Utilisation de mécanophores pour détecter l’endommagement lors de l’usure par frottement d’élastomères

L’usure des pneumatiques représente un enjeu économique, environnemental et de sécurité routière pour les fabricants. Pour pallier ces problèmes, il paraît donc essentiel de parvenir à une meilleure compréhension des processus qui amènent à leur usure. Dans des conditions normales de roulement, l’usure par fatigue résulte de cycles de contrainte continus provenant du glissement des aspérités d’une surface rugueuse (la route) sur la surface de l’élastomère composant la bande de roulement. Bien que ce processus a lieu dans des conditions d’intensité modérée, il induit un endommagement et des modifications structurales progressives à la surface de l’élastomère, conduisant à un changement de topographie et à une perte de masse. Cependant, la compréhension fine des mécanismes d’usure des élastomères par fatigue reliant l’endommagement local – provenant des sollicitations à l’échelle des aspérités, à l’usure à l’échelle macroscopique, demeure incomplète. Cet écart provient de la difficulté à évaluer le champ d’endommagement à la surface du matériau suite à un glissement d’intensité modérée. En effet, les méthodes expérimentales actuelles de caractérisation de l’usure se limitent principalement à des approches descriptives à l’échelle macroscopique. Dans cette thèse, nous proposons une approche innovante basée sur l’utilisation de molécules mécano-sensibles pour quantifier et cartographier l’endommagement moléculaire induit par l’usure par fatigue dans des élastomères. Nous employons d’abord cette stratégie pour caractériser et quantifier l’endommagement en sous-surface dans des réseaux multiples interpénétrés de poly (acrylate d’éthyle). Suite à des cycles de frottement contre une lentille rugueuse, nous mettons en évidence un gradient d’endommagement sous la surface, s’étendant sur plusieurs dizaines de micromètres. Avec notre approche mécano-sensible, nous montrons ensuite l’existence d’un mécanisme d’endommagement avec la vitesse glissée ayant lieu en deux étapes : d’abord une accumulation d’endommagement non-linéaire, suivie d’un régime d’endommagement stationnaire correspondant au début du départ de matière de la surface. Nous étudions ensuite l’impact des conditions de chargement et du pré-étirement du réseau sur l’évolution de l’endommagement. Dans un second temps, nous développons une nouvelle stratégie de réticulation en conditions douces et une méthode versatile d’infusion du mécanophore dans un réseau nous permettant de réticuler le mécanophore dans un elastomère de copolymères statistiques de styrène et butadiène (SBR) chargé en silice et préalablement réticulé. Cette méthode nous permet de découpler la fabrication des élastomères de leur marquage avec le mécanophore, constituant ainsi une avancée importante permettant de quantifier spatialement la rupture de chaînes dans des matériaux d’importance industrielle. Enfin, nous explorons les mécanismes amenant à l’usure des matériaux SBR chargés à l’échelle moléculaire. Nous montrons que l’endommagement en sous-surface s’étend de quelques micromètres et qu’il reste de faible ampleur en comparaison aux dommages observés dans les débris d’usure, ce qui soulève des questions quant aux mécanismes de nucléation des débris d’usure et aux types de mécanismes d’endommagement pendant l’usure par frottement. Les résultats obtenus dans cette thèse seront utiles pour le développement de modèles d’usure reliant l’endommagement en sous-surface à l’usure macroscopique dans des matériaux d’importance industrielle, offrant à terme des pistes pour optimiser la résistance à l’usure par fatigue de ces matériaux.