Qu’est-ce que la tribologie ?
La tribologie est la science du frottement, de l’usure et de la lubrification et est vraiment interdisciplinaire. Il étudie l’interaction des surfaces en mouvement et tous les aspects liés au frottement, à l’usure, à la lubrification, à l’adhérence, à la tribochimie, etc. Les solutions de tribologie sont appliquées dans l’industrie automobile, les roulements, l’espace, le sport, l’alimentation, la santé et le biomédical, les énergies renouvelables et d’autres domaines nombreux.
Le terme « tribologie » est dérivé du mot grec « tribos » (τρίβοσ) qui signifie « frotter » ou frotter et il a été inventé en 1964, alors que l’exploration de la friction a bien commencé dans le passé vers 50 000 av.J.-C. lorsque les humains ont commencé à l’utiliser pour s’enflammer (voir histoire de la tribologie). Les civilisations anciennes en Égypte et en Chine ont appliqué des principes de lubrification pour transporter des pierres lourdes utilisées dans leurs bâtiments gigantesques. Cependant, les premières études systématiques de tribologie ont été réalisées par Léonard de Vinci – premier tribologue du monde en 1490-1500. Il s’est concentré sur toutes sortes de frottements et a fait une distinction entre frottement glissant et frottement roulant.
L’importance de la tribologie augmente du fait que les pertes par frottement et par usure consomment de l’énergie, qui autrement pourrait être économisée. Le professeur Jost a estimé qu’un investissement minimal (avec un rapport de 1 à 50 au résultat) dans la recherche et le développement de meilleures pratiques tribologiques pourrait permettre d’économiser de 1% à 1,4% du produit national brut. Outre les effets économiques, la tribologie peut être utilisée pour réduire les émissions de 
en augmentant l’efficacité énergétique et ainsi contribuer au maintien de notre planète. L’industrie du transport est l’une des plus grandes consommatrices d’énergie, mais aussi une source d’émission de , tout en étant potentiellement largement optimisée en utilisant des solutions tribologiques de pointe. Les particules d’usure peuvent être une source de dommages mécaniques dans les roulements, les ruptures de disques, les MEMS, mais sont également nocives pour la santé humaine si elles pénètrent de l’atmosphère au corps humain. Les résultats de la recherche tribologique peuvent donc être utilisés pour résoudre des problèmes importants de la société.
Tribologie verte
Le terme tribologie verte fait désormais partie du vocabulaire. La tribologie verte est une branche de la tribologie qui se rapporte spécifiquement au maintien d’un équilibre écologique de tout impact environnemental et biologique potentiel des interactions entre diverses surfaces qui peuvent se produire entre les matériaux. La tribologie verte veille à ce que tout frottement et usure entre les matériaux se produise de manière écologique. Les chercheurs dans le domaine de la tribologie verte se penchent également sur les éoliennes, les panneaux solaires et les turbines marémotrices. Ils s’attachent à être plus respectueux de l’environnement et durables à l’avenir.
La tribologie verte a trois principes de base visant à assurer un impact limité sur l’environnement et la santé humaine. Ces trois principes sont la biomimétique (imitant les modèles, les systèmes et les éléments de la nature afin de résoudre des problèmes humains complexes) et les matériaux et surfaces autolubrifiants, les lubrifiants biodégradables et respectueux de l’environnement et les sources d’énergie renouvelables et / ou durables.
Plus précisément, la tribologie verte vise à minimiser les frottements, à minimiser l’usure, à réduire et / ou à éliminer la lubrification, à créer une lubrification naturelle, à maintenir les principes d’ingénierie et de chimie écologiques et à surveiller en temps réel les systèmes de tribologie.
La tribologie verte est un concept assez nouveau; cependant, elle joue déjà un rôle important pour garantir que tous les systèmes industriels sont capables de fonctionner de manière respectueuse de l’environnement. De plus, les chercheurs étudient des méthodes pour intégrer la tribologie verte et développer des systèmes totalement durables en termes de conception technique et de production d’énergie.
Lubrification
Pour contrôler le frottement et l’usure, des lubrifiants sont utilisés. Les lubrifiants séparent les surfaces frottantes du contact direct en créant un film lubrifiant. Le film protège les surfaces de l’usure et le lubrifiant est choisi pour contrôler (principalement réduire) les frottements. Le lubrifiant peut être sous une forme liquide, gazeuse, solide ou même une combinaison d’entre eux comme dans le cas des émulsions et des graisses.
Souvent, les lubrifiants sont des huiles liquides et ils génèrent une couche de lubrifiant très fine pour séparer les surfaces frottantes. Cette couche est partagée plus facilement que les solides et, par conséquent, les frottements et, dans de nombreux cas, l’usure sont réduits. La théorie classique de la lubrification (élasto-)hydrodynamique peut être utilisée efficacement pour prédire l’épaisseur du film, mais aussi les frottements générés par le lubrifiant et pour concevoir des composants mécaniques. Pour la plupart des matériaux et conditions techniques courants, le frottement de la couche est inférieur au frottement entre les solides. En plus de séparer les surfaces, les lubrifiants liquides réduisent également l’élévation de température, nettoient les surfaces, éliminent les débris d’usure et régénèrent les films protecteurs. Il convient cependant de noter que la théorie classique de la lubrification de la réduction du frottement a atteint sa limite fondamentale (le frottement de 0,01 à 0,04) et ne peut aider à réduire davantage le frottement. Par conséquent, d’autres théories doivent être développées.
Superlubrité
L’inconvénient majeur de l’approche classique de lubrification pour réduire les frottements et l’usure est le recours au développement d’un film lubrifiant suffisamment épais pour séparer les surfaces du contact direct. Malheureusement, l’épaisseur du film est largement déterminée par la viscosité du lubrifiant. Pour séparer deux surfaces rugueuses microscopiquement du contact, un film lubrifiant plus épais que le niveau de rugosité est nécessaire, de sorte que la viscosité doit être suffisamment élevée. Une viscosité plus élevée signifie qu’une force de frottement plus élevée est développée par le lubrifiant sur les surfaces des solides et entraîne des pertes d’énergie plus élevées. Comme il a été mentionné ci-dessus, cela apporte la limite fondamentale à l’application de l’approche de lubrification hydrodynamique.
La superlubrité est un terme récemment inventé en tribologie, qui est généralement défini comme l’état auquel le coefficient de frottement est faible. La définition de « faible » n’est pas tout à fait claire, mais on peut supposer qu’elle est inférieure à 0,01-0,001. En raison de la généralité de la définition, les mécanismes de la superlubricité peuvent être de nature diverse. À l’échelle nanométrique, la superlubricité structurelle peut se produire, si les réseaux cristallins des corps en contact sont incommensurables. La formation de nano roulements peut également conduire à l’état de superlubricité en changeant le frottement du glissement au roulement. Des frottements très faibles ont été signalés dans les paires d’acier lubrifiées au mélange glycérol / eau en raison de la génération d’une couche liée à l’hydrogène facilement partageable. Les forces répulsives de Van der Waals se sont révélées capables de conduire à un état de superlubricité entre une pointe AFM en or et un substrat en téflon. La réalisation des états superlubriques mentionnés nécessite typiquement des conditions très particulières, telles que le vide, ou des matériaux, tels que le graphène, le carbone diamanté, etc. Par conséquent, la traduction de l’état superlubrique en environnement macroscopique et ordinaire est un défi.