Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La non-trivialité des propriétés mécaniques du caoutchouc naturel et de ses homologues synthétiques fait que ces matériaux particuliers sont fréquemment utilisés dans la vie quotidienne, pour leur caractère extensible notoire, et leur imperméabilité à l'air et à de nombreux fluides. La multiplicité des utilisations des matériaux caoutchouteux, naturels et synthétiques, n'est bien évidemment pas fortuite. Elle résulte des propriétés mécaniques surprenantes que leur confèrent leurs structures chimique et macromoléculaire. D'une grande souplesse, ces matériaux sont capables de supporter à température ambiante des allongements importants et de reprendre dans un temps très court leur dimension initiale. Après un bref rappel de l'utilisation du caoutchouc naturel et de la mise en oeuvre des premiers matériaux synthétiques, leurs principales propriétés volumiques, superficielles et tribologiques (adhérence, glissance, roulement et usure) sont décrites.
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Due to the non-trivial mechanical properties of natural rubber and its synthetic counterparts, these particular materials are frequently used in daily life, for their extensibility and impermeability to air and a large number of fluids. The multiplicity of rubber uses, be it natural or synthetic, is obviously not accidental. It results from the astonishing mechanical properties derived from their chemical and macromolecular structures. These highly flexible materials are capable of withstanding significant stretching at ambient temperature and resume their original size in a very short period of time. After a brief reminder of the use of natural rubber and the implementation of the first synthetic materials, their principal volumic, surface and tribological properties (adhesion, skidding, rolling and wear) are described.
Auteur(s)
-
Michel BARQUINS : Docteur d'état ès Sciences physiques, - Ancien directeur de recherche du CNRS, au laboratoire de physique et mécanique des milieux hétérogènes à l'École supérieure de physique et chimie industrielles (Paris)
INTRODUCTION
La non-trivialité des propriétés mécaniques du caoutchouc naturel, chargé en noir de carbone ou non, et de ses homologues synthétiques d'aspects variés fait que ces matériaux particuliers sont fréquemment utilisés dans la vie quotidienne, pour leur caractère extensible notoire (bracelets élastiques, fibres élasthanne, chewing-gums, tendeurs, bretelles, jarretelles, garrots, soufflets, appareils de saut dit « à l'élastique », etc.) et comme protections diverses du fait de leur imperméabilité à l'air et à de nombreux fluides (cirés, gants, tabliers, bavettes, bottes, imperméables, chambres à air, bateaux pneumatiques, préservatifs, tuyaux, ballons d'enfants, tétines, etc.).
Ils entrent également dans la construction d'organes mécaniques dans lesquels interviennent le contact statique, le frottement et le roulement. Citons à titre d'exemple, les joints d'étanchéité, les appareils d'appui de ponts, les appareils d'appui antisismiques, les patins de rails, les embouts antidérapants, les blocs d'amortissement, les pneumatiques de toutes formes et dimensions (patinettes, poussettes d'enfants, bicyclettes, motos, voitures de tourisme, camionnettes, certains métros et tramways, véhicules poids lourds, engins de génie civil, avions, bolides de formule 1, etc.), les courroies de transmission, les raclettes de balais d'essuie-glace, les lèche-vitres, les semelles de chaussures, les tapis transporteurs, les patins de freins de bicyclettes, corps de vannes, gomme à effacer, etc. Ces exemples récents ne doivent pas faire oublier que le caoutchouc naturel issu du latex était connu des populations amérindiennes il y a quelque trente siècles.
La multiplicité des utilisations des matériaux caoutchouteux, naturel et synthétiques, n'est bien évidemment pas fortuite ; elle résulte des propriétés mécaniques surprenantes que leur confèrent leurs structures chimique et macromoléculaire particulières. Les matériaux caoutchouteux se caractérisent par une grande souplesse, ils sont capables de supporter à température ambiante des allongements importants (jusqu'à sept fois leur dimension au repos) et de reprendre dans un temps très bref leur dimension initiale. De plus, le coefficient de frottement des matériaux caoutchouteux est très élevé : c'est la raison pour laquelle on les utilise dans la fabrication des pneumatiques. Très précisément, c'est le frottement élevé entre la bande de roulement d'un pneumatique et le revêtement routier qui assure la tenue de route des véhicules automobiles.
Après un bref rappel de la découverte et de l'utilisation du caoutchouc naturel par les amérindiens il y a quelque trente siècles et de la mise en œuvre de ses premiers homologues synthétiques, on décrit les principales propriétés volumiques et superficielles des matériaux caoutchouteux qui leur confèrent des propriétés tribologiques particulières (adhérence, glissance, roulement et usure) mises à profit dans le fonctionnement de nombreux systèmes mécaniques et tout particulièrement dans celui des pneumatiques.
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Conclusion
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3. Comportement tribologique
3.1 Contexte
Les premières études scientifiques sur les propriétés tribologiques (adhésivité, frottement, usure, lubrification) d'un élastomère, matériau essentiel au développement des techniques de transports modernes, ne remontent guère au-delà d'une soixantaine d'années. Dans le domaine de l'automobile, à la fin du XIXe siècle, utilisé d'abord sous forme de bandages pleins puis dans la confection des pneumatiques, le caoutchouc présentait de tels avantages par rapport au bois et à l'acier, qu'il ne semblait pas nécessaire aux ingénieurs d'analyser en détail les remarquables propriétés d'élasticité de ce matériau, qui pourtant avaient attirer l'attention de physiciens de renom tels que James Joule et Henri Bouasse. Toutefois, il convient de remarquer, d'une part, que la recherche fondamentale n'avait guère de raison de s'intéresser à des phénomènes de frottement qui se prêtaient difficilement à des investigations rigoureuses et, d'autre part, que ces phénomènes concernaient des matériaux de composition complexe et généralement tenue secrète par la plupart des manufacturiers, ce qui est encore le cas aujourd'hui.
Ce n'est qu'à partir de 1940 que le comportement tribologique du caoutchouc commence à susciter un intérêt croissant de la part des chercheurs, notamment en Grande-Bretagne, en Union Soviétique, aux États-Unis et pour une moindre part en France, ainsi qu'en témoignent les cent soixante-cinq références de l'étude bibliographique publiée en 1960 par Conant et Liska. La somme des connaissances acquises, tant du point de vue technique que scientifique, a permis de réduire considérablement l'empirisme qui régnait dans les nombreuses applications du caoutchouc où le frottement et son effet immédiat, l'usure, jouent un rôle important.
Les premières expériences systématiques entreprises ont rapidement montré que les propriétés de frottement du caoutchouc naturel vulcanisé, et des matériaux caoutchouteux en général, n'obéissaient que très rarement aux trois règles classiques, établies par Amontons en 1699 et Coulomb en 1785, assez fidèlement suivies par le frottement des solides rigides usuels tels que les métaux et alliages, les verres et céramiques et le bois :
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La force de frottement est indépendante de la forme et de la superficie de la zone apparente de contact ;
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La force de frottement est proportionnelle...
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