Bilan d'énergie et lien avec les mécanismes tribologique d'une interface en frottement sec // Energy balance and link with the tribological mechanisms of a dry friction interface

Parmi les défis environnementaux actuels, la qualité de l'air représente un enjeu majeur de santé publique. La pollution atmosphérique est aujourd'hui reconnue comme l'un des principaux facteurs de risque environnementaux, contribuant à des pathologies respiratoires, cardiovasculaires, et même à certaines formes de cancers. Dans ce contexte et notamment dans le domaine des transports, l'attention s'est longtemps portée sur les émissions issues de la combustion. Cependant, une part non négligeable de la pollution particulaire provient de sources non liées à la combustion, parmi lesquelles les contacts frottants jouent un rôle clé. La compréhension des mécanismes de génération des particules issus de ces contacts, leur caractérisation (taille, composition chimique, morphologie) constituent aujourd'hui des axes de recherche majeurs.
Le circuit tribologique permet de décrire les débits de matière à l'interface. Le débit source alimente le contact en particules, tandis que les débits interne et de recirculation traduisent la capacité du système à retenir ces particules au sein du contact. Enfin, le débit d'usure correspond aux particules qui quittent définitivement l'interface, contribuant ainsi, en partie, aux émissions de particules dans l'environnement. Ce circuit tribologique donne lieu à la formation d'une couche interstitielle granulaire, appelée « troisième corps », entre les deux solides en contact, dits « premiers corps ». Constituée de matière issue de la dégradation des premiers corps, cette couche as-sure la séparation des surfaces, la transmission des charges et l'accommodation de la vitesse de glissement, par l'activation de mécanismes tribologiques locaux. Ces mécanismes contrôlent le comportement de l'interface, en particulier le frottement, l'usure, la dissipation de l'énergie et les émissions de particules. Bien que ces interfaces soient essentielles au fonctionnement de nombreux systèmes, leur caractérisation quantitative demeure limitée du fait de leur fort confinement et de leur évolution permanente.
Cette thèse a pour objectif de quantifier la distribution locale des échanges énergétiques à partir d'une instrumentation thermique en proche surface et de la lier aux mécanismes tribologiques, pouvant intervenir à différentes échelles. L'étude s'appuie sur un dispositif tribologique fortement instrumenté, déjà existant, mettant en œuvre des matériaux des premiers corps et interfaces adaptés. Les données de l'instrumentation multi-modale (thermique, mécanique, vibratoires, observations optiques et thermiques) seront exploitées pour identifier les sites de dissipation et les débits de matière en lien avec les mouvements des premiers corps. Des simulations numériques viendront compléter cette approche expérimentale en établissant un bilan énergétique intégrant des modèles de génération de flux et de débits matière, susceptibles de varier selon les mécanismes tribologiques mis en jeu, qui nécessiteront d'être identifiés.
Ces travaux contribueront à une meilleure compréhension des phénomènes d'usure, de frottement et d'émission de particules au sein des interfaces, avec des retombées directes pour les applications dans le domaine des transports (freinage, interaction rotor/stator…)
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Among current environmental challenges, air quality represents a major public health issue. Air pollution is now recognized as one of the main environmental risk factors, contributing to respiratory and cardiovascular diseases, as well as to certain forms of cancer. In this context—particularly in the field of transportation—attention has long focused on emissions from combustion processes. However, a significant portion of particulate pollution originates from non-combustion sources, among which frictional contacts play a key role. Understanding the mechanisms of particle generation from these contacts, as well as their characterization (size, chemical composition, morphology), has therefore become a major research focus.

The tribological circuit makes it possible to describe material flows at the interface. The source flow supplies the contact with particles, while the internal and recirculation flows reflect the system's ability to retain these particles within the contact. Finally, the wear flow corresponds to particles that permanently leave the interface, thereby contributing, in part, to particulate emissions into the environment. This tribological circuit leads to the formation of a granular interfacial layer, referred to as the “third body,” between the two contacting solids, known as the “first bodies.” Composed of material resulting from the degradation of the first bodies, this layer ensures surface separation, load transmission, and accommodation of sliding velocity through the activation of local tribological mechanisms. These mechanisms govern the behavior of the interface, particularly friction, wear, energy dissipation, and particle emissions. Although these interfaces are essential for the operation of many systems, their quantitative characterization remains limited due to their strong confinement and continuous evolution.
This thesis aims to quantify the local distribution of energy exchanges using near-surface thermal instrumentation and to link it to tribological mechanisms that may occur at different scales. The study is based on a highly instrumented tribological setup, involving appropriate first-body materials and interface configurations. Data from multimodal instrumentation (thermal, mechanical, vibrational, as well as optical and thermal observations) will be used to identify dissipation sites and material flow rates associated with the motion of the first bodies.

Numerical simulations will complement this experimental approach by establishing an energy balance that incorporates models of flux generation and material flow, which may vary depending on the tribological mechanisms involved and will need to be identified.

This work will contribute to a better understanding of wear, friction, and particle emission phenomena at interfaces, with direct applications in the field of transportation (braking, rotor/stator interactions, etc.).
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : http://www.lamcube.univ-lille.fr

Enseignement supérieur

Université de Lille

632 ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Traitement de données expérimentales multimodales sous Python Modélisation numérique (Éléments Finis et/ou Éléments Discrets) Connaissances nécessaires en tribologie et en mécanique générale Capacité à travailler en équipe
Processing of multimodal experimental data in Python Numerical modeling (Finite Element and/or Discrete Element methods) Required knowledge in tribology and in mechanics Ability to work in a team