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Doctorant en design de métainterfaces à frottement et adhésion pilotées (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
- Français-- Anglais

Date Limite Candidature : mercredi 20 mars 2024

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Informations générales

Intitulé de l'offre : Doctorant en design de métainterfaces à frottement et adhésion pilotées (H/F)
Référence : UMR5513-JULSCH-004
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : ECULLY
Date de publication : mardi 30 janvier 2024
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 avril 2024
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : La rémunération est de 2135,00 € bruts mensuel
Section(s) CN : Ingénierie des matériaux et des structures, mécanique des solides, biomécanique, acoustique

Description du sujet de thèse

Mes baskets dérapent sur le sol du gymnase ! Je ne parviens pas à ouvrir mon pot de confiture ! Autant d’actions quotidiennes qui deviennent difficiles quand le niveau de frottement est inadapté.

Au-delà de ces petits désagréments, tout système où le frottement mal optimisé génère du gaspillage énergétique, des dysfonctionnements, et une usure prématurée des pièces en contact. Les coûts associés à ces inconvénients se chiffrent à plusieurs pourcents du PIB mondial ! C’est pourquoi devenir capables de créer des contacts solides avec un niveau de frottement sur demande est considéré comme un graal en tribologie, la science des interfaces de contact [1].

L’objectif de cette thèse est précisément de concevoir et réaliser des interfaces de contact dont la réponse en frottement, entre autres propriétés, répond de façon optimale à un cahier des charges préalable.

Il existe actuellement deux types de solutions pour piloter le frottement entre deux solides. D’abord, le frottement étant réputé être une caractéristique d’un couple de matériaux, on cherche à sélectionner le couple idéal pour une application donnée. Cependant, les matériaux les plus adaptés pour leurs propriétés tribologiques ne le sont pas nécessairement quant à leurs autres propriétés, thermiques ou électriques par exemple. Ensuite, on peut ajouter une texture, c’est-à-dire une micro-rugosité, à la surface des solides, pour modifier le comportement frottant de l’interface. Cependant, le lien entre les propriétés de la texture et son effet sur le frottement reste très mal compris, ce qui implique souvent une phase préalable, longue et coûteuse, d’identification expérimentale de la texture adaptée.

C’est précisément ce dernier verrou scientifique qui vient d’être levé au LTDS. Nous avons mis au point une méthode permettant de réaliser, du premier coup, une interface ayant un coefficient de frottement défini dans un cahier des charges préalable [2]. Pour atteindre cet objectif, notre astuce a été de simplifier à l’extrême la rugosité de surface, qui se résume à un réseau de petites aspérités sphériques. Dans ces conditions, la réponse tribologique de l’interface devient facile à modéliser. Ce modèle peut alors être utilisé pour déterminer quelle est la hauteur que doit avoir chacune de ces aspérités pour conférer à l’interface le comportement de frottement souhaité.

Nous avons validé expérimentalement cette méthode de design, sur l’exemple du contact entre du verre et un élastomère. Nous avons non seulement pu obtenir différents coefficients de frottement visés, sans rien changer aux matériaux en contact, mais aussi obtenir des contacts présentant deux coefficients de frottement différents selon le niveau de compression exercé sur les solides. Ce type de comportement n’existe pas dans la nature. C’est pourquoi ces interfaces sur-mesure sont qualifiées de méta-interfaces, en référence au domaine plus large des méta-matériaux [3].

L’ambition de cette thèse expérimentale est de repousser les limites actuelles de ces méta-interfaces, avec trois objectifs :
- premièrement, il s’agira d’élargir fortement le domaine des lois de comportement accessibles, en diversifiant les formes des aspérités. La méthode de design sera étendue à des aspérités ellipsoïdales, ayant des excentricités et des orientations choisies en fonction de la réponse tribologique souhaitée. Cette augmentation significative du nombre de degrés de liberté pour le design sera accompagné par le développement de méthodes d’optimisation avancées dans un laboratoire partenaire.
- deuxièmement, il s’agira de s’attaquer à des cahiers des charges multi-objectifs, par exemple en optimisant simultanément le frottement et l’adhésion d’une même interface. Là encore, des méthodes d’optimisation spécifiques seront un outil précieux.
- troisièmement, il s’agira de miniaturiser les aspérités, de façon à se rapprocher des tailles dont les industriels rêvent pour leurs applications. Pour cela, nous nous appuierons sur une plateforme partenaire spécialisée dans la texturation de surface par laser femtoseconde.

De façon très opérationnelle, pour atteindre ces objectifs, le candidat ou la candidate devra d’abord se les approprier par une phase de bibliographie approfondie. Il s’agira ensuite de prendre en main et continuer le développement (i) des processus de préparation de surfaces, (ii) des outils expérimentaux de caractérisation mécanique des interfaces tribologiques (frottement, aire de contact, adhésion, raideurs,…) et (iii) des analyses des données expérimentales, dont de l’analyse d’images. Le candidat ou la candidate devra également être en mesure d’utiliser des outils numériques d’optimisation, développés par nos partenaires.

