Vitesse de cisaillement, V (µm/s)
2.3.4. Etude des propriétés de lubrification du système mixte dimère/PAA-PAM au tribomètre IRIS
2.3.4.1. Formation du film lubrifiant
Pour se rapprocher des conditions expérimentales du SFA, nous avons essayé d’adsorber le film sur les supports avant l’expérience en les laissant au repos dans la solution. Nous avons rencontré plusieurs obstacles qui n’ont pas rendu l’expérience concluante. La bille étant en acier, elle ne peut rester que quelques heures au contact de la solution aqueuse sans rouiller. De plus, contrairement à l’enceinte du SFA, dans la configuration de cette expérience, les surfaces ne sont pas immergées dans la solution, elles sèchent rapidement. Le film ne peut donc être formé que lorsque les surfaces sont en roulement et que du fluide est entrainé dans le contact.
La phase de roulement pur est une étape où la bille et le disque sont en contact et dans le cas présent soumis à une force normale de 13 N. Au point de contact, ils tournent à une même vitesse qui définit la vitesse d’entrainement Ve. Le choix de la vitesse d’entrainement, Ve est
critique car cette dernière gouverne l’alimentation du contact d’une part grâce à la quantité de lubrifiant entrainée et d’autre part en déterminant le temps de contact : si elle est trop rapide, le lubrifiant est entrainé mais n’a pas le temps de s’adsorber. Si au contraire elle est trop lente,
la quantité de matière introduite dans le contact n’est pas suffisante, le film n’est pas assez alimenté et se forme moins bien. Une première expérience qualitative nous a permis de déterminer une gamme de vitesse adéquate pour notre étude. Nous utiliserons donc une vitesse de roulement à 200 mm.s-1, ce qui correspond à un temps de contact d’environ 1ms. Nous étudierons le comportement du système mixte dimère associé au copolymère 3-30. Pour toute l’étude, le ratio en copolymère sera Z=1.
Dans ces conditions expérimentales, nous observons une déformation élastique des parois en contact suite à la forte pression appliquée (environ 300 MPa). En terme de régime de lubrification, il s’agit ici d’un régime limite/mixte et non elastohydrodynamique car l’épaisseur du film est mince (de l’ordre de 13 nm), la viscosité et la piezoviscosité sont très faible.
La visualisation du contact en temps réel permet de quantifier l’épaisseur du film formé dans le contact avec le temps. Des interférogrammes acquis à intervalle de temps régulier sont présentés sur la figure suivante :
c
a
a b
2a l
d e f
Figure II-50 : Suivi de la cinétique de formation d’un film lubrifiant mixte dimère + PAA-PAM 3-30 Z=1 par images prises à la caméra CCD d’un contact entre la bille et le disque du tribomètre Iris L=13N Ve=200mm.s-1
La première image (a) présente le contact disque-bille en statique, c'est-à-dire que la bille et le disque ne sont pas encore en mouvement et le film n’est pas encore adsorbé. La couleur au centre correspond à une épaisseur nulle. Cet interférogramme sert d’image de référence. Lorsque le film s’adsorbe sur les surfaces, le contact s’assombrit et devient bleuté. En regardant les images ci-dessus (b, c, d, f), nous voyons que la zone centrale du contact bleuit avec le temps, l’épaisseur augmente à vitesse d’entrainement constante, le film s’adsorbe donc bien sur les surfaces. Un cliché intermédiaire du contact statique (sans roulement) (e) permet de voir la quantité de matière réellement adsorbée. En effet, en phase de roulement pur, l’épaisseur résulte de deux contributions : une première contribution liée à l’entrainement, constante à vitesse constante, Dentrainement, et une seconde reliée à l’adsorption du film sur les surfaces et qui varie avec le temps, Dadsorption. Ainsi, le fluide entrainé dans le contact mais non adsorbé contribue à assombrir le contact.
Nous remarquons sur chaque image la présence d’une bande plus foncée au centre du contact, elle devient plus marquée avec le temps. Elle indique que le film est créé préférentiellement dans cette zone ce qui peut s’expliquer par le fait que la pression est plus importante à cette endroit. Ce résultat nous incite à penser que la pression joue un rôle prépondérant dans l’adsorption du film. L’adsorption du film peut être quantifiée par l’analyse des images.
8 10 12 14 16 18 0 2000 4000 6000 Epa isse u r du fi lm, D (n m) Temps, t (s) 0 50 100 150 0 2000 4000 6000 La rgeu r de la b and e a u ce n tre (µ m) Temps, t (s)
Figure II-51 : Cinétique d’adsorption du film mixte dimère/PAA-PAM 3-30 Z=1, L=13N, Ve=200mm.s-1
avec l’épaisseur mesurée au centre du contact (cercles ouverts) et la largeur de la bande au centre du contact (cercles fermés)
Pour les deux paramètres étudiés, la largeur de la bande et l’épaisseur mesurée au centre, l’évolution est similaire (Figure II-51). Nous avons dans un premier temps une augmentation continue avec le temps puis vers 4000s un plateau est atteint, le film n’augmente plus. L’épaisseur finale du film est de l’ordre de 13 nm, ce qui est du même ordre de grandeur que
les épaisseurs que l’on obtenait en SFA, Notons tout de même que cette mesure est bien moins précise que ne peut l’être celle faite avec le SFA.
En sortie de contact (flèche blanche sur la Figure II-50), nous pouvons apercevoir un ménisque dont la forme change avec le temps. La forme du ménisque dans la zone de cavitation résulte de l’équilibre entre les forces hydrodynamiques, qui tendent à expulser le lubrifiant hors du contact, et les forces de mouillage, qui ramènent le lubrifiant sur la piste de roulement39. La longueur du ménisque, l dépend de la viscosité du fluide, de la vitesse
d’entrainement Ve et de la tension superficielle liquide/vapeur,
γ
LV , elle est définie par l’équation ci-dessous39 : LV e V l γ η ≈Sur la figure II-50, nous pouvons voir que la longueur du ménisque augmente avec l’adsorption du film et suit même la même configuration géométrique (appendice au même niveau de la bande d’adsorption). L’augmentation de l peut être expliquée d’une part par
l’augmentation de la viscosité dans le contact suite à l’adsorption du film mixte. D’autre part cette adsorption induit également une variation de la tension de surface solide/liquide
γ
LS et donc de l’angle de contact dont l’expression ci-dessus ne tient pas compte mais qui est pourtant identifiable sur la figure par le changement de forme en apex du ménisque.A partir de ces résultats, nous pouvons dire que le système dimère + PAA-PAM 3-30 avec un ratio Z=1 est capable de créer un film entre des surfaces d’acier et de verre en roulement même avec une viscosité proche de celle de l’eau. Nous allons ainsi pouvoir étudier son comportement en cisaillement.