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Introduction
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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) nécessaire pour réaliser la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) s'appelle énergie d'adhésion. Elle ne doit pas être confondue avec l'adhérence, qui est au contraire la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) nécessaire. L'adhésion est soit directe, soit médiée par un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) intermédiaire.
Adhésion directe
L'adhésion directe entre matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) est rare. Elle a lieu uniquement pour des matériaux très lisses et extrêmement propres (mica ou silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) 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 (Les lézards sont des petits reptiles de l'ordre des Squamates. Ils partagent le fait d'avoir quatre pattes, des oreilles à tympan apparent sans conduit auditif externe, le...) gecko, fabrication des pneus de voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de...).
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 décollage est la phase transitoire pendant laquelle un aéronef passe de l'état statique - au sol - vers le vol.).
- Le pelage et le clivage sont des tests mécaniques utilisant différentes géométries pour séparer deux surfaces qui adhèrent.
Lien avec la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...) de la fracture (En traumatologie, le terme de fracture désigne par définition une solution de continuité osseuse ("rupture" des os).)
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 (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par...) 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 (La minceur est l'état d'une personne présentant une corpulence considérée comme normale ou moyenne dans une société donnée. Elle...) du matériau. Plus généralement, l'origine de la résistance dépend du matériau intercalaire.
- Dans le cas de l'adhésion capillaire : pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) capillaire (pour le seuil) et viscosité (pour la dissipation).
- Dans le cas des adhésifs : cavitation (La cavitation décrit la naissance et l'oscillation radiale de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Si cette dépression est suffisamment élevée, la...) (pour le seuil) et rhéologie (pour la dissipation).
Rupture adhésive et cohésive
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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) (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 (Une colle ou la glu est un produit de nature liquide ou gélatineuse servant à lier des pièces entre elles. Ces pièces peuvent être de même nature ou de différents matériaux.). 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.