Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont augmenté le seuil de fatigue du caoutchouc renforcé de particules, développant une nouvelle approche multi-échelle qui permet au matériau de supporter des charges élevées et de résister à la croissance de fissures lors d’une utilisation répétée. Cette approche pourrait non seulement augmenter la longévité des produits en caoutchouc tels que les pneus, mais également réduire la quantité de pollution due aux particules de caoutchouc rejetées lors de leur utilisation.
La recherche est publiée dans Nature.
Le latex de caoutchouc naturel est doux et extensible. Pour une gamme d’applications, notamment les pneus, les flexibles et les amortisseurs, les caoutchoucs sont renforcés par des particules rigides, telles que le noir de carbone et la silice. Depuis leur introduction, ces particules améliorent considérablement la rigidité des caoutchoucs mais pas leur résistance à la propagation des fissures lorsque le matériau est étiré de manière cyclique, une mesure connue sous le nom de seuil de fatigue.
En fait, le seuil de fatigue des caoutchoucs renforcés de particules ne s’est pas beaucoup amélioré depuis sa première mesure dans les années 1950. Cela signifie que même avec les améliorations apportées aux pneus qui augmentent la résistance à l’usure et réduisent la consommation de carburant, de petites fissures peuvent rejeter de grandes quantités de particules de caoutchouc dans l’environnement, ce qui provoque une pollution de l’air pour les humains et s’accumule dans les ruisseaux et les rivières.
Dans des recherches antérieures, une équipe dirigée par Zhigang Suo, professeur Allen E. et Marilyn M. Puckett de mécanique et de matériaux à SEAS, a considérablement augmenté le seuil de fatigue des caoutchoucs en allongeant les chaînes polymères et en densifiant les enchevêtrements. Mais qu’en est-il des caoutchoucs renforcés de particules ?
L’équipe a ajouté des particules de silice à leur caoutchouc hautement enchevêtré, pensant que les particules augmenteraient la rigidité mais n’affecteraient pas le seuil de fatigue, comme cela est souvent rapporté dans la littérature. Ils avaient tord.
« C’était une véritable surprise », a déclaré Jason Steck, ancien étudiant diplômé de SEAS et co-premier auteur de l’article. « Nous ne nous attendions pas à ce que l’ajout de particules augmente le seuil de fatigue, mais nous avons découvert qu’il était multiplié par 10. »
Steck est maintenant ingénieur de recherche chez GE Aerospace.
Dans le matériau de l’équipe de Harvard, les chaînes polymères sont longues et fortement enchevêtrées, tandis que les particules sont regroupées et liées de manière covalente aux chaînes polymères.
« Il s’avère », a déclaré Junsoo Kim, ancien étudiant diplômé de SEAS et co-premier auteur de l’article, « ce matériau déconcentre les contraintes autour d’une fissure sur deux échelles de longueur : l’échelle des chaînes de polymères et l’échelle des particules. Cette combinaison stoppe la croissance d’une fissure dans le matériau. »
Kim est maintenant professeur adjoint de génie mécanique à la Northwestern University.
L’équipe a démontré son approche en coupant une fissure dans un morceau de son matériau, puis en l’étirant des dizaines de milliers de fois. Dans leurs expériences, la fissure n’a jamais grandi.
« Notre approche de déconcentration des contraintes à plusieurs échelles élargit l’espace des propriétés des matériaux, ouvrant la voie à la réduction de la pollution des polymères et à la construction de machines souples hautes performances », a déclaré Suo, auteur principal de l’étude.
« Les approches traditionnelles de conception de nouveaux matériaux élastomères n’ont pas tenu compte de ces connaissances essentielles sur l’utilisation de la déconcentration des contraintes à plusieurs échelles pour obtenir des matériaux élastomères de haute performance destinés à de larges utilisations industrielles », a déclaré Yakov Kutsovsky, expert en résidence au Harvard Office of Technology Development et co-auteur de le papier.
« Les principes de conception développés et démontrés dans ce travail pourraient être applicables dans un large éventail d’industries, y compris des applications à grand volume telles que les pneus et les produits industriels en caoutchouc, ainsi que des applications émergentes telles que les appareils portables. »
Kutsovsky a auparavant occupé le poste de directeur scientifique et de directeur de la technologie chez Cabot Corporation pendant 15 ans.
L’Office of Technology Development de Harvard a protégé la propriété intellectuelle associée à ce projet et explore les opportunités de commercialisation.
Plus d’information:
Jason Steck et al, La déconcentration des contraintes multi-échelles amplifie la résistance à la fatigue du caoutchouc, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06782-2