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

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 limitée. Cette lacune 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 des élastomères [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 clés physiques microscopiques 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 peu sévères mais répétés 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 synthétique renforcée avec des 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 vision moléculaire de l'usure par friction des élastomères et nous permettra de proposer un scénario quantitatif pour l'usure par fatigue, 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.

[2] Slootman, J., Waltz, V., Yeh, C. J., Baumann, C., Göstl, R., Comtet, J., & Creton, C. (2020). Quantifying rate-and temperature-dependent molecular damage in elastomer fracture. Physical Review X, 10(4), 041045.

[3] Sanoja, G. E., Morelle, X. P., Comtet, J., Yeh, C. J., Ciccotti, M., & Creton, C. (2021). Why is mechanical fatigue different from toughness in elastomers? The role of damage by polymer chain scission. Science advances, 7(42), eabg9410.

[4] Moore, D. F. (1980). Friction and wear in rubbers and tyres. Wear, 61(2), 273-282.

[5] Schallamach, A. (1968). Abrasion, fatigue, and smearing of rubber. Journal of Applied Polymer Science, 12(2), 281-293.

Watching bond break during tire wear by friction

 

Associated with major environmental, safety and economic issues, tire wear is a critical challenge for the transportation and automotive industry. Gaining insights on the processes behind tire wear appears to be the first step towards the mitigation of this detrimental phenomena which might become even more pregnant with the on-going development and use of heavier electric vehicle.

 

Surprisingly, our fundamental understanding of the mechanisms through which elastomeric materials progressively wear off by mild friction with the road remains poor. This knowledge gap is due to our current inability to access the complex interactions between molecular damage accumulation and erosion processes at play at or near the tire/road frictional interface. Current experimental characterization of frictional wear is indeed mostly limited to descriptive and macroscopic approaches, such as visual description of the worn surface profile or measurements of weight loss.

 

Over the recent years, the host team at SIMM, ESPCI has developed original mechanochemical approaches to quantitatively map the molecular damage occurring through bond scission in soft elastomers [1-2]. Our strategy relies on the incorporation of a mechanophore molecule in the elastomeric network, which becomes fluorescent when a specific bond breaks, allowing for the robust, reliable and direct spatial quantification of the overwise undetectable chain damage in the material.

 

Building upon these state-of-the-art mechanochemical approaches, we aim through this PhD to reveal the key microscopic physical mechanisms at play during elastomer wear by friction. We will focus in particular on the so-called “fatigue wear” regime, whereby mild yet repeated frictional contacts of a rough indenter on the elastomer leads to damage accumulation below the surface, and ultimately to material loss [3-4]. These studies will be performed on nanocomposite materials composed a styrene butadiene rubber matrix reinforced with silica particles, which represent a good model system for engineering elastomers, and for which we have recently been able to extend our mechanochemical approaches. We will combine macroscopic measurements of mass loss following repeated friction cycles with microscopic quantification of mechanophore activation and subsurface molecular damage using confocal microscopy. We will probe in particular, the role of the frictional contact - associated with cycle number, load, indenter roughness, temperature, speed or addition of an inorganic third body… - on macroscopic wear and on the extension of microscopic damage in the material. These measurements of molecular damage following complex frictional loading will be put in perspective with simpler cyclic fatigue test at various rates, temperature and cycle number, allowing for a precise determination of a damage accumulation law for the material.

 

By revealing previously invisible chain damage processes, our approach will reveal a new molecular picture of elastomer frictional wear and allow us to propose a quantitative scenario for frictional wear, coupling the complex frictional contact with molecular damage accumulation laws and material erosion processes. Ultimately, we expect that the predictive insights gained by this study will stimulate the development of safer and greener tire materials for a more sustainable transportation future.

 

This PhD is an industrially funded Cifre fellowship in partnership ESPCI / Michelin. Most of the PhD work will be carried out in the SIMM lab, ESPCI, Paris, but regular interactions with the industrial partner will take place as well as regular on-site short-term visits and experiments in Ladoux, Clermont-Ferrand. We are looking for a student, strongly motivated by this highly interdisciplinary PhD project, coupling material chemistry, soft matter physics, mechanics and optics.

- - - - - - - - - - - -