Les caoutchoucs naturels chargés sont largement utilisés pour leurs excellentes propriétés mécaniques comme matériaux structurels dans les pneumatiques. Leurs excellentes performances sont souvent associées à leur capacité à cristalliser sous tension. Dans le cas de la fatigue cyclique, la dissipation induite par la création et fusion de cristallites est souvent donnée comme responsable de la bonne résistance des caoutchoucs naturel à la propagation de fissures. Ce travail de doctorat s'est focalisé sur les divers mécanismes dissipatifs qui sont activé par les grandes déformations rencontrées près d'une pointe de fissure. La diffusion des rayons X a été utilisée pour caractériser les changements de structure à des échelles sub-microniques, tels que la cristallisation sous tension, la création de nano-cavités, ou la réorganisation de la charge. Un premier volet de l'étude s'est focalisé sur des tests uniaxiaux, afin d'étudier l'effet d'un changement de formulation du matériau (taux de charge, densité de réticulation), d'un vieillissement thermique, ou encore d'une élévation de la température sur ces modification de structure. Dans une seconde partie, une caractérisation complète de fissures de fatigue a été effectuée. La corrélation d'image numérique a été utilisée pour mesurer les déformations locales au voisinage d'une pointe de fissure, et les rayons X ont permis d'y associer une mesure locale de la structure du matériau. Les propriétés de fatigue de ces matériaux ont été mit en regard des structures observées afin de discuter leur relation. Il a été mis en évidence que le rôle de la cristallisation dépassait largement sa contribution à la dissipation locale. / Filled natural rubbers are widely used in structural parts such as tires for their outstanding mechanical properties. Their exceptional behavior is often associated to the ability of natural rubber chains to form a crystalline structure under tension. In the case of cyclic fatigue cracking, the dissipation added through crystallization and melting at the crack tip is often seen as the main reinforcing mechanism that reduces fatigue crack growth. This PhD work focused on all the dissipative mechanisms activated by the strain amplification near a crack tip. An extensive use of X-ray scattering was made to investigate sub-micronic changes in structure (strain-induced crystallization, cavitation, filler network). A study was made in uniaxial tension to understand the effects of material composition and test environment on these structure changes. The effect of filler volume fraction, crosslink density, thermal ageing and test temperature were considered. This study was followed by a complete description of several fatigue crack-tips. Digital image correlation was used to map the strain fields at the vicinity of the cracks, while X-ray mapping of the process zone gave information on the local changes in structure. The cyclic fatigue properties of the materials were then discussed through the knowledge acquired both in uniaxial tension and near crack-tips. It showed that the effect of strain induced-crystallization far outweigh the dissipation added.

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Ce travail de thèse porte sur l'étude du comportement rhéologique de deux mélanges élastomères chargés en noir de carbone dans une gamme de températures rencontrée en extrusion (90°C à 40°C) et sur la modélisation du procédé d'extrusion. La caractérisation rhéologique des deux matériaux de l'étude a mis en évidence leur comportement rhéologique différent. En effet, le SBR et ses mélanges chargés avec différentes teneurs en noir de carbone montrent une courbe d'écoulement en deux branches stables (branche I et branche II) séparées par un plateau. La présence d'un glissement, faible en branche I et important en branche II, a été mis en évidence. Le second matériau, le NR (pur et chargé), montre, quant à lui, un comportement en deux parties distinctes : une partie sans rhéodurcissement et une autre avec rhéodurcissement dû à la mise en place d'une cristallisation sous contrainte de cisaillement. L'existence d'un temps caractéristique de cristallisation, diminué par la vitesse de cisaillement, a pu être mise en évidence. Les lois de comportement pour chacun des matériaux ont été déterminées. La réalisation d'une superposition temps/taux de charge a permis de définir une loi de comportement générale ; dans la gamme de température de 40°C à 90°C pour les mélanges SBR/noir de carbone et dans la gamme de température de 50°C à 90°C pour le NR. La loi rhéologique déterminée pour le mélange SBR chargé à 33% en masse en noir de carbone a été implémentée dans un modèle 1D et 3D. Les résultats numériques ont alors été comparés aux résultats expérimentaux, obtenus suite à des essais sur une extrudeuse instrumentée. Le modèle 1D s'est avéré insuffisant