Pourquoi le noir de carbone renforce les pneus d’avion

Chaque pneu d’avion doit encaisser l’impact d’un avion à réaction entièrement chargé, puis le supporter à nouveau, des centaines de fois.

Les ingénieurs ont très tôt constaté qu’incorporer une fine poudre noire au caoutchouc le rendait suffisamment résistant pour cette tâche. Cette formule est restée pratiquement inchangée pendant près d’un siècle.

Cette poudre s’appelle le noir de carbone. Jusqu’à une période très récente, les ingénieurs ne disposaient pas d’une explication scientifique solide permettant de comprendre pourquoi en ajouter davantage renforce le caoutchouc.

L’ingrédient principal : le noir de carbone

À l’état pur, le caoutchouc est souple, extensible et élastique, mais il manque de durabilité et devient peu fiable sous de fortes charges.

La solution habituelle consiste à utiliser du noir de carbone, une fine suie obtenue en brûlant du pétrole ou du gaz naturel avec peu d’oxygène.

Les fabricants en mélangent des particules microscopiques au caoutchouc, ce qui explique pourquoi presque tous les pneus sont noirs.

La formule a très peu évolué depuis les années 1920. L’ajout de suie rend le caoutchouc plus résistant.

Les fabricants de pneus achètent des dizaines de qualités de noir de carbone et déterminent lesquelles conviennent en les testant sur de vrais pneus.

Un siècle d’hypothèses

Trois théories tentaient de l’expliquer. Selon la première, les particules se relient en chaînes à travers le caoutchouc et supportent la charge.

Une autre soutenait que les chaînes de polymères s’accrochent à chaque particule et se rigidifient comme de la colle.

La troisième mettait l’accent sur l’espace : les particules occupaient du volume, obligeant le caoutchouc qui les entoure à se déformer plus fortement que du caoutchouc ordinaire.

Aucune de ces trois explications ne démontrait entièrement le comportement réel du caoutchouc renforcé sous contrainte. Chaque modèle éclairait une partie du phénomène, sans fournir une vision complète.

Le professeur David Simmons, de l’Université de Floride du Sud (USF), souhaitait obtenir une réponse nette. Le problème était toutefois que personne ne pouvait observer le mécanisme en fonctionnement.

Le phénomène est à la fois trop petit pour être vu directement et trop rapide pour être filmé. Le caoutchouc est lui-même un enchevêtrement de longues molécules en chaîne qui s’enroulent autour de chaque particule.

Dans la simulation du pneu

Simmons et son équipe ont recréé sur ordinateur l’intérieur d’un pneu afin d’en tirer une conclusion.

Avec le Dr Pierre Kawak et le doctorant Harshad Bhapkar, il a réalisé 1,500 simulations distinctes de dynamique moléculaire.

Chacune suivait des centaines de milliers d’atomes se déplaçant comme ils le feraient dans un véritable morceau de caoutchouc renforcé.

Un précédent article du même groupe avait laissé entrevoir où pourrait se situer la réponse. Cette fois, l’équipe a toutefois rassemblé suffisamment de données pour étayer cette théorie.

Le caoutchouc s’oppose à lui-même

La clé réside dans une propriété appelée coefficient de Poisson. Elle mesure la façon dont un matériau change de forme dans une direction lorsqu’on l’étire dans une autre.

Lorsqu’on étire un élastique ordinaire, il s’amincit au milieu tout en conservant approximativement le même volume global.

Avec l’ajout de noir de carbone, les règles changent. Les particules dures ne se compriment pas latéralement comme le ferait le caoutchouc, ce qui empêche l’amincissement habituel.

Il ne reste alors qu’une possibilité : l’ensemble du composite doit augmenter de volume à mesure qu’il s’étire.

Ce faisant, le caoutchouc oppose une forte résistance. Simmons décrit ce phénomène comme un matériau qui lutte contre lui-même.

« Comment se fait-il que nous utilisions cela depuis 80, 90, 100 ans sans vraiment savoir comment cela fonctionne ? », a déclaré Simmons.

Trois théories réunies

La nouvelle explication n’écarte pas les anciennes. Les réseaux de particules et les couches adhérentes de polymères autour de chacune d’elles contribuent toujours à l’effet observé.

La simple géométrie liée à l’occupation de l’espace participe également au même phénomène. Le caoutchouc conserve une résistance croissante aux changements de son volume global.

Une étude antérieure du même groupe avait préparé le terrain pour réunir ces théories. Avant cet essai, personne n’avait montré que les trois convergeaient dans la même direction.

Le « Magic Triangle »

Les ingénieurs spécialisés dans les pneus évoquent depuis longtemps ce qu’ils appellent le « Magic Triangle ».

Il décrit la situation dans laquelle l’efficacité énergétique, l’adhérence et la durabilité s’opposent toutes les unes aux autres. En améliorer une se fait généralement au détriment d’une autre.

Lorsqu’on cherche à renforcer l’adhérence d’un pneu sur route mouillée, on perd généralement en rendement kilométrique. Quand les pneus sont conçus pour durer plus longtemps, leur adhérence à la chaussée diminue.

Grâce à un modèle décrivant ce que fait réellement le noir de carbone à l’échelle atomique, les ingénieurs peuvent commencer à choisir délibérément la taille des particules et la chimie du caoutchouc.

Au-delà du pneu

Ces mêmes lois physiques interviennent partout où une pièce en caoutchouc est nécessaire. Cela comprend les joints de centrales électriques, les systèmes hydrauliques d’avions, les dispositifs médicaux et bien d’autres applications.

En 1986, la navette spatiale Challenger s’est désintégrée après la défaillance au décollage d’un joint torique en caoutchouc rigidifié par le froid.

Si la nouvelle théorie se confirme, les fabricants de ces secteurs pourront concevoir leurs pièces avec davantage d’assurance.

Il est important de préciser que les données proviennent de modèles informatiques et non d’expériences physiques.

Les simulations sont conçues pour correspondre au caoutchouc réel, mais tout mécanisme identifié par le modèle devra encore être confirmé expérimentalement.

L’avenir du caoutchouc renforcé

L’étude a peut-être résolu l’énigme. Le noir de carbone rend le caoutchouc renforcé plus résistant parce qu’il force le matériau à entrer dans un état où l’étirement exige une expansion de volume.

Le caoutchouc résiste fortement à cette expansion volumique, apportant une réponse attendue depuis les années 1920.

Ce qui change désormais concerne la conception. Les fabricants de pneus n’ont plus besoin de considérer les qualités de noir de carbone comme une boîte noire.

« Avec ces résultats, nous posons de nouvelles bases pour concevoir rationnellement des pneus », a déclaré Simmons.

La même approche peut être appliquée à d’autres matériaux composites dont les mystères tenaces restent non résolus.