Caractérisation et prédiction du vieillissement des élastomères dans les systèmes de freinage de trains

Characterization and prediction of elastomer aging in train braking systems

• Auteur / Autrice : Adrien Redon
• Direction : Jean-Benoît Le Cam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Michel Grédiac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Benoît Le Cam, Sandrine Thuillier, Mathieu Miroir, Éric Robin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Yves Le Gac, Stéphane Méo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Freins

Trains à grande vitesse

Vieillissement

Élastomères

Mots clés libres

Elastomère

NBR

Vieillissement

Thermo-Oxydation

Sollicitation mécanique

Prédiction de durée de vie

Elastomer

NBR

Aging

Thermo-Oxidation

Mechanical loading

Lifetime prediction

Résumé

Des joints toriques en élastomère butadiène-acrylonitrile (NBR) ou « nitriles » sont couramment utilisés dans les applications d'étanchéité, comme ceux trouvés à l'intérieur du système de freinage pneumatique du TGV. Dans cette application, un fort durcissement des NBR altère la fonction d'étanchéité du système et est une conséquence du vieillissement que subissent les élastomères pendant plusieurs années. Ce vieillissement engendre une dégradation des propriétés des matériaux, limitant leur durée de vie. Afin de reproduire ex-situ le vieillissement en conditions d’usage, des essais de vieillissement accélérés sont réalisés sur les différents NBR de l’étude, permettant d’étudier les cinétiques de dégradations à l’échelle du laboratoire. A travers de nombreuses analyses physico-chimiques et mécaniques, le mécanisme de dégradation principal à l’origine des changements au niveau du réseau macromoléculaire de l’élastomère est la thermo-oxydation. Cette dégradation chimique conduit au durcissement de l’élastomère et affecte ses propriétés viscoélastiques, réduisant alors sa capacité à se déformer lors d’une sollicitation mécanique (par exemple l’application d’une pression). Le couplage de la thermo-oxydation avec la pression est également étudié avec le développement d’un banc d’essais dédié et permet in fine d’affiner la prédiction de durée de vie des NBR utilisés par SNCF, dans l’optique d’une diminution de la fréquence des opérations de maintenance.

Nitrile butadiene rubbers (NBR) O-rings are commonly used in sealing applications, such as the braking system of France's high-speed train (TGV). In this application, severe hardening of NBRs alters the sealing function of the system and is a consequence of aging that elastomers undergo over several years. This aging leads to a degradation of material properties, limiting their service lifetime. In order to reproduce ex-situ the aging under conditions of use, accelerated aging tests are carried out on the various NBRs of the study, enabling degradation kinetics to be studied on a laboratory scale. Numerous physico-chemical and mechanical analyses have shown that the main degradation mechanism responsible for changes in the macromolecular network of elastomers is thermo-oxidation. This chemical degradation leads to the hardening of the elastomer and affects its viscoelastic properties, reducing its ability to deform under mechanical stress (e.g. the application of pressure). The coupling of thermo-oxidation and pressure is also studied, with the development of a dedicated test bench, and enabled us to predict the lifetime of NBRs used by SNCF, in order to reduce the frequency of maintenance operations.