Ice-rubber friction mechanisms across scales / Mécanismes de friction glace-caoutchouc à différentes échelles
Rubber-ice friction is governed by the coupled contributions of viscoelastic adhesion and interfacial heating.
This work provides unique in situ / in operando insight into the friction mechanisms from the macroscopic to the molecular scale using combined experimental measurements and analytical modelling approches.
Simultaneous force and real contact area imaging were used to quantify the real shear stress of SBR-silica elastomers spanning a small-strain, low-frequency shear-modulus range of 1-8 MPa (low glass transition temperature, Tg∼−60°C) during pure sliding over 50 µm/s-1 m/s and environmental temperatures down to −30°C. The normalized real contact area exhibited a non-monotonic velocity dependence; together with a bell-shaped shear stress-velocity curve, this revealed three friction regimes: at low velocity, adhesion and viscoelastic dissipation dominated over thermal effects; near the peak, frictional heat generation increased; and at high velocity, thermally driven mechanisms, including advection-dominated heat removal, became more significant, with the possible occurrence of localized interfacial melting.
No bulk melting was observed. The novelty of this work relies on bridging the scales in ice-rubber friction mechanisms. At the macroscopic scale, a simple thermal analysis of the rubber-ice sliding interface yielded a dimensionless average contact temperature that collapsed across all compounds and test conditions considered.
At the molecular scale, a Chernyak-Leonov kinetics was used to describe elastomer chain attachment/detachment on ice and its temperature dependence.
Successfully confronting our experimental results to this multiscale modeling lead to a predictive interfacial shear stress model that, when supplied with measured real contact area, reproduced both the magnitude and shape of the friction response.
Graphical abstract
Le frottement caoutchouc-glace est régi par les contributions combinées de l’adhésion viscoélastique et du chauffage interfacial.
Ce travail apporte un éclairage unique in situ/in operando sur les mécanismes de frottement, de l’échelle macroscopique à l’échelle moléculaire, grâce à la combinaison de mesures expérimentales et de modélisations analytiques.
L’imagerie simultanée de la force et de la surface de contact réelle a permis de quantifier la contrainte de cisaillement réelle d’élastomères SBR-silice, couvrant une gamme de modules de cisaillement à faible déformation et basse fréquence de 1 à 8 MPa (faible température de transition vitreuse, Tg ∼ −60 °C), lors d’un glissement pur sur une vitesse de 50 µm/s à 1 m/s et à des températures ambiantes descendant jusqu’à −30 °C. La surface de contact réelle normalisée présente une dépendance non monotone à la vitesse ; associée à une courbe contrainte de cisaillement-vitesse en forme de cloche, elle révèle trois régimes de frottement : à faible vitesse, l’adhésion et la dissipation viscoélastique dominent les effets thermiques ; au voisinage du pic, la génération de chaleur par frottement augmente ; À haute vitesse, les mécanismes thermiques, notamment l’évacuation de la chaleur par advection, sont devenus prépondérants, avec la possibilité d’une fusion interfaciale localisée.
Aucune fusion globale n’a été observée. L’originalité de ce travail réside dans la mise en relation des différentes échelles des mécanismes de frottement glace-caoutchouc.
À l’échelle macroscopique, une analyse thermique simple de l’interface de glissement caoutchouc-glace a permis d’obtenir une température de contact moyenne adimensionnelle, constante pour tous les composés et toutes les conditions expérimentales considérées.
À l’échelle moléculaire, une cinétique de Chernyak-Leonov a été utilisée pour décrire l’attachement/détachement des chaînes d’élastomère sur la glace et sa dépendance à la température.
La confrontation réussie de nos résultats expérimentaux avec cette modélisation multi-échelle a conduit à un modèle prédictif de contrainte de cisaillement interfaciale qui, alimenté par la surface de contact réelle mesurée, a permis de reproduire l’amplitude et la forme de la réponse au frottement.
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