Axe 4 : DYNAMIC PROCESS PROBING

L’Axe "DYNAMIC PROCESS PROBING" a pour objectif d’étudier les processus dynamiques et le contrôle en temps réel des phénomènes de surface.

Lors de l’interaction de contact se forme un milieu confiné, aux faibles dimensions spatiales. Au sein de ce milieu, se produisent des phénomènes dynamiques, rapides, de l’ordre de quelques millisecondes à quelques picosecondes. Le premier thème scientifique clé de cet axe est l’identification des phénomènes locaux se produisant dans une zone confinée. Une prise en compte des interactions complexes de ces phénomènes est également perçue comme nécessaire : le deuxième thème scientifique porte sur l’analyse de la dynamique collective ou excitation collective des interfaces et leurs conséquences.

Cet axe se définit également comme soutien aux trois autres axes, en proposant des outils de contrôle et/ou de mesure de ces phénomènes transitoires, mais également des outils de compréhension pour le développement de modèles prédictifs multi-échelles, théoriques ou numériques.

Thèmes scientifiques :

Lors d’une interaction de contact mécanique, des phénomènes transitoires, temporels et rapides sont fréquemment observés mais leur influence sur l’évolution et la dégradation d’un tribo-système reste largement méconnue. Néanmoins, le développement de la modélisation et de nouvelles techniques expérimentales rendent désormais possible la compréhension des régimes non-stationnaires. Les phénomènes transitoires observés sont corrélés à la fois à la dynamique des conditions mécaniques et à la réponse dynamique du milieu interfacial résultant de l’interaction de contact. En effet, lors d’un contact sec ou lubrifié, un milieu confiné se forme : il s’agit d’une couche interfaciale ou d’un film lubrifiant dont le comportement tribologique et la dynamique associée dépendent de ses propriétés intrinsèques (nature, propriétés mécaniques) et des effets du confinement. Ces derniers se traduisent par :

• un effet de structuration à la paroi ou à l’opposé, un désordre local,
• un confinement géométrique lorsque l’épaisseur de film lubrifiant est faible devant la taille de contact. Ceci induit une amplification des contraintes mécaniques macroscopiques (fort gradient de contrainte ou surcontrainte localisée, taux de cisaillement pouvant atteindre 106 s-1). L’interface peut alors présenter un comportement non-linéaire complexe (alignement de molécules, transition dynamique entre des états liquide et solide) ou des instabilités (déformations localisées, cavitation, etc).

Une illustration de ces phénomènes, dans le cas de contacts lubrifiés, est proposée ci-dessous.

Dynamique des interfaces confinées lubrifiées - Interférogrammes de contact (tribomètre IRIS, LTDS)

Un autre exemple concerne le procédé de soudage par friction. Un pion texturé frotte contre une surface solide à vitesse élevée. Cette interaction de contact génère un échauffement local et des gradients de contraintes qui induisent des modifications microstructurales significatives localisées à l’interface. Ces modifications structurales dépendent des contraintes locales ainsi que des matériaux en contact et de leur topographie de surface. De plus, elles gouvernent la réponse en friction de l’interface et contrôlent ainsi la qualité du procédé. On peut alors s’interroger sur les conditions locales transitoires, en particulier sur leur mesurabilité et leur contrôle : comment mesurer ces phénomènes locaux, temporellement et spatialement, qui se produisent au sein de cette boîte noire qu’est l’interface.

Un thème scientifique majeur de cet axe est l’identification des phénomènes transitoires locaux se produisant au sein d’une interface confinée.

Le régime d'interaction et la précision de traitement associée à la structuration du matériau par laser ultrarapide sont souvent associés avec le degré de non-équilibre induit par laser. Cela permet d'explorer de nouvelles transitions de phases structurelles et états métastables, capables de générer de nouvelles classes de propriétés avec des fonctionnalités plus performantes.
La connaissance précise des voies d'excitation et de la dynamique de relaxation associée représente un grand défi pour des techniques de traitement des matériaux, en offrant en même temps une ligne directrice pour l'optimisation des phénomènes laser. Plusieurs tâches seront suivies :

• Sondage des phénomènes laser ultrarapides sur des échelles inférieures à la longueur d’onde : cette tâche consiste à évaluer la dynamique d'excitation collective et les effets hydrodynamiques primaires dans le traitement laser capable d’induire un changement de la topologie à l'échelle nanométrique.
• Techniques de façonnage spatio-temporel des impulsions et de contrôle/optimisation des procédés : la tâche propose des méthodes d'optimisation basées sur la manipulation automatique des impulsions dans l'espace et le temps, avec une importance primordiale dans l'optimisation de l'interaction laser-matière ainsi que dans l'augmentation de l’efficacité des procédés laser.
• Outils prédictifs de simulation des phénomènes d'interface : la compréhension des processus induits par laser est essentielle à leur maîtrise globale. Cette tâche concerne l'interrogation théorique et numérique de l’excitation électronique et les trajectoires thermodynamiques subséquentes, et aide au contrôle des résultats de traitement au laser.

Conception pour l’investigation et le contrôle des phénomènes induits par laser dans le processus de structuration