pour rendre compte des phénomènes se déroulant lors du procédé d'extrusion. L'implémentation d'un modèle 3D a été effectuée afin de prendre en compte des phénomènes tels que les effets de bords et les gradients de températures. L'importance de prendre en compte le phénomène de glissement dans le modèle 3D a été démontrée. / The present work deals with the characterization of the rheological behaviour of two rubbers filled with carbon black in a range of temperature encountered in extrusion (90°C to 40°C) and the modelling of the single screw extrusion process. The rheological characterization of the two rubbers shows behaviour totally different. The synthetic SBR rubber and SBR compounds filled with carbon black (with different amounts, from 16 to 33 wt%) showed a flow curve that can be divided in two stable parts (branch I and branch II) separated by a plateau. The occurrence of wall slip, low in branch I and important in branch II has been highlighted. The second rubber of the study, natural rubber, showed a different behaviour with a strain hardening due to the occurrence of a strain induced crystallization. The flow curve can be thus divided in two different parts: the first part without strain hardening and the second part with this phenomenon. The existence of a characteristic crystallization time, reduced by the shear rate, has been evidenced. By analysing data respectively on branch I for SBR and without strain hardening for NR, viscosity curves for all tested materials have been defined. General viscosity law have been proposed: for the SBR compound filled with carbon black valid in the range of temperature from 40°C to 90°C and for NR in the range of temperature from 50°C to 90°C. The rheological law defined for the SBR compound filled 33%wt with carbon black has been implemented in two different models: 1 D and 3D. Numerical results have been compared to experimental results obtained after experimentations on instrumented single screw extruder. The 1D approach was not sufficient to take into account all phenomena occurring during extrusion process. Then a 3D approach has been developed in order to take into account some effects as side effects and temperature gradients. The presence of the slip phenomenon in the modeling has been proved.

Le comportement en fatigue du polychloroprène, un élastomère synthétique, est fonction de : • l’endommagement lié à l’amorçage et la propagation de fissures. • le renforcement induit par la cristallisation sous tension. • l’auto-échauffement de l’éprouvette. L’équilibre entre ces trois phénomènes a été investigué en suivant l’évolution de l’aire de l’hystérésis et de la raideur au cours d’essais de fatigue à amplitude constante. Des essais après un précyclage ont permis de modifier cet équilibre en travaillant sur une éprouvette ayant un historique de chargement. La présence initiale de fissures dans une éprouvette dont l’autoéchauffement est très faible induit un effet de la cristallisation sous tension plus marqué. Une nette amélioration des caractéristiques en fatigue est ainsi observée. Des essais à amplitude variable ont également permis d’observer l’influence de la modification de l’équilibre entre ces trois phénomènes. Ces observations ont mené à la construction du diagramme raideur/hystérésis permettant l’unification des courbes à une sollicitation donnée, indépendamment de l’historique de chargement. Une approche par amorçage de fissure a permis de mettre au point une méthode issue de l’analyse de l’évolution de l’aire de l’hystérésis pour déterminer très rapidement la limite à 106 cycles en fatigue du CR. / The fatigue behavior of the polychloroprene, a synthetic rubber, relies on : Damage caused by the initiation and the propagation of the cracks The reinforcement caused by the strain-induced crystallization The self-heating of the sample The equilibrium between those three phenomena was investigated by following the evolution of the hysteresis area and the stiffness during constant amplitude fatigue tests Some pre cycling tests allowed the modification of this equilibrium by working on a sample with a loading history. The presence at the beginning of the fatigue test of cracks in the sample, which undergoes at that time of the test a very low self-heating, is subjected to a more important effect of the strain induced crystallization. The fatigue characteristic of the CR is well enhanced. Some variable amplitude tests made possible the observation of the consequences of the modification of this equilibrium. It leads to the drawing of a stiffness/hysteresis diagram allowing the unification of the curves at a given solicitation, independently of the loading history. A fast method derived from the study of the evolution of the hysteresis area to find the fatigue limit at 106 cycles using the crack initiation approach has been presented.

