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RÉSUMÉ
Le rhé-épaississement est un phénomène observé dans certaines suspensions denses de particules. Il consiste en une augmentation parfois brutale de leur viscosité lorsqu'elles sont soumises à une forte contrainte. Ce comportement, très utile pour certaines applications technologiques, peut aussi s'avérer problématique dans certains processus industriels. Longtemps resté une énigme, le rhé-épaississement est désormais décrit de façon cohérente par le modèle de transition frictionnelle. Cet article présente ce modèle ainsi que les études numériques et expérimentales qui le valident. Sont ensuite abordées différentes perspectives d'applications offertes par la compréhension de ce phénomène.
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Shear thickening is observed in dense particulate suspensions. It consists of a sometimes very marked increase in the suspension’s viscosity above an onset stress. This behavior, which is very useful in certain technological applications, can also cause problems in some industrial processes. Until recently, shear thickening was not understood. It can now be explained as a frictional transition in a recent theoretical model. This article presents this model and its numerical and experimental validations. Different applications that may emerge from an understanding of this effect are then discussed.
Auteur(s)
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Cécile CLAVAUD : Doctorante contractuelle - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
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Antoine BÉRUT : Post-doctorant - Institut de Physique de Rennes - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
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Bloen METZGER : Chargé de Recherche CNRS - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
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Yoël FORTERRE : Directeur de Recherche CNRS - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
INTRODUCTION
Certaines suspensions de particules ont la propriété de passer d’un comportement liquide, lorsqu’elles sont au repos ou qu’elles s’écoulent sous l’effet d’une faible contrainte, à un comportement solide lorsqu’elles sont sollicitées au-delà d’une contrainte critique. Cette propriété de rhéo-épaississement fascine les scientifiques et attire l’attention de nombreux industriels depuis longtemps. Ces derniers tentent pour la plupart d’éviter les dommages qu’une telle transition peut causer sur certaines installations (endommagement des mélangeurs, bouchage de conduites). D’autres en revanche utilisent cette propriété pour l’élaboration de matériaux innovants tels que des armures souples, des bétons auto-plaçants ou encore des protections médicales.
L’origine du rhéo-épaississement des suspensions est longtemps restée obscure. Cependant, des prédictions théoriques récentes fournissent enfin un scénario cohérent pour expliquer cette transition. L’objectif de cet article est de présenter ce modèle dit de transition frictionnelle, ainsi que les différentes études numériques et expérimentales qui le valident.
La compréhension du rhéo-épaississement devrait permettre de rationaliser certaines pratiques industrielles restées jusqu’alors empiriques. Nous illustrons en particulier au paragraphe 4 comment le modèle de transition frictionnelle permet d’interpréter une innovation qui a révolutionné l’industrie du béton. Ce scénario offre aussi des perspectives prometteuses pour l’élaboration de fluides “intelligents”dont la rhéologie peut être ajustée à la demande.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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KEYWORDS
rheology | concrete | particulate suspensions | complex fluids | friction | active damper
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4. Conclusion : vers les matériaux d’avenir
Le modèle de transition frictionnelle, validé par des simulations numériques, des expériences microscopiques (mesure à l’échelle des particules) et des expériences macroscopiques (mesure à l’échelle de la suspension), fournit un cadre cohérent pour décrire le rhéo-épaississement. L’ensemble des résultats présentés dans cet article montre que ce phénomène est dû à la présence d’une force répulsive entre les particules qui induit un comportement non frottant ou frottant des particules en fonction des contraintes présentes au sein du système. L’augmentation brutale de la viscosité observée lors de cette transition est liée au fait que la fraction volumique critique ϕ c d’une suspension dépend de l’état frictionnel des particules.
Ces résultats montrent que la physique du contact à l’échelle nanométrique et micrométrique entre particules a un impact majeur sur le comportement macroscopique des suspensions, c’est-à-dire sur la rhéologie. La vision longtemps acceptée dans le domaine, qui faisait jouer aux interactions hydrodynamiques le rôle dominant, est ainsi remise en cause par ce nouveau paradigme, qui ouvre des perspectives d’applications prometteuses. En effet, la compréhension de l’influence combinée du frottement et de la physico-chimie à l’échelle des particules sur la rhéologie des suspensions devrait permettre de mieux contrôler les innovations évoquées au paragraphe 1.2 : protections sportives, armures souples, bétons modernes (voir ci-dessous). Cela ouvre également la voie au développement de suspensions dont la rhéologie peut être modifiée in situ par des sollicitations mécaniques externes, comme détaillé ci-après.
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Vers le contrôle actif de la rhéologie des suspensions
Les propriétés d’écoulement des suspensions sont généralement déterminées au moment de leur formulation (fraction volumique, traitement de surface, choix...
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Conclusion : vers les matériaux d’avenir
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GUYON (E.), HULIN (J.P.), PETIT (L.) - Hydrodynamique physique. - CNRS Édition, 3 édition (2012).
-
(2) - FREUNDLICH (H.), RÖDER (H.L.) - Dilatancy and its relation to thixotropy. - Transactions of the Faraday Society, 34 : 308-316 (1938).
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(3) - BOERSMA (W.H.), LAVEN (J.), STEIN (H.N.) - Shear thickening (dilatancy) in concentrated dispersions. - AIChE journal, 36(3) : 321-332 (1990).
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(4) - BROWN (E.), JAEGER (H.M.) - Shear thickening in concentrated suspensions : phenomenology, mechanisms and relations to jamming. - Reports on Progress in Physics, 77(4) (2014).
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(5) - BROWN (E.), JAEGER (H.M.) - The role of dilation and confining stresses in shear thickening of dense suspensions. - Journal of Rheology, 56(4) : 875-923 (2012).
-
(6) - TRACTON...
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