"Pour innover ensemble”

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                                                                           SURFACES ET INTERFACES


Définition des enjeux scientifiques


Depuis de nombreuses années, les activités autour des surfaces et interfaces sont des éléments forts de reconnaissance des activités en Ingénierie sur le site de Lyon-St Etienne. En premier lieu, l’étude des interfaces tribologiques a induit, depuis de nombreuses années, des relations pérennes avec des entités académiques et industrielles qui ont notamment conduit à la mise en place d’une unité mixte internationale UMI ELyTlab (Lyon-Tohoku) et de chaires industrielles (SKF, Safran). Ces activités pérennes ont été renforcées en 2011 dans le cadre du PIA – et appuyé encore récemment dans le CPER - par une double labellisation, celle d’un LABEX (MANUTECH-SISE) à l’initiative de formations supérieures et professionnelles spécifiques (2 parcours de Master, SISE-MECHANICS et SISE-OPTICS labellisés spécialité de « Master International UdL » en 2014 ; licence professionnelle), et d’un EQUIPEX créateur d’emplois via un GIE (MANUTECH-USD). La problématique des interfaces est également prégnante dans les activités de la Fédération à travers le traitement des fluides, dans les interactions fluide-fluide ou fluide-structure, en thermique (GDR SyReDossi), mécanique, et acoustique notamment (Labex CeLyA).

L’étude des surfaces et interfaces a pour spécificité d’intégrer concomitamment des problématiques très diverses, qu’il s’agisse d’étudier des interactions fluide-structure, rayonnement-matière, entre corps au sein d’interfaces tribologiques, ou des matériaux composites… En effet, les problématiques se posent aux frontières de diverses champs disciplinaires (physico-chimie, thermique, mécanique des solides et des fluides, électromagnétique,
…), dans des approches intrinsèquement multi-échelles (analyses de textures, extrême surface, tension de surface, …). Le premier grand champ d’application de l’étude des surfaces et interfaces concerne l’ingénierie des surfaces qui a comme objectif premier de contrôler par traitement mécanique, optique, chimique ou électrochimique des surfaces pour des propriétés visées diverses, de nature tribologique, de résistance à la corrosion, de propriétés sensorielles, de propriétés de structure… Si bien que parmi les 6 KeT’s de H2020, l’ingénierie des surfaces en couvre trois : photonique, matériaux avancés (incluant l’ingénierie des surfaces), systèmes de fabrication. Les connaissances avancent ici parfois moins vite que dans d’autres domaines scientifiques, par manque de discussion entre communautés, en raison de la complexité et l’étendue du spectre de compétences à couvrir, et par la difficulté à construire des modèles fiables, robustes et quantitatifs. Une véritable inter-disciplinarité s’est donc construite sur le site Lyon-St Etienne, via des collaborations entre des équipes de recherche dont certaines n’étaient pas en contact il y a encore 5 ans : optique-photoniqueimage, mécanique, acoustique, tribologie, corrosion, matériaux, surfaces. En effet, par ses approches systémiques, l’ingénierie est naturellement idéalement positionnée pour aborder ce vaste champ de recherche. Les efforts portent sur le développement de modèles et moyens de caractérisation multi physiques quantitatifs, capables non seulement d’expliquer et suivre les phénomènes observés dans la nature ou en ingénierie, mais aussi d’être prédictifs. Plus généralement, la notion d’échelle revêt ici une importance capitale, les analyses en extrême surface étant par exemple la seule voie d’accès aux problèmes d’usure et de corrosion rencontrés dans le transport et l’énergie notamment.

Une approche complémentaire des surfaces et interfaces apparaît dans l’étude des fluides. Que ces fluides soient des ‘vecteurs’ (fluides chargés, réactifs, sang, …) ou bien en contact avec des surfaces (lubrification, aéro-xxx, …), elles-mêmes texturées ou fonctionnalisées. Dans tous les cas, qu’il s’agisse d’interfaces tribologiques ou d’interfaces fluides, la démarche générale d’analyse de la réponse des surfaces et interfaces s’appuie sur le développement de
méthodes combinées d’analyses fines de caractérisation (physique, physicochimique, électrochimique, microstructurale, thermique et mécanique), l’accès aux grands instruments, le développement des méthodes de suivi de propagation de l’endommagement (DIC, Emission Acoustique,…) ou l’étude des transferts thermiques et massiques via les surfaces, vers le matériau volumique. Ces contributions participent à une approche multi-échelle impérieuse dans les actions de modélisation de notre communauté. De façon symétrique, les techniques de modélisation, souvent numériques, doivent être adaptées aux régimes sévères de pression-déformation-température-champ électrique rencontrés en surface, en contact avec des milieux agressifs de nature artificielle ou biologique. Ces modélisations multiphysiques (thermo-hydro-mécano-chimique par exemple) incluent de très forts gradients de propriétés (films lubrifiants, écoulements sanguins, propulsion, aéro-acoustique, …), dans des domaines à frontières mobile subissant d’importantes accélérations et intégrant l’usure, la fissuration... Pour ces cas spécifiques, des approches très prometteuses se mettent en place par croisement de méthodes numériques ‘standards’ telles que les méthodes particulaires ou les éléments finis étendus, couplés avec la dynamique moléculaire et les calculs atomistiques,
dans des approches multi-physiques et multi-échelles (méthodes sous-grilles). Comme déjà évoqué précédemment, seules des approches spécifiques modélisation-caractérisation permettent d’appréhender les effets de couplage entre les sollicitations, comme dans le cas de la corrosion sous contrainte, du fretting-fatigue, de la tribo-électrification ou de la tribocorrosion sous irradiations, ...

Enfin, les interactions fluide-fluide ou fluide-structure sont évidemment en relation avec la structure même des surfaces des matériaux ; surface qui diffère de celle rencontrée en volume, par la mise en oeuvre ou les conditions d’utilisation en service. On voit immédiatement les interactions avec les approches de structuration et texturation de surface (optique, mécanique, chimique) et les conditions d’usage (frottement, mouillabilité, rendu sensoriel, durabilité, …). La prise en compte du comportement matériaux dans ces interactions met également en oeuvre des approches multi-physiques locales, à l’échelle nanométrique pour les plus avancées. De telles structurations de surface ouvrent la voie à un vaste champ d’investigation, traité au moins partiellement, à condition de maîtriser l’interaction de cette surface structurée avec son environnement. Ce point fort de l’ingénierie sur Lyon-St Etienne sera naturellement pérennisé dans les futures orientations de la recherche sur le site, de façon à poursuivre le travail engagé sur les environnements extrêmes, l’ingénierie de la perception (en lien avec les SHS), les interactions lumière-matière, l’éco-mobilité, l’ingénierie biomédicale, l’énergie, ou encore l’allègement des structures.