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L’objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension et à la modélisation de la cristallisation induite. Le phénomène est caractérisé pour deux matériaux : le PET et le caoutchouc naturel réticulé. Les conditions favorables au phénomène, de type caoutchoutique sont déterminées par analyses calorimétriques et spectroscopiques. La microstructure qui se développe au cours de la déformation est observée par diffraction des rayons X.Le PET est déformé en traction uni- et biaxiale. Une partie des étirages est suivie d’une relaxation des contraintes, une autre est suivie d’une trempe rapide. Il ressort de l’étude que l’étirage du PET dans ces conditions n’aboutit pas à l’obtention d’un cristal PET avec toutes les périodicités qui lui sont propres.Le caoutchouc naturel est déformé en traction uniaxiale et en cisaillement précédé d’un étirage uniaxial. En cisaillement, la phase cristalline obtenue au cours du pré-étirage ou du cisaillement tourne et tend à s’orienter comme les directions des déformations principales mais avec un retard angulaire. L’extension principale est utilisée pour étudier la phase cristalline obtenue pour les différents modes de sollicitation.Un modèle de comportement visco-hyperélastique, décrit dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles, est étendu afin de reproduire le durcissement mécanique lié au développement d’une phase organisée/cristalline. Le modèle permet de reproduire les différents comportements mécaniques observés expérimentalement. / The present PhD thesis aims at a better understanding and modeling of strain-induced-crystallization. The phenomenon is characterized for two polymers: PET and crosslinked natural rubber. Strain conditions leading to strain-induced-crystallization are determined by thermal and dynamic mechanical analysis. The developing microstructure is observed by X-ray scattering.The PET is stretched in uni- and biaxial tension. A part of samples is rapidly quenched after stretching and another is submitted to a stress relaxation after stretching. The studies demonstrate that the stretching of PET does not enable the formation of a complete PET crystal with all its own families of planes.The crosslinked natural rubber is stretched in uniaxial tension and in shear preceded by uniaxial stretching. In shear, the crystalline phase, appeared during the pre-stretching or during the shear rotates and has a tendency to orient as the directions of the principal strains. The principal elongation is used to compare the crystallization under the different stresses.A constitutive modeling for visco-hyperelastic behaviors, in a complete thermodynamics framework of irreversible processes, is extended in order to reproduce le mechanical hardening related to the development of an organized/crystalline phase. The modeling successes in reproducing the experimental behaviors in uploading/unloading for various strain conditions.

Les effets caloriques représentent la capacité d’un matériau à voir son entropie varier sous l’effet d’une sollicitation externe et peuvent être utilisés pour des systèmes de refroidissement à l'état solide en remplacement (ou complément) des dispositifs traditionnels à base de fluides frigorifiques. Dans cette thèse, nous avons cherché à étudier l'effet élastocalorique du caoutchouc naturel. Après une présentation des différents matériaux caloriques et du caoutchouc naturel, le chapitre 2 détaille la caractérisation élastocalorique du caoutchouc naturel, et les résultats sont interprétés à partir de la notion de cristallisation induite par la déformation. Le changement de température adiabatique élastocalorique et la variation d’entropie associée atteignent 9K et 50kJ.m-3.K-1, ce qui est très important comparé aux autres matériaux caloriques. L’effet élastocalorique étant maximum pour une déformation voisine de 4,5, une pré-déformation peut être appliquée pour éviter la zone moindre activité élastocalorique. La mesure directe de l’effet élastocalorique est ensuite comparée à une méthode indirecte déduite du facteur de Clapeyron, et les divergences sont discutées. Dans le chapitre 3, la contrainte et la température élastocalorique sont simulées par un modèle de Flory modifié sur la base de la cristallisation. Il est possible de prédire le comportement contrainte-déformation à différentes températures, ainsi que les variations de température élastocaloriques à température ambiante. Dans le chapitre 4, les effets de la fatigue sur l’effet élastocalorique du caoutchouc naturel sont ensuite étudiés. La résistance à la fatigue pour de grandes amplitudes de déformation est très faible (< 800 cycles). Trois régimes de déformation intermédiaire sont ensuite testés : 0-3, 2-5, et 4-7, et permet d’établir que le régime 2-5 est le plus performant (jusqu’à 100 000 cycles). Dans le dernier chapitre, un modèle de système régénératif de refroidissement à base de matériaux caloriques est développé afin d’établir des lignes directrices pour le choix des matériaux élastocaloriques / In this thesis, we aimed to study the eC effect of natural rubber (NR) and to prove its potential