Membres du jury :

• Direction de thèse : Juliette CAYER-BARRIOZ - DR CNRS - LTDS
• Codirecteur de thèse : Denis MAZUYER- Professeur - LTDS
• Rapporteur : L. BUREAU - DR CNRS - LiPhY
• Rapporteur : A. ALMQVIST - Professeur - LTU
• Examinateur : L. CHAZEAU - Professeur - Mateis
• Examinateur : C. MORICEAU - Docteur - M.F.P. Michelin

Résumé de la thèse :

La compréhension du frottement entre le caoutchouc et la glace constitue un enjeu scientifique et technologique majeur, avec des implications directes sur la sécurité et la performance des pneumatiques en conditions hivernales. Si les dépendances des propriétés mécaniques du caoutchouc et de la glace à la température et à la vitesse sont bien documentées, les phénomènes interfaciaux — en particulier l’adhésion et le frottement — restent mal compris lorsqu’il s’agit de matériaux représentatifs des gommes réelles utilisées dans les pneumatiques. Ce travail de thèse vise à élucider les rôles respectifs de l’adhésion interfaciale, de la dissipation viscoélastique dans le volume et des effets thermiques sur le comportement frictionnel à l’interface glace-caoutchouc, en analysant l’influence conjointe de la température ambiante, de la vitesse de glissement et des propriétés mécaniques du caoutchouc. L’évolution des surfaces de contact réelles et apparentes durant les phases de chargement, de glissement et de détachement est également étudiée, tout comme l’impact de phénomènes interfaciaux tels que la formation de film d’eau ou de givre. Pour ce faire, une stratégie expérimentale a été définie et mise en oeuvre, reposant sur des formulations de caoutchouc à base de silice, noir de carbone et plastifiants, représentatives de mélanges industriels et couvrant un large spectre de comportements viscoélastiques. Ces matériaux, caractérisés par analyse mécanique dynamique (DMA), présentent des températures de transition vitreuse comprises entre –10°C et –56°C, et des modules de cisaillement de 1 à 8 MPa (à 10 Hz, faible déformation). Les mesures de frottement et d’adhésion ont été réalisées à l’aide du tribomètre KORII développé en laboratoire, équipé d’un contrôle thermique précis (jusqu’à –30°C) et d’un système d’imagerie in situ in operando. Les essais incluent des tests d’indentation et de décollement, ainsi que deux régimes tribologiques : glissement pur (vitesse de 50 μm/s à 1 m/s) et glissement-roulement (SRR de 10 %). Les résultats révèlent une interaction étroite entre dissipation viscoélastique, adhésion et échauffement interfacial. La température, la vitesse et les propriétés du caoutchouc modulent ensemble l’équilibre entre ces mécanismes, dont la prédominance varie selon les conditions. À basse température et faible vitesse, l’adhésion et la viscoélasticité dominent, entraînant un frottement élevé. Avec l’augmentation de la température ou de la vitesse, les effets thermiques deviennent significatifs, induisant un adoucissement du caoutchouc ou une fonte locale de la glace, réduisant ainsi l’adhésion et favorisant la formation de films lubrifiants. Près du point de fusion, ces effets conduisent à une forte diminution du frottement. Un des résultats clés est l’identification d’une fonction d’échelle adimensionnée permettant de regrouper les données de contrainte réelle de cisaillement issues de divers matériaux et conditions sur une courbe maîtresse unique. Cela met en évidence l’interdépendance complexe des effets viscoélastiques, adhésifs et thermiques, au-delà des modèles additifs classiques. La mesure de la surface de contact réelle s’est révélée essentielle pour caractériser la résistance interfaciale et proposer une nouvelle approche tribologique fondée sur une analyse plus fine que le simple coefficient de frottement. Enfin, un modèle prédictif a été élaboré et validé, établissant un lien entre les propriétés viscoélastiques du caoutchouc, la mécanique du contact et le comportement de frottement observé corrélant le comportement macroscopique à la dynamique de formation/rupture de jonctions à l’échelle moléculaire. Cette approche intégrée apporte de nouvelles perspectives sur l’interface glace-caoutchouc, à l’interface entre recherche fondamentale et application industrielle.  

Thesis Abstract:

The friction between rubber and ice remains a major scientific and technological challenge, directly impacting tire safety and performance in winter. The properties dependencies on temperature and velocity of both rubber and ice are well referred in the literature. However, when these two materials are put together in contact, the physical phenomena that govern their interfacial behavior – such as adhesion or friction – are not yet fully understood, especially for real-world rubber compounds. This study aims to clarify the respective roles of interfacial adhesion, bulk viscoelastic dissipation, and thermal effects by investigating how environmental temperature, sliding velocity, and rubber mechanical properties together influence friction and adhesion at the ice-rubber interface. The work also examines how real and apparent contact areas evolve during loading, sliding, and detachment. It assesses the impact of interfacial phenomena such as water film formation and frost. To achieve these goals, a comprehensive experimental strategy using rubbers formulated with silica, carbon black, and plasticizers – representative of tire compounds and spanning a wide range of viscoelastic behaviors has been developed. The selected materials, characterized by dynamic mechanical analysis, cover glass transition temperatures from –10°C to –56°C (at 10 Hz, low strain) and shear moduli from 1 MPa to 8 MPa (at 10 Hz, 20°C, low strain). Friction and adhesion were systematically measured using a home-made tribometer (KORII Tribometer) with accurate temperature control (down to –30°C) and real-time contact imaging. Protocols included indentation and pull-off tests, as well as two types of tribological experiments: controlled sliding (only the ice track rotates; pure sliding at 50 μm.s-1 to 1 m.s-1), and rolling-sliding, where both the rubber and ice track rotate at different speeds to maintain a slip-to-roll ratio (SRR) of 10%. The image analysis was used to determine real and apparent contact and to investigate in situ interfacial phenomena. Results show that the effects of viscoelastic dissipation, adhesion, and contact heating on the friction of rubber/ice interface are fundamentally interconnected. Environmental temperature, sliding velocity, and rubber properties jointly modulate the balance between these local processes, and their dominance shifts according to their level. At low temperatures and low velocities, adhesive and viscoelastic effects dominate, leading to high friction and energy dissipation in the rubber. As temperature or velocity increases, frictional heating can cause softening or local melting of the ice surface, reducing adhesion and promoting a lubricating water film. Near the melting point, these thermal effects are especially pronounced, causing friction to drop sharply as the interface transitions likely to a more lubricated state and adhesion declines. Crucially, a dimensionless scaling function was identified, collapsing frictional shear stress data from diverse rubbers and conditions onto a single master curve – demonstrating a complex coupling between viscoelastic, adhesive, and thermal effects, beyond traditional additive models. Capturing the evolution of real contact area was a key step to measure the interfacial strength and to propose a novel tribological analysis not only based on the use of friction coefficient. Finally, a predictive model was developed and validated, successfully linking the viscoelastic properties of rubber and contact mechanics to observed frictional behavior. This integrated approach provides new insights into the rubber-ice interface, bridging fundamental understanding with practical tire performance on ice.

Mots-clés de la thèse :

Frottement, Caoutchouc, Glace, Viscoelasticité, Melting / Friction,Rubber,Ice,Viscoelasticity,Melting,