Nanorhéologie des couches minces confinées application aux appareils à forces de surface

par François Auslender

Thèse de doctorat en Sciences appliquées. Physique

Sous la direction de François Sidoroff.

Soutenue en 1996

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    Les travaux entrepris lors de cette thèse consistent à apporter quelques éclaircissements dans la caractérisation du comportement de couches très minces. La motivation sous-jacente est liée à l'analyse mécanique des résultats expérimentaux provenant des appareils à forces de surface (notamment celui de l'ECL) qui reposent sur le principe suivant. Une couche mince d'un fluide viscoélastique, confinée entre un plan et une sphère de rayon r, distant l'un l'autre d'une distance d, subit une sollicitation sinusoïdale de la part de la sphère qui se déplace normalement au plan. L'appareil à forces de surface (afs) est capable de mesurer la force engendrée par le déplacement harmonique de l'ordre du nanomètre de la sphère. L'analyse permet, entre autre, de montrer l'apparition (respectivement sur la sphère et le plan) de deux couches immobiles aux parois quasi-solides, d'une épaisseur de quelques diamètres moléculaires, séparées par une zone volumique constituée du liquide interfacial dont on connaît les propriétés. L'approche classique du problème, basée sur la théorie de la lubrification et l'équation de Reynolds étendue au cas viscoélastique incompressible, ne permet pas d'expliquer de manière satisfaisante les résultats expérimentaux obtenus. Afin de l'améliorer, nous avons mis en œuvre une extension de cette théorie au cas d'une structure hétérogène, compressible. Les résultats obtenus montrent que la compressibilité des couches immobiles aux parois, même très faible, joue un rôle essentiel. Afin de clarifier le rôle de la compressibilité, un problème modèle simplifié (écrasement d'une couche mince élastique compressible entre deux plans) a été étudié. Les résultats obtenus ont, d'une part, confirme l'importance de la compressibilité dans le comportement des couches minces, et d'autre part, mis en évidence le mécanisme de déformation caractéristique des couches minces. Celui-ci correspond à un champ de déplacement œdométrique pour lequel seuls les déplacements verticaux sont permis (pas de déplacements latéraux). La prise en compte de ce mécanisme, dans l'extension de la théorie classique précédemment réalisée, aboutit à la construction d'un modèle qui décrit le comportement des films minces viscoélastiques hétérogènes compressibles. Ce modèle permet de retrouver les résultats expérimentaux observes et d'obtenir les caractéristiques rhéologiques des couches immobiles aux parois. Enfin, une étude du contact des deux couches viscoélastiques immobiles aux parois a été réalisée. Dans celle-ci, le contact est modélisé à partir d'une loi viscoélastique non linéaire qui représente l'extension du modèle de zener tridimensionnel aux grandes déformations. Cette modélisation permet de reproduire l'allure des courbes expérimentales force distance obtenues par l'afs à l'intérieur du contact. Une linéarisation autour de l'état d'équilibre, qui correspond à l'élasticité différée des couches en contact, permet, pour de faibles oscillations harmoniques, d'identifier, à partir des résultats expérimentaux fournis par l'afs, certains des paramètres de l'extension grandes déformations du modèle rhéologique de zener.

  • Titre traduit

    Nanorhéologie of confined thin coatings application to surface forces apparatus


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