to act as an eC material primarily. The method for improving the eC effect efficiency and fatigue life of NR were also proposed. The eC effect of NR is characterized directly, and interpretation based on the theory of strain-induced crystallization/crystallite (SIC) is proposed. The eC adiabatic temperature change and isothermal entropy change of NR can be up to 9 K and 50 kJ.m-3.K-1 (56 J.kg-1.K-1), which are larger than most of caloric materials. Two coefficients, eC strain coefficient and eC stress coefficient , are defined for evaluating the eC performance at different strains, where is the specific entropy, is the engineering strain, is the temperature and is the stretching stress. It’s found that both coefficients are maximum for a strain around 4.5, indicating that the highest eC performance occurred at middle strain, which is attributed to the occurrence of SIC. To improve the eC performance, it is proposed to apply a pre-strain, so that the low strain regime where eC performance is low can be skipped. Moreover, the large needed deformation can be reduced by the pre-strain and thus the possibility of a compact cooling system designed based on NR is improved. The fatigue property of eC effect of NR is then investigated. The fatigue life at large deformation strain amplitudes (strain of 1-6) is about 800 cycles for the tested NR, which is too short to be used for a cooling system. Decreasing strain amplitude is necessary to extend fatigue life up to requirement of a cooling device. For the same small strain amplitude of 3, the fatigue property is compared at amorphous strain regime (strain of 0-3), onset strain of melting (strain of 2-5) and high strain of SIC (strain of 4-7). It’s found that a larger eC temperature change and a better fatigue property can be obtained at two SIC strain regimes (strain of 2-5 and 4-7) than amorphous strain regime. Especially, the fatigue property at the onset strain of melting (strain of 2-5) is better than that at high strain of SIC (strain of 4-7). A high-cycle fatigue was applied at the strain of 2-5 (most promising strain regime) up to 1.7×105 cycles. It was observed that there is no crack of the sample, as well as a degradation degree of 12% of the eC temperature change. Furthermore, the eC stress coefficient (4.4 K/MPa) at onset strain of melting is larger than that at high strain of SIC (1.6 K/MPa). As a result, the middle strain regime (onset strain regime of melting) can get a higher eC performance, larger temperature change, and better fatigue life, which should be chosen for eC cooling system.

Les effets électrocaloriques, qui se traduisent par une variation de température induite par une variation d’entropie ont été étudiés comme alternative aux systèmes de réfrigération utilisant un cycle de compression/détente. Le travail de thèse se focalise sur l’étude de l’effet élastocalorique dans le caoutchouc naturel et le terpolymère (P(VDF-TrFE-CTFE). En premier lieu, l’effet élastocalorique dans le caoutchouc naturel qui compte parmi les meilleurs candidats, a été évalué pour des cycles de déformation réalisés avec différentes valeurs d’allongement. Une variation de température de 4 °C a pu être observée. Il est usuel d’utiliser la relation déformation/contrainte en fonction de la variation de température pour évaluer l’effet élastocalorique. Il a été démontré que cette méthode ne peut pas être utilisée dans le cas du caoutchouc naturel et qu’elle doit être remplacée par la mesure de la variation de l’énergie mécanique en fonction de la température. Et dans ce cas, une variation linéaire entre ces deux dernières grandeurs a été observée. En réalisant un bilan d’énergie pendant l’essai, non seulement, le rendement énergétique a pu être évalué mais il a été aussi possible de prendre en compte l’effet Mullins et la cristallisation induite par la déformation pour le caoutchouc naturel. Dans un second temps, l’effet élastocalorique a été étudié sur le terpolymère (P(VDF-TrFE-CTFE), ce qui a permis de montrer qu’il était possible d’obtenir une variation de température de 2.1 °C sous réserver de pré-déformer le terpolymère à plus de 1050 % avant. Par comparaison avec d’autres matériaux présentant une bonne conversion élastocalorique, le fort potentiel de ce matériau a pu être mis en évidence. Enfin, il a été mis en évidence que la plus grande partie de l’énergie mécanique était bien convertie en énergie thermique. / Caloric effects (CEs), which are the phenomena that temperature variation is caused by entropy change, have been investigated for the novel system which might be able to replace conventional vapor compression refrigeration system. In the present thesis, the elastocaloric effect (ElCE) of natural rubber (NR) and terpolymer, poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene) (P(VDF-TrFE-CTFE)), was focused. First of all, NR, which is an excellent candidate material for ElCE, was evaluated in cyclic deformation with different strain levels. It was found that NR exhibits temperature variation of around 4.0 °C. In general, the relation between stress/strain versus temperature variation is used to evaluate ElCE. The unsuitability of