On le voit, cette thèse se caractérise par des aspects expérimentaux avancés, une interaction avec des partenaires numériques et technologiques, des défis scientifiques fondamentaux mais aussi des perspectives appliquées claires.

Au-delà du manuscrit de thèse et de la soutenance finale, les livrables de ce projet seront des articles scientifiques, des brevets éventuels, et des présentations lors de conférences.

Références :
[1] A. Vakis, V. Tastrebov, J. Scheibert, et al. Modeling and simulation in tribology across scales: An overview. Tribology International 125, 169 (2018)
[2] A. Aymard, E. Delplanque, D. Dalmas, J. Scheibert. Designing metainterfaces with specified friction laws. Science (sous presse)
[3] M. Kadic, T. Bückmann, R. Schittny, M. Wegener, Metamaterials beyond electromagnetism. Reports on Progress in Physics 76, 126501 (2013)

Contexte de travail

La thèse sera rattachée à l’Ecole Doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civile et Acoustique (MEGA). Le travail se déroulera essentiellement au sein du Laboratoire de Tribologie et Dynamique (LTDS), sur le campus de l’Ecole Centrale de Lyon (ECL), à proximité de Lyon. Des déplacements ponctuels chez nos partenaires et pour des conférences sont à prévoir.

Le doctorant ou la doctorante aura à sa disposition l’ensemble des outils partagés de préparation et caractérisation de surfaces et d’interfaces du LTDS. Il ou elle aura en outre un accès privilégié à une salle de préparation d’échantillons élastomères, et surtout à un tribomètre de classe mondiale, développé au laboratoire. Ce tribomètre permet de stimuler et mesurer la réponse mécanique d’une interface selon 5 degrés de liberté, tout en observant in situ l’évolution des zones de contact réel entre les deux solides.

Ce travail de thèse fait partie d’un projet plus large (projet DESTRIER), financé par l’Institut Carnot Ingénierie@Lyon. Au-delà du LTDS, il implique :
- le laboratoire LAMCOS, de l’INSA-Lyon, où un postdoc d’un an travaillera à développer les outils numériques d’optimisation qui seront in fine utilisés pour la thèse
- la plateforme de texturation laser MANUTECH-USD, située à Saint-Etienne, où les textures miniaturisées seront réalisées

Le candidat ou la candidate s’intégrera dans un groupe de recherche comprenant d’autres doctorants travaillant sur des sujets connexes et s’appuyant sur les mêmes outils expérimentaux. Il ou elle interagira, autant que nécessaire, avec trois chercheurs et un ingénieur. Il ou elle sera aussi amené à discuter avec des industriels intéressés par le suivi de nos innovations.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Les contraintes et risques seront essentiellement liés aux expériences. Le candidat devra respecter les règles de sécurité générales du laboratoire, et les règles spécifiques à l’utilisation des équipements expérimentaux nécessaires à son travail. Ces outils ne seront accessibles qu’après une formation adaptée.

A noter que les mesures mécaniques se dérouleront en salle blanche, pour éviter la contamination des échantillons par des poussières. Le travail en salle blanche nécessite des équipements spécifiques (charlotte, blouse, masque, gants, sur-chausses,…).

Il faut aussi prendre en compte les risques associés au travail sur poste informatique.

Informations complémentaires

Le candidat devra être titulaire d’un master en physique expérimentale ou mécanique expérimentale et/ou d’un diplôme d’ingénieur. Le poste nécessite de solides connaissances en mécanique des solides et des matériaux, en particulier des matériaux mous.

Les compétences spécifiques suivantes ne sont pas exigées mais seront un plus :
- Expérience pratique avec les élastomères (matériau de choix pour les surfaces texturées prévues)
- Expérience pratique de micro-usinage
- Expérience pratique en analyse d’images
- Expérience pratique d’outils numériques en mécanique (idéalement Abaqus)
- Capacité à développer ou modifier un dispositif expérimental

La bonne maîtrise d’au moins un langage de programmation (idéalement Matlab) est nécessaire.

Une bonne maîtrise de l’anglais est nécessaire. Une expérience d’au moins 3 mois dans un pays non-francophone est vivement souhaitable.
Le candidat devra démontrer d’excellentes qualités rédactionnelles.
Il devra aussi avoir démontré (stages par exemple) sa capacité à conduire un projet scientifique.
Il devra être capable de travailler dans une équipe pluridisciplinaire et internationale.
Une grande autonomie, une capacité organisationnelle avérée et une bonne capacité à rendre compte sont attendues.
Le candidat devra montrer un haut niveau d’esprit critique, d’aisance dans l’argumentation scientifique et de capacité de prise d’initiative.
La candidature devra inclure :
- un CV détaillé
- si possible deux références (personnes susceptibles d’être contactées)
- une lettre de motivation d’une page (qui ne soit pas une redite du CV)
- un résumé d’une page du mémoire de master ou travail de fin d’étude
- les notes de Master 1 et 2 ou d’école d’ingénieur.