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Thèse CIFRE - PhD - Simulation de la croissance de l’interphase dendritique métal / élastomère utilisée dans les pneumatiques (F/H)

Contexte de l’étude:
Les transitions de phases sont des phénomènes naturels qui peuvent conduire spontanément à la formation de structures et de morphologies complexes. On peut citer par exemple le mécanisme de décomposition spinodale, pour lequel un mélange de deux corps peut produire en se séparant des domaines imbriqués (image de gauche). Un autre exemple est la formation spontanée de forêts de dendrites au cours de la solidification d’un matériau cristallin (image de droite).

Ces processus naturels peuvent être mis à profit industriellement pour fabriquer des nanostructures (décompositions spinodales) ou bien pour coller du caoutchouc sur du métal (dendrites). Maîtriser la formation de ces structures est donc un enjeu à la fois fondamental et appliqué dans lequel s’inscrit cette thèse en partenariat avec Michelin.

La part de la consommation énergétique des véhicules associée au fonctionnement du pneumatique peut atteindre 30%. Aussi, pour répondre aux enjeux environnementaux, les ingénieurs cherchent à alléger les pneumatiques pour réduire à la fois la consommation de carburant (_via_ la diminution de la résistance au roulement) et de matières premières.

Un pneumatique est un objet complexe constitué d’un empilement de nappes composites parmi lesquelles les Nappes de Sommet de Travail (NST) ; _i.e._ : matrice élastomère peu rigide (caoutchouc) renforcée par des câbles métalliques revêtus de laiton. Au cours de la cuisson du pneumatique, une phase dendritique se forme entre le caoutchouc et le laiton, garante de la propriété adhésive du composite et assurant ainsi la transmission des efforts au cours de l’usage du pneumatique entre le caoutchouc et le renfort. De nombreux auteurs ont mis en évidence l’importance de l’interphase dans le comportement mécanique du composite et notamment de sa résistance transversale.

En service, des espèces telle que l’eau et le dioxygène peuvent migrer au travers du caoutchouc. Elles contribuent à l’oxydation du laiton et _in fine_ aux évolutions de l’interphase et de sa performance adhésive.

Au cours des dernières années, l’allègement des pneumatiques se traduit au niveau des NST par la réduction du diamètre des câbles et des épaisseurs du caoutchouc visco-élastique (diminution de la dissipation d’énergie et _in fine_ de la résistance au roulement). Aujourd’hui, réduire davantage les épaisseurs des NST à iso-matériaux sensibiliserait directement les renforts métalliques à l’oxydation et se traduirait donc par un risque sur la pérennité de l’interphase. Or, l’obtention d’une performance adhésive insuffisante peut avoir des conséquences dramatiques.

L’industrie cherche donc à introduire de nouveaux matériaux (charge silice, revêtement limitant l’oxydation du câble, etc.) pour jouer sur la morphologie et l’épaisseur de l’interphase, paramètres connus pour piloter ses propriétés adhésives. Toutefois, le lien entre les propriétés matériaux (composition du revêtement, caractéristiques chimiques de l’élastomère, etc.), la topographie de l’interphase et les performances adhésives initiales et au cours de l’usage du pneumatique restent encore mal compris. Le manque de connaissances sur ce chainage constitue une butée au développement rapide et à la mise sur le marché de matériaux innovants permettant d’accroitre encore les avancées environnementales. Pour pallier ces incertitudes, un surdimensionnement est aujourd’hui mis en œuvre. Ceci engendre une surconsommation de matières premières, un surcoût couplé à une pollution sous-jacente, éléments incompatibles avec les enjeux environnementaux du XXIème siècle.

Partant de ce constat, l’ambition de MICHELIN à long terme est de pouvoir dimensionner au plus juste ses interphases pour permettre une adhésion suffisante à l’état initial et en usage.

Ceci nécessite de comprendre et de maîtriser la morphologie de l’interphase initiale et de son évolution en service qui conditionnent ses propriétés d’usage et notamment sa tenue adhésive.

Objectifs de la thèse:
L’objectif de l’étude est de modéliser par champs de phase la croissance des dendrites entre une surface de laiton et un mélange élastomère à l’initial et son évolution en usage. Cet outil devra permettre de prédire les caractéristiques physiques de l’interphase (morphologie de l’interphase en termes de formes et de tailles des dendrites) en fonction de ses conditions d’élaboration (composition chimique de l’élastomère et du revêtement, durée et température de cuisson).

Les modèles de champ de phase ont été introduits dans le domaine de la métallurgie pour traiter simplement et avec un effort de modélisation numérique modeste le prob