such evaluation method for NR was demonstrated. The evaluation method for ElCE which uses energy balance was then proposed. A linear relation between the temperature variation caused by ElCE and the applied mechanical energy by deformation was experimentally found. This fact verifies the suitability of the proposed method. Using the energy balance, besides, not only the conversion efficiency but also the influences of the Mullins effect and the strain-induced crystallization on the ElCE of NR were discussed. ElCE of P(VDF-TrFE-CTFE) was also evaluated in order to find out the potential of polymer. It was found that present terpolymer which is not one of the elastomers can also exhibit a large temperature variation, 2.1 °C, caused by ElCE if a large pre-stretch such as more than 1050 % is applied in advance. By comparison with other materials for ElCE, it was demonstrated that P(VDF-TrFE-CTFE) can be a high potential material for ElCE. It was also shown that P(VDF-TrFE-CTFE) converts most of the applied mechanical energy into the heat energy.

Le caoutchouc naturel présente une très bonne résistance à la propagation de fissure. Cette particularité est généralement attribuée dans la littérature à sa capacité à cristalliser sous déformation. A ce jour, l'essentiel des travaux dans ce domaine porte sur des échantillons réticulés par une vulcanisation dite efficace, c’est-à-dire dont les noeuds de réticulation sont principalement composés de ponts monosulfures. Pour certaines applications, et parce qu’elle est réputée conduire à de meilleure propriétés en fatigue, il est intéressant d'utiliser une vulcanisation dite conventionnelle. Le matériau est alors composé majoritairement de ponts polysulfures. Le phénomène de cristallisation sous déformation, exacerbée en pointe de fissure en raison d'une amplification du champ de déformation, semble être l'un des mécanismes responsables de l'accroissement de la durée de vie en fatigue du matériau vulcanisé de manière efficace. Cependant, sur matériaux vulcanisés de manière conventionnelle et thermo-oxydés (77°C), cette corrélation doit être confirmée en raison d’une évolution importante de l'architecture du réseau élastomère pendant son vieillissement pouvant en effet avoir un impact important sur la capacité du matériau à cristalliser sous déformation. Cette étude se propose donc de caractériser l’évolution de réseaux élastomères vulcanisés de manières conventionnelles pendant leur vieillissement thermo-oxydant, puis d’évaluer leur résistance à la propagation de fissure à différents niveaux de déformation macroscopique. Des analyses in situ WAXS sous rayonnement synchrotron en fond de fissure permettent alors de relier ces résultats à l'évolution de l’aptitude de ces matériaux à cristalliser sous déformation. / Natural rubber (NR) is largely used in the tire industry due to its excellent mechanical properties, e.g. its very good resistance to fatigue crack growth at high strain. It is generally accepted that this outstanding behavior is related to its ability to crystallize under strain. Such phenomenon, so called SIC, strongly depends on parameters like temperature, strain rate as well as the architecture of the rubber network. The microstructure of this network is formed during the crosslinking process and depends on the vulcanization system, i.e. “Efficient” or “Conventional”. The former vulcanization recipe consists in the formation of short or monosulfide bridges in the elastomer network whereas the latter (necessary to ensure a good adhesion between metallic and rubber parts in a tire) will mainly create longer polysulfide bridges. During its life, the tire will be submitted to a slow aerobic ageing which will cause structural modifications of the initial network and therefore an evolution of the rubber ability to crystallize under strain and to resist against crack propagation. In general, the structural modifications are caused by complex chemical mechanisms, highly sensitive to temperature, leading to chain scission and chain crosslinking. They can also involve sulfur bridge reorganization when NR is conventionally vulcanized. Nevertheless, most of the literature on NR ageing has been performed on efficiently cross-linked NR, and in thermal conditions which are much too severe to be representative of the material ageing in tire applications. Within this frame, our objective is to study this material when it is aged at 77 °C in air. Such parameters have been identified as capable of reproducing more realistically and over a reasonable duration, the ageing of rubber in some use conditions. After characterization of the evolution of the aged materials microstructure, their crack propagation resistance will be studied at 0.01 Hz for different values of macroscopic deformations. Time resolved Wide Angle X-ray scattering (WAXS) measure-ments, carried out at room temperature, will then provide information on the crystallization process around the crack tip. Based on these results, the relation between the network evolution during ageing, the fatigue properties and the ability to strain crystal-lize in such conditions will be established in this work.

Cette étude vise à mieux comprendre les mécanismes physiques à l'origine des propriétés mécaniques et des propriétés ultimes des caoutchoucs renforcés. Des échantillons de caoutchouc naturel dans lequel sont dispersés des agrégats de Silice précipitée ou de Noir de Carbone et vulcanisés au Soufre ont étés mis en oeuvre. Les principaux paramètres étudiés sont la densité de réticulation et l'interface charge-caoutchouc modifiée au moyen de différents traitements de surface de silice. L'impact des charges et du type d'interface sur les propriétés mécaniques dans le domaine des faibles déformations (effet Payne) et des grandes déformations est présenté. Le phénomène de cristallisation sous étirement dans le caoutchouc naturel est étudié par diffraction des rayons X in-situ au cours d'essais de traction quasi-statiques ou d'essais dynamiques couplés à un système d'acquisition stroboscopique. Nous montrons une corrélation des mesures du module, du degré de gonflement à l'équilibre, de l'orientation des chaînes mesurée par diffusion de rayons X et de la densité de réticulation mesurée par RMN dans le caoutchouc naturel non chargé. Dans le caoutchouc naturel renforcé, les corrélations établies à l'aide de ces mêmes mesures permettent de préciser les mécanismes de renforcement aux faibles et aux grandes déformations. Enfin, la résistance à la déchirure est évaluée en géométrie cisaillement pur sur les matériaux non-renforcés et renforcés. Les effets du type d'interface, de la densité de réticulation et de la vitesse d'essai sur la résistance à la déchirure sont présentés. Nous discutons également les profils de déformation locale obtenus par corrélation d'image / This study aims at better understanding the physical mechanisms responsible for the mechanical and ultimate properties in reinforced rubber materials. Sulfur vulcanized samples made of a Natural Rubber matrix in which aggregates of precipitated Silica or Carbon Black are dispersed have been manufactured. The main control parameters are the crosslink density and the filler/rubber interactions through different silica surface treatments. The effect of fillers and interface type on the mechanical properties in the small strain regime (Payne effect) and large strain regime is presented. X-ray diffraction experiments have been performed to study the phenomenon of strain-induced crystallization (SIC) both during quasi-static tensile tests and dynamical tests coupled to a stroboscopic acquisition device. Mechanical measurements have proved to correlate fairly well to the crosslink density measured by NMR, to equilibrium swelling degree and to the average chain segment orientation measured by X-ray scattering in unfilled natural rubber in agreement with the rubber elasticity theory. In reinforced materials, the correlation of those different measurements of local chain stretching give new insights on the reinforcement mechanisms at small and large strain. Tear experiments have been performed on Pure Shear pre-notched unfilled and filled samples. The influence of interface type, crosslink density and test drawing speed on tear resistance are presented. Local strain profiles obtained from digital image correlation and the crystallized fraction profiles from in-situ X-ray diffraction are also discussed