JKR - GdR Robotique

Journées GDR Robotique / Mecano, Paris, 15-16 juin 2010
Mécanique des surfaces de polymères :
rôles conjugués de la taille des objets, de la
souplesse des matériaux et de l’énergie de surface
Vincent LE HOUEROU, Christian GAUTHIER & Robert SCHIRRER
Institut Charles Sadron, CNRS UPR 022, Strasbourg (FRANCE)
Journées GDR
Robotique/Mecano
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15-16 juin 2010
Introduction
Adhésion
JKR
Plan
1. Introduction
2. Adhésion en JKR dynamique
Adhésion
film/substrat
3. Matériaux revêtus : adhésion film / substrat
Conclusions
4. Conclusions
2
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Contexte…
… général
Introduction
Introduction
Adhésion
JKR
Adhésion
film/substrat
Conclusions
3
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Contexte…
… vis-à-vis du GDR
Introduction
Introduction
Adhésion
JKR
Adhésion
film/substrat
Conclusions
Adhésion lors de la
préhension de µ-objets
Adhésion / frottement
dans les µ-mécanismes
4
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Introduction
Introduction
Contexte : contacts polymériques
Moore (1972)
Le frottement macro dépend de :
chaque contact
Adhésion
JKR
réponse méca des
matériaux
Adhésion
film/substrat
Conclusions
“volume”
contributions adhésive
& visqueuse
“surface”
Etudes des contacts polymériques : problème fortement couplé
D.F. Moore, “The Friction and Lubrication of Elastomers”, Pergamon Press, London (1972).
5
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Introduction
Introduction
Contexte thématique dans l’équipe
Déformation / frottement
polymères
Adhésion
JKR
Adhésion
film/substrat
Conclusions
Endommagements
fissuration
“durs”
du CR39
matière
“crazing”
molle
du PMMA
surfaces
matériaux
texturées
revêtus
6
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Introduction
Introduction
Contexte thématique dans l’équipe
Déformation / frottement
polymères
Adhésion
JKR
“durs”
fissuration
Comportement
du CR39
dépendant du temps
matière
Adhésion
film/substrat
Endommagements
molle
“crazing”
du PMMA
Forces d’intéraction
surfaces
Conclusions
texturées
matériaux
revêtus
7
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Introduction
Introduction
Contexte thématique dans l’équipe
Déformation / frottement
polymères
Adhésion
JKR
“durs”
Conclusions
fissuration de surfaces
Mécanique
du
CR39
de
polymères :
molle
adhésion non
négligeable dans
“crazing”
plusieurs cas
du PMMA
surfaces
matériaux
matière
Adhésion
film/substrat
Endommagements
texturées
revêtus
8
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Introduction
Introduction
Adhésion
JKR
Aujourd’hui…
… 2 exemples
Contacts adhésifs
dynamiques (JKR)
Mesure d’adhésion
film/substrat (vernis)
Adhésion
film/substrat
Conclusions
9
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Principe JKR
Test statique d’adhésion (JKR)
Introduction
P constante
2a
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
Adhésion
film/substrat
Effet surfacique due à l’adhésion
Modèle JKR donne l’équation qui gouverne le contact
R
a  P  f W  
K
3
Conclusions
a : rayon de contact
K : constante élastique
R : rayon de la sphère
W : travail d’adhésion
10
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Principe JKR : les paramètres importants
Paramètre de Tabor
Introduction
Taille de l’objet
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
Adhésion
film/substrat
Travail d’adhésion
13
 RW 
  2 3
 E * z0 
2
Constante élastique
Portée des forces interfaciales
 µ élevé,  adhésion importante (< 0.1 : DMT ; > 5 : JKR)
Conclusions
Adhésion prépondérante si grand objet souple à grande
énergie de surface.
11
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Objectifs de recherche
Tests de JKR dynamique
Introduction
P variable
Comportement visqueux
P
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
t
Forces d’interaction
Adhésion
film/substrat
Profils de contact ?
Dissipations d’énergie ?
Surface - adhésion
Volume - viscoélasticité
Dépendance à la géométrie des échantillons ?
Conclusions
Théorie JKR toujours valide ?
12
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Machine de tests : JKR dynamique
caméra CCD
source lumineuse
Caractéristiques
Introduction
• 0.01 < Fn < 3 N
• Fréquences : 0.02 à 10 Hz
• Atmosphère contrôlée
• T° : -50°C à +90 °C
• Visualisation « In-situ »
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
focale - agrandissement
air contrôlé
Adhésion
film/substrat
Conclusions
sonde de
température
lamelle
transparente
hémisphère
cellule de charge
effecteur
électro-magnétique
13
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Machine de tests : JKR dynamique
Introduction
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
Adhésion
film/substrat
Conclusions
Surface en
contact
Interférométrie laser :
Accès au profil de contact
profil JKR
profil Hertz
Pas de contact
100 µm
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Matériaux
Echantillons
Introduction
PDMS (Rhodia, Rhodorsil RTV141 A+B™)
hémisphères - 12.5 mm de rayon
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
Adhésion
film/substrat
3 sortes d’hémisphères tronquées (différentes hauteurs h)
échantillon n°
1
2
3
n° échantillons
h (mm)
V (mm3)
V% de l’hemisphere
1
12.11 ± 0.05
3900 ± 90
95 % ± 2 %
2
6.23 ± 0.05
1270 ± 30
31 % ± 1 %
3
3.42 ± 0.05
420 ± 20
10 % ± 1 %
1 ordre de
grandeur
Conclusions
Lames de verre revêtues de films minces de PDMS
15
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Introduction
Conditions expérimentales
Positionnement vis-à-vis de JKR ?
Paramètre de Tabor :
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
ici, µ  3000 >> 5
Adhésion
film/substrat
13
 RW 
2
3 
E
*
z
0 

 
2
modèle JKR approprié
Tests
Température : -30 ; 0 ; 30 ; 60 °C
Conclusions
Gamme de fréquences : 0.02 à 10 Hz
16
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“JKR irréversible” : résultat classique
5
-9
a * 10 m
3
Introduction
3
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
frequency = 1 Hz
T° = 30°C
4
lo
un
ing
d
a
Mean a = 1.5 mm
3
d
loa
2
starting point
st
1 compression
cycles
1
Adhésion
film/substrat
ing
0
0.0
0.5
1.0
Force P
Conclusions
Chemins de chargement et déchargement différents
Dissipation d’énergie
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“JKR irréversible” : analyse typique
Fits chargement / déchargement avec le modèle JKR
Introduction
a3 
5
a * 10 m
3
4
3
-9
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
Adhésion
film/substrat
JKR with
E = 2.10 MPa
2
Wc=0.50 J/m
2
Wd=1.10 J/m
2
W = 0.60 J/m
g
din
a
lo
un
3
1
• R est connu
• K est mesuré
g
din
a
lo
2
0
0.0
Conclusions
2
R
P  3 WR  6 WRP   3 WR  

K 
R
JK
els
d
mo
(E par DMTA)
• W : paramètre
starting point
st
1 compression
cycles
rtz
He
0.5
1.0
Force P
Dissipation d’énergie : ΔW = WU – WL
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Influence de la fréquence
1.5
low frequency 0.02 Hz
medium frequency 1 Hz
high frequency 10 Hz
JK
si
bl
e
un
lo
a
di
ng
1.0
ve
r
0.5
irr
e
Adhésion
Adhésion
JKR
JKR
3
3
-9
a (m *10 )
R
Introduction
R
JK
l
ea
id
rtz
He
Adhésion
film/substrat
0.0
0.0
0.1
Force P
0.2
0.3
0.02 Hz : JKR quasi-statique (réversible)
Dissipation dépend grandement de la fréquence
Conclusions
À haute fréquence, le chargement peut apparaître ‘Hertzien’
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Profils de contact : basses fréquences
Introduction
Chargement & déchargement :
Profils JKR
Adhésion
JKR
10.0
JKR idéal : *
2
Wc=44 mJ/m
z(r)
Adhésion
film/substrat
Conclusions
0.0
0.9
Hertz
2
Wc= 0 J/m
1.0
1.1
1.2
1.3
r/a
* provient de l’équation de Dupré : W = 1 + 2 – 12 = 44 mJ/m2
20
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Profils de contact : hautes fréquences
Chargement
Déchargement
Introduction
Adhésion
JKR
JKR idéal :
2
Wc= 44 mJ/m
0.0
10.0
Hertz
2
Wc= 0 J/m
1.0
1.1
1.2
1.3
r/a
Profil “Hertzien”
z(r)
Adhésion
film/substrat
z(r)
10.0
JKR:
2
Wd = 90 mJ/m
JKR idéal:
2
Wd = 44 mJ/m
0.0
1.0
1.1
1.2
1.3
r/a
Profil JKR
Conclusions
21
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Dissipations vs Conditions expérimentales
JKR
Introduction
2
1
0.1
0.01
0.01
Adhésion
film/substrat
10
-30°C
0°C
30°C
60°C
W* (J / m )
Adhésion
JKR
DMTA
0.1
1
Frequency (Hz)
0.02 Hz
0.2 Hz
2 Hz
loss factor
Journées GDR
Robotique/Mecano
1E-3
-30
0
30
60
Temp (°C)
Dissipation augmente avec la fréquence
Cohérent avec les résultats de DMTA
Dissipation augmente avec la température
Conclusions
Cohérent avec l’équivalence temps-température
* Estimation de l’intervalle de confiance de l’adhésion est d’environ 5 mJ/m2
22
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Adhésion
JKR
10
-30°C
0°C
30°C
60°C
2
Introduction
Dissipation volumique
W* (J / m )
Journées GDR
Robotique/Mecano
1
0.1
Tracé d’Arrhenius
donne l’énergie
d’activation : 27 kJ/mol
0.01
0.01
0.1
1
1E-3
Frequency (Hz)
Considérations similaires en DMTA donnent : 400 kJ/mol !!!
Adhésion
film/substrat
même ordre de grandeur à l’énergie générallement associée à la
transition alpha des polymères et relative à une énergie de volume
Confirmation que le processus irréversible est restreint dans une
zone proche du périmètre de contact (mécanique de la rupture)
Conclusions
Vélastique >> Vvisqueux
raison probable pour laquelle le
modèle JKR fonctionne correctement
23
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Dépendance au volume de l’échantillon
0.06
0.05
0.04
Adhésion
JKR
W* (J/m
2
)
Introduction
T° = 30 °C
sample # 1
sample # 2
sample # 3
0.03
0.02
0.01
0.00
0.1
1
Frequency (Hz)
Adhésion
film/substrat
Pas de différence significative entre les échantillons
Volume impliqué dans la dissipation visqueuse << volume de
l’hémisphère : au moins 2 ordres de grandeur
Conclusions
Confirmation que la zone dissipative est confinée au périmètre
du contact
* Estimation de l’intervalle de confiance de l’adhésion est d’environ 5 mJ/m2
24
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Introduction
Conclusions partielles (JKR)
Modèle JKR valide pour les contacts visco-elastiques
dissipative zone
PDMS
Profil “Hertzien” en chargement aux hautes fréquences
Adhésion
JKR
Comportement en JKR cohérent avec les propriétés
contact
volumiques
displacement
Confirmation (2 manières): zone dissipative confinée
Adhésion
film/substrat
Conclusions
25
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En cours…
Experiences pour confirmer les nouveaux modèles visco
Introduction
Nano-JKR?
Adhésion
JKR
Adhésion
film/substrat
Conclusions
26
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En cours…
Experiences pour confirmer les nouveaux modèles visco
Introduction
Nano-JKR?
Adhésion
JKR
Adhésion
film/substrat
Conclusions
27
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Machine de rayure / frottement
Introduction
système de charge
Adhésion
JKR
capteur
d‘efforts Ft, Fn
indenteur
Adhésion
film/substrat
Matériau dur
ou
Matière molle
échantillon
vision in-situ
Conclusions
table micro-contrôlée
enceinte thermique
28
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Introduction
Conditions expérimentales
Matériaux
Vernis nanocomposite 3.5 µm glymo
élastique
élastique - plastique
+ colloïdes SiO2 (élasticité attendue)
Adhésion
JKR
Substrat en polycarbonate (plasticité attendue)
Adhérence « non optimisée »
Adhésion
film/substrat
Essais
Température : -20 °C à 90 °C
Vitesses : 3 à 300 µm/s
Conclusions
Pointes sphériques R ~ 120 µm de rugosité 0,6 µm
29
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Cas particulier : cloquage à hautes Températures
+80 °C
Introduction
Adhésion
JKR
Adhésion
film/substrat
Conclusions
30
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Analyse quantitative (à 80 °C)
Introduction
Adhésion
JKR
Adhésion
film/substrat
Conclusions
STABILISATION
31
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Analyse quantitative (à 80 °C)
Introduction
Adhésion
JKR
Adhésion
film/substrat
Conclusions
32
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Introduction
Forme variationnelle du bilan énergétique
W  ED  EF  EE
travail de l’indenteur
dissipation
rupture
élastique
(plasticité, frottement) (délaminage) (négligeable)
Adhésion
JKR
A 
Adhésion
film/substrat
d
 s  max
f  Fn ,  app , local 
Relation linéaire entre l’aire totale délaminée et
la distance de rayage
f
Conclusions
Pente
: de dissipation
!!!
Hypothèse
: pas
plastique

s  max
énergie
de rupture surestimée
33
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Résultats
Introduction
Adhésion
JKR
Adhésion
film/substrat
 s max  37 J / m
2
Conclusions
34
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Cohérence & Contributions
Ordres de grandeur
Introduction
Adhésion
JKR
Van der Waals
s-max – cette étude
Rupture cohésive
des polymères
1 to 100 mJ/m²
37 J/m²
1000 to 5000 J/m²
Contributions des phénomènes
Chargement
Rupture
indenteur (Ft)
Adhésion
film/substrat
Energie en µJ
(rég. permanent ≈540 µm)
Conclusions
Force tangentielle
en N
Dissipation - ∆ED
∆W
∆EF
Plastique
Frottement
61
27
0
34
0,11
0,05
0
0,06
35
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Introduction
Conclusions & Perspectives
Analyse d’images + bilan énergétique =
 s  max
Modélisations EF concernant la zone plastique
Evolution de
 s en fonction de la température ?
Adhésion
JKR
Conclusions Générales
Adhésion
film/substrat
Analyse des contacts adhésifs visqueux
Phénomènes en jeu & volumes impliqués
Contacts non-adhésifs revêtus :
Conclusions
Approche énergétique
adhésion film/substrat
36
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Introduction
Moyens de caractérisation mécanique
Appareillage dédié aux polymères :
température & atmosphère contrôlées
JKR dynamique
Adhésion
JKR
Machine de rayage / frottement
Adhésion
film/substrat
Technique DMA
(exploration de E & tan )
Nano-indenteur
Conclusions
Simulations
Eléments Finis
(AFM & atmosphère contrôlée)
Dynamique
moléculaire
37