Thèse Cifre Michelin

Thèse CIFRE Michelin / ESPCI - Etude de la rupture des liaisons chimiques pendant l'usure par frottement des pneumatiques (F/H)

Contexte:
Associée à des enjeux environnementaux, de sécurité et économiques majeurs, l'usure des pneus est un défi crucial pour l'industrie des transports et de l'automobile. Comprendre les processus à l'origine de l'usure des pneus semble être la première étape vers l'atténuation de ce phénomène néfaste qui pourrait devenir encore plus prégnant avec le développement et l'utilisation en cours de véhicules électriques plus lourds.

Étonnamment, notre compréhension fondamentale des mécanismes par lesquels les matériaux élastomères s'usent progressivement par friction douce avec la route reste médiocre. Cette lacune de connaissance est due à notre incapacité actuelle à accéder aux interactions complexes entre l'accumulation de dommages moléculaires et les processus d'érosion en jeu à l'interface ou proche de l'interface de friction pneu/route. La caractérisation expérimentale actuelle de l'usure par friction est en effet principalement limitée à des approches descriptives et macroscopiques, telles que la description visuelle du profil de surface usé ou les mesures de perte de poids.

Au cours des dernières années, l'équipe du SIMM, ESPCI a développé des approches mécano-chimiques originales pour cartographier quantitativement les dommages moléculaires survenant par rupture de liaison dans les élastomères souples [1-2]. Notre stratégie repose sur l'incorporation d'une molécule mécanophore dans le réseau élastomère, qui devient fluorescente lorsqu'une liaison spécifique se rompt, permettant une quantification spatiale robuste, fiable et directe des dommages de chaîne autrement indétectables dans le matériau.

Objectif:
En nous appuyant sur cet état de l'art des approches mécano-chimiques de pointe, nous visons, à travers ce doctorat, à révéler les mécanismes physiques microscopiques clés en jeu lors de l'usure des élastomères par friction. Nous nous concentrerons en particulier sur le régime dit d'usure par fatigue, où des contacts frictionnels répétés mais légers d'un indenteur rugueux sur l'élastomère entraînent une accumulation de dommages sous la surface et, en fin de compte, une perte de matière [3-4]. Ces études seront effectuées sur des matériaux nanocomposites composés d'une matrice en caoutchouc styrène butadiène renforcée de particules de silice, qui représentent un bon système modèle pour les élastomères d'ingénierie et pour lesquels nous avons récemment pu étendre nos approches mécano-chimiques. Nous combinerons des mesures macroscopiques de perte de masse suite à des cycles de friction répétés avec une quantification microscopique de l'activation du mécanophore et des dommages moléculaires sous la surface à l'aide de la microscopie confocale. Nous sonderons en particulier le rôle du contact frictionnel - associé au nombre de cycles, à la charge, à la rugosité de l'indenteur, à la température, à la vitesse ou à l'ajout d'un troisième corps inorganique... - sur l'usure macroscopique et sur l'extension des dommages microscopiques dans le matériau. Ces mesures de dommages moléculaires suite à un chargement frictionnel complexe seront mises en perspective avec des tests de fatigue cyclique plus simples à différents taux, températures et nombres de cycles, permettant une détermination précise d'une loi d'accumulation des dommages pour le matériau.

En révélant des processus de dommages de chaîne auparavant invisibles, notre approche révélera une nouvelle image moléculaire de l'usure par friction des élastomères et nous permettra de proposer un scénario quantitatif pour l'usure par friction, couplant le contact frictionnel complexe avec des lois d'accumulation de dommages moléculaires et des processus d'érosion des matériaux. En fin de compte, nous espérons que les perspectives prédictives acquises par cette étude stimuleront le développement de matériaux de pneus plus sûrs et plus écologiques pour un avenir des transports plus durable.
- Ce doctorat est une bourse CIFRE financée par l'industrie en partenariat ESPCI / Michelin. La majeure partie du travail de doctorat sera effectuée dans le laboratoire SIMM, ESPCI, Paris, mais des interactions régulières avec le partenaire industriel auront lieu ainsi que des visites et des expériences de courte durée sur site à Ladoux, Clermont-Ferrand. Nous recherchons un étudiant, fortement motivé par ce projet de doctorat hautement interdisciplinaire, couplant chimie des matériaux, physique de la matière molle, mécanique et optique._

Bibliographie

[1] Slootman, J., Yeh, C. J., Millereau, P., Comtet, J., & Creton, C. (2022). A molecular interpretation of the toughness of multiple network elastomers at high temperature. _Proceedings of the National Academy of Sciences_, _119_(13), e2116127119.