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CENTRE DE MISE EN FORME
DES MATERIAUX
UMR CNRS 7635
Mines ParisTech - ARMINES - CS 10207 - 06904 Sophia-Antipolis Cedex Tél. +33 (0) 4 93 95 75 75 - Fax +33 (0) 4 92 38 97 52 [email protected] - www.cemef.mines-paristech.fr
Caractérisation du comportement mécanique de composites techniques
Contexte
Les pressions écologiques et économiques poussent les secteurs des transports aéronautiques, navals et terrestres à faire de plus en plus appel à des pièces d'habitacles ou de structure en composites techniques. Les résines peuvent être soit thermoplastiques soit thermodurcissables renforcées par des fibres de verre ou des fibres de carbone. Les composites, alliant légèreté et résistance mécanique, participent à l'allègement des pièces structurales et contribuent à la réduction de la dépendance des véhicules à l’énergie fossile, mais également à la réduction de leur impact environnemental. Toutefois, la compréhension de leur comportement en usage et de leur durée de vie reste imparfaite. Ceci est un frein considérable à l’usage de ces matériaux lorsque la sécurité du véhicule est engagée ou à l’optimisation de leur utilisation, le dimensionnement ne présentant pas un degré de confiance suffisant.
Figure 1 : Comportement thermomécanique d’un composite technique
Objectifs du projet :
L’objectif de ce projet est de caractériser le comportement mécanique d’un composite renforcé fibres courtes à matrice thermoplastique thermostable. A partir d’une méthodologie de caractérisation déjà éprouvée (Figure 1), l’objectif du stage sera de mettre en évidence le couplage qui existe entre le comportement mécanique du composite et les effets de vitesse de déformation, de température et d’orientation des fibres. Une machine d’essai sera utilisée afin de solliciter les matériaux dans des conditions réalistes (essais de traction en température). Associée à des méthodes de corrélation d’images (champs de déformation local 2D et 3D), ce dispositif permettra la caractérisation du comportement du composite sous chargement cyclique.
Contacts :
J.L. Bouvard ([email protected])
N. Billon ([email protected])
Encadrants : C. Raufaste et F. Celestini
Laboratoire : LPMC
Titre du stage : Un film de savon tournant
Si vous formez un film de savon sur un anneau circulaire vous allez rapidement observer de jolies
couleurs sur ce film (figure 1a). Ce phénomène d'interférences est du au drainage du liquide sous
l'effet de la gravité. Le film s'amincit par le haut et, au bout d'un certain temps, se rompt.
Figures d’interférences sur un film de savon. a) sous l'effet de la gravité b) sous l'effet de la force
centrifuge
Nous désirons étudier l'effet d'une rotation de l'anneau sur le drainage. La force centrifuge devrait
pondérer l'effet de la gravité et ainsi modifier le temps de vie du film. On peut voir sur la figure 2
résultant d'une expérience préliminaire, la modification de la figure d'interférence provoquée par
une rotation du film à une vitesse de 30 tours par secondes.
Ce stage se déroulera au LPMC dans l'équipe Fluides Complexes étudiant des systèmes complexes
en physique de la matière molle : Interfaces fluides, milieux granulaire, mousses et films de savons.
L'objet de ce stage est de participer à la mise en place de cette nouvelle expérience et de s'initier
aux techniques expérimentales (interférométrie, imagerie par caméra ultra-rapide etc ..) utilisées
dans l'équipe.
Important : nous invitons les étudiants intéressés par ce stage a venir nous rencontrer.
Contact : [email protected] [email protected]
Proposition de sujet de stage au LPMC
Thématiques : Matière molle, Capillarité, Mécanique des fluides
Nom du laboratoire : LPMC, Nice
Responsables : Christophe Raufaste et Franck Celestini
Contact : [email protected] [email protected]
Interaction entre films de savon et jets
Le LPMC compte une thématique matière molle avec des sujets pour lesquels les phénomènes
capillaires sont couplés aux écoulements liquides. Nous étudions essentiellement la dynamique de jets,
de gouttes, de vagues et des mousses liquides.
Les films de savon sont des membranes liquides stabilisées par la présence de surfactants. Ils se
rencontrent par exemple dans les mousses liquides au niveau des contacts entre bulles. Ils ont la
particularité d'avoir une épaisseur micrométrique, tout en étant non contraints. Ils représentent un
modèle pour l'étude des écoulements 2D à surface libre [1,2].
Nous avons récemment mis en évidence des comportements originaux lorsque les films de savon sont
impactés et traversés par des jets liquides de même composition :
1 – dans certains régimes, le film de savon est capable de dévier et « réfracter » le jet avec des
propriétés présentant des analogies avec l'optique géométrique.
2 – le jet entraîne des écoulements centripètes dans le film de savon qui va induire l'amincissement et
la rupture de ce dernier.
Concernant ce deuxième point, des motifs d'épaisseur originaux sont observés (Stage M2 2015) et
démontrent une corrélation entre le temps de vie du film de savon et les caractéristiques du jet (rayon,
vitesse).
Le but de ce stage sera d'imager et de quantifier la dynamique d'amincissement du film de savon en
fonction des caractéristiques du jet mais aussi de la composition de la solution de surfactants. Le
travail sera essentiellement expérimental avec la mise en place de techniques telles que l'imagerie
ultra-rapide, l'interférométrie et la PIV (Particle Image Velocimetry).
[1] Y. Couder et al.. On the hydrodynamics of soap films. Physica D 37, 384-405 (1989).
[2] A. Boudaoud et al.. Self-Adaptation in vibrating soap films. Phