Adhesion

Adhésion

En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lorsque l’on met en contact intime deux matériaux, dans le but de créer une résistance mécanique à la séparation. Une fois le contact établi, l'énergie nécessaire pour réaliser la séparation s'appelle énergie d'adhésion. Elle ne doit pas être confondue avec l'adhérence, qui est au contraire la force nécessaire. L'adhésion est soit directe, soit médiée par un matériau intermédiaire.

Sommaire

Adhésion directe

Article détaillé : Mécanisme d'adhésion directe.

L'adhésion directe entre matériaux est rare. Elle a lieu uniquement pour des matériaux très lisses et extrêmement propres (mica ou silicium par exemple), que l'on parvient à mettre en contact intime, c'est-à-dire à des distances de l'ordre de la taille atomique (nanomètre). Elle est donc souvent impossible si les surfaces sont rugueuses. L'adhésion directe est liée principalement, mais pas uniquement, aux interactions de van der Waals.

Exemples d'adhésion directe : adhésion moléculaire du mica ou du silicium, adhésion du lézard gecko, fabrication des pneus de voitures.

Adhésion indirecte

L'adhésion avec un matériau intercalaire est, de loin, plus fréquente que l'adhésion directe : un matériau mince assure le lien mécanique entre les deux matériaux qui adhèrent. Le matériau intercalaire permet notamment de vaincre l'effet néfaste de la rugosité sur l'adhésion.

Capillarité

Article détaillé : Adhésion capillaire.

La présence d'un peu de liquide entre deux corps permet une faible adhésion, appelée adhésion capillaire. Le principe de l'adhésion capillaire est que la pression dans le liquide est inférieure à la pression atmosphérique : le bilan des forces correspond alors à une attraction. L'adhésion capillaire résiste à la séparation mais pas au glissement, et son intensité dépend de la viscosité du liquide.

Exemples : cohésion des grains de sable, adhésion de certains insectes (fourmi, araignée, doryphore).

Colles et adhésifs

La stratégie artificielle la plus courante d'assemblage de deux matériaux par leur surface utilise une colle ou un adhésif. Dans les deux cas, un matériau intercalaire assure un contact intime avec la surface de chacun des deux matériaux. Les colles sont caractérisées par le fait qu'elle se solidifient après application, tandis que les adhésifs sont des matériaux solides mous, et n'évoluent pas une fois appliqués.

Test et rupture de l'adhésion

L'intérêt principal de l'adhésion est de générer une résistance à la rupture. Toute la question est donc de savoir par quels mécanismes et avec quelle efficacité un joint adhésif résiste à la rupture, quel que soit le type de sollicitation subie.

Les tests d'adhésion

On distingue un certain nombres de tests classiques qui permettent de propager artificiellement une rupture dans un matériau pour mesurer sa résistance.

Exemples de tests d'adhésion :

  • JKR : mesure de l'adhésion entre une sphére, constituée d'un matériau mou, et un substrat plan.
  • Tack : le tack est un test qui consiste à coincer un adhésif mou entre deux pistons pour regarder à quelle force il résiste et quelle énergie est dissipée pendant le décollage.
  • Le pelage et le clivage sont des tests mécaniques utilisant différentes géométries pour séparer deux surfaces qui adhèrent.

Lien avec la mécanique de la fracture

La région qui est à l'origine de l'adhésion est en général beaucoup plus mince que les deux objets qui adhèrent. Vu de loin, le phénomène de séparation des deux objets apparaît donc comme une fracture et étudié avec les outils correspondants, qui constituent un domaine à part entière : la mécanique de la fracture.

En particulier, le critère de décollement de deux objets ne met pas en jeu simplement la contrainte appliquée, mais aussi l'énergie dissipée lors de la propagation du décollement. Une illustration de l'importance de l'énergie est la chute d'un câble dans une mine.

Mécanismes de résistance à la rupture

La résistance à la rupture de l'adhésion entre deux objets provient de deux composantes, toutes deux nécessaires pour une bonne adhésion.Ces deux composantes sont: La résistance de l'interface et la résistance du matériau mince.

La résistance de l'interface

L'interface doit résister à la tentative de séparation, que ce soit l'interface entre les deux objets (cas de l'adhésion directe), ou bien l'interface entre chaque objet et le matériau intercalaire (cas de l'adhésion indirecte). Les mécanismes à l'oeuvre dans ce cas sont ceux de l'adhésion directe.

La résistance du matériau mince

Dans le cas de l'adhésion indirecte, le matériau intercalaire doit également résister à la rupture. La résistance initiale provient de la minceur du matériau. Plus généralement, l'origine de la résistance dépend du matériau intercalaire.

Rupture adhésive et cohésive

Schéma d'un rupture adhésive (à la surface).
Schéma d'un rupture cohésive (au sein de l'adhésif).

Une fracture entre deux matériaux assemblés de manière indirecte peut se propager de deux manières : soit à l'intérieur du joint (adhésif ou colle) (il s'agit alors d'une rupture cohésive), soit à la surface (rupture adhésive). En ce qui concerne l'adhésion directe, la rupture est nécessairement adhésive.

Une rupture cohésive indique que l'interface s'est comportée de manière plus forte que le coeur du matériau adhésif ou de la colle. Inversement, pour une rupture adhésive, l'interface a été plus faible.

Résistance optimale à la rupture

L'efficacité de l'adhésion se mesure en général davantage par l'énergie dissipée lors de la séparation que par le mode exact de rupture (adhésive ou cohésive). Il est fréquent, néanmoins, que le maximum d'énergie dissipée se situe dans le régime cohésif (pour lequel des mécanismes de dissipation se développent au sein du matériau), à proximité immédiate du régime adhésif. Généralement, dans le régime adhésif, la dissipation à l'interface est comparativement plus faible, et les déformations au sein du matériau sont modérées et ne déclenchent pas de mécanismes dissipatifs efficaces.

Notes et références


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