Soutenance de thèse : Cloé CHANAL

Étude expérimentale et compréhension des mécanismes d'usure douce d'élastomères renforcés modèles

Doctorante: Cloé CHANAL

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)
École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

La thèse s'inscrit dans le contexte du projet ANR WEEL (mechanisms of abrasion WEar of ELastomers) qui vise à enrichir la compréhension fondamentale des mécanismes d'usure par abrasion des élastomères renforcés. L'objectif est d'identifier des mécanismes physiques et/ou physico­ chimiques en vue d'une amélioration future de la prédiction de la durabilité de ces matériaux. L'application cible est celle des bandes de roulement des pneumatiques, dont les débris d'usure sont retrouvés en quantité non négligeable dans l'environnement. L'usure des élastomères renforcés a été largement étudiée dans le passé. Toutefois, des approches principalement phénoménologiques ont été privilégiées. De plus, aucun consensus n'a encore été établi concernant la transposabilité des essais d'usure en laboratoire ou l'élaboration d'une loi universelle. Dans cette partie du projet WEEL, essentiellement expérimentale, différentes formulations représentatives des bandes de roulement de pneumatiques de véhicules légers ont été testées. Les matériaux sont composés d'une matrice SBR/BR, renforcés par des nanoparticules ou agrégats (appelés charges) de silice ou de noir de carbone. Ils sont réticulés au soufre et contiennent divers additifs. Plusieurs paramètres ont été analysés, tels que la nature de la matrice (grade de SBR et présence ou non d'huile), les charges (type de charge, surface spécifique et taux de charge), ou encore le taux de soufre. Les matériaux ont été mis en oeuvre, puis caractérisés à l'aide de différentes techniques optiques, physiques et mécaniques. Les tests d'usure ont été réalisés à l'aide du tribomètre LORRY, développé lors d'un précédent projet européen. Les conditions cinématiques appliquées au niveau du contact sont contrôlées avec précision, permettant la simulation des phases de glissement dynamique locales d'un pneu réel dans des conditions d'usure douce (ligne droite, vitesse constante). Une grande longueur glissée est alors accumulée en peu de temps et le taux d'usure, défini comme la perte de masse par énergie de frottement accumulée, est utilisé pour quantifier et comparer l'usure des matériaux. Des analyses post-usure ont été effectuées afin de mieux comprendre les mécanismes impliqués pour les différentes formulations et conditions d'essai. Les faciès d'usure sont caractérisés à différentes échelles d'un point de vue topographique et chimique. La comparaison des matériaux, de leur taux d'usure et leurs modes d'usure a permis de clarifier les phénomènes en jeu et d'identifier les propriétés ayant un impact direct sur l'usure. Il a, par exemple, été montré que l'usure est fortement influencée par les propriétés mécaniques à faible niveau de déformation (notamment le module élastique). Il s'ensuit que le paramètre matériau dont l'impact est prédominant est la fraction de charge. Il semble qu'un seuil de renfort existe en deçà duquel une accélération importante de l'usure est observée. À iso-propriétés mécaniques à faible déformation, l'usure semble principalement gouvernée par les propriétés mécaniques à grande déformation, telle que l'énergie à la rupture. Une relation empirique a ainsi été proposée afin d'estimer l'usure d'un matériau en fonction de son module à faible déformation et de son énergie à la rupture. L'analyse chimique par XPS (spectroscopie photoélectronique à rayons X) des surfaces usées et des débris d'usure a permis de mettre en évidence, directement, le phénomène d'oxydation du soufre en lien avec l'usure. L'hypothèse formulée est celle de la rupture des ponts de soufre, générant des radicaux libres en surface, lesquels réagissent ensuite avec l'oxygène présent dans l'air.