5.1 Effet de la charge électrique générée par effet triboélectrique sur le frottement sec

L’étude a été réalisée avec des paires d’éprouvettes PP-PVC. Les dimensions des éprouvettes ont été : PP 5 mm x 15 mm x 15 mm et PVC 5 mm x 50 mm x 180 mm. Les éprouvettes ont été mises dans la configuration montrée sur la figure II-19 d) et la course de glissement a été s = 55 mm. Le tribomètre décrit dans le chapitre II-1 a été utilisé et le mouvement relatif entre les éprouvettes a été obtenu avec un système bielle-manivelle.

Des cartographies de densité de charge ont été numérisées pour chaque éprouvette de PVC. Les mesures de densité de charge ont été réalisées selon le protocole représenté sur la figure IV-9. L’installation présentée dans le sous-chapitre III-1.2 a été utilisée pour les mesure de charge, selon la méthode de conversion décrite dans le sous-chapitre III-3. Les cartographies ont une résolution spatiale rx = 10 mm sur la direction X et ry= 5 mm sur la direction Y.

Les paramètres d’essai sont FN =20 N, v = 88 mm/s et le temps de glissement t = 1,75 s, 30 s, 60 s, 300 s. Les essais ont été répétés au moins deux fois pour chaque série de paramètres. La figure IV-23 montre les résultats des cartographies de charge pour les quatre durées de frottement. Les surfaces des éprouvettes B en PVC ne sont pas uniformément chargées. Des charges négatives et positives sont générées sur la même surface. Sur la figure IV-24 est représentée la cartographie de densité de charge pour une éprouvette chargée pendant t=300 s.

Étude expérimentale de l'effet de la charge triboélectrique à l’interface solide-solide dans un mouvement de translation

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Figure IV-24. Cartographie de la densité de charge sur l’éprouvette en PVC du frottement entre le PP et le PVC: FN =20 N, v = 88 mm/s, t = 300 s ;

Figure IV-25. . Evolution du rapport force tangentielle/ force normale pour trois durées de temps: 30 s, 60 s, 300 s.

Pendent le frottement entre les deux éprouvettes, une augmentation de force est identifiée. Ainsi, la force tangentielle augmente de la valeur de 5,2 N au début de frottement à 10 N après 80 s et reste constante (figure IV-25).

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IV-5.2 Effet de la charge électrique générée par effet couronne sur le frottement sec

L’étude a été réalisée avec des paires d’éprouvettes ABS-PVC. Les dimensions des éprouvettes sont celles du paragraphe précédent (ABS : 5 mm x 15 mm x 15 mm ; PVC : 5 mm x 50 mm x 180 mm). Les éprouvettes ont été mises dans la configuration décrite sur la figure II-19 d) et la course de glissement a été gardée à s = 55 mm. Le tribomètre décrit dans le chapitre II-1 a été utilisé et le mouvement relatif entre les éprouvettes a été assuré avec un vérin linéaire.

Les mesures du potentiel de surface ont été réalisées sur une seule ligne centrale parallèle avec la direction X de mesure. Cette mesure est suffisante pour identifier les non uniformités de la charge. Les cartographies ont une résolution spatiale rx= 3 mm sur la direction X. Le potentiel est converti en densité de charge. Les paramètres d’essai ont été FN =10 N, v = 35 mm/s et Cy = 10 cycles. Avant de mettre les éprouvettes en contact glissant, chaque éprouvette inférieure a été chargée par effet couronne avec l’installation décrite dans la section II-2.1. Les éprouvettes ont été chargées avec une différence de potentiel entre la grille et la plaque liée à la terre fixée dans l’intervalle Vg = -6 kV à 6 kV avec par pas de 1kV. La résistance liée à la grille a été fixée à Rg= 200 MΩ. L’intensité Ig qui passe à travers la résistance a été variée pour obtenir les valeurs équivalentes de tension Vg (équation II.2). Les mesures de potentiel de surface ont été réalisées après le chargement couronne et après le frottement des éprouvettes.

Les mesures de la figure IV-26 montrent une augmentation de la force tangentielle avec la tension de la grille pour les deux polarités. En polarité négative l’augmentation de la force est plus stable et la force tangentielle augmente progressivement, tandis que la polarité positive donne une augmentation de force tangentielle mais avec des fluctuations. La stabilité obtenue pour la polarité négative peut se justifier par le fait que l'ABS en frottement avec le PVC génère une charge négative sur la surface du PVC (figure IV-2).

La figure IV-27 montre la variation de la distribution de charge sur la surface des éprouvettes. Ce phénomène est plus intense avec l’augmentation de potentiel. La saturation intervient vers les valeurs de -6 kV.

Pour la polarité positive, les perturbations générées par frottement sont plus intenses (figure IV- 28). La charge positive déposée sur la surface de l’éprouvette développe une tendance de changement de signe et évolue vers une charge négative. Les plus grandes valeurs de la force ont été obtenues pour les valeurs de potentiel de 1 kV, 2 kV, 4 kV, et 6 kV où la densité de charge change de signe. Le niveau de charge arrive à - 20 nC/mm2_.

Étude expérimentale de l'effet de la charge triboélectrique à l’interface solide-solide dans un mouvement de translation

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Les expériences réalisées sur l’effet de la charge électrostatique sur le frottement entre deux polymères conduit à la conclusion que la charge change les propriétés de frottement et augmente la force tangentielle entre les deux plaques en polymères. Cette dernière expérience confirme que la force tangentielle augmente avec une charge électrique appliquée de l’extérieure. Le chargement avec une charge positive est annulé par effet tribologique où la surface de PVC en frottement avec l'ABS se charge naturellement avec une charge négative.

Figure IV-26. . Evolution de la force tangentielle moyenne après 10 cycles en fonction du potentiel de la grille.

Figure IV-27. Evolution de la densité de charge après le frottement des éprouvettes pour différentes valeurs du potentiel de la grille en polarité négative.

-80 -60 -40 -20 0 0 30 60 90 120 150 180 Densi té de cha rg é [nC/m m 2]

Position sur l'axe X [mm] _-1kV -2kV -3kV -4kV -5kV -6kV

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Figure IV-28. Evolution de la densité de charge après le frottement des éprouvettes en fonction du potentiel de la grille en polarité positive.