostatique pendant micromanipulation. La déformation plastique des aspérités de surface sur le bras de manipulateur (en nickel pur) a été identifiée comme une source potentielle d’augmentation importante de l'adhésion pendant la micromanipulation, qui peut potentiellement causer des problèmes de relâche et de précision de positionnement, observés expérimentalement.</p><p><p align='justify'>Les résultats présentés dans cette thèse montrent que des simulations numériques basées sur la physique du problème traité peuvent expliquer des tendances expérimentales et contribuer à la compréhension et l'interprétation d'essais couramment utilisé pour la caractérisation aux petites échelles. Le travail réalisé dans cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche appelé "mini-micro-nano" (mµn), financé par la Communauté Française de Belgique dans le cadre de "l'Action de Recherche Concertée", convention 04/09-310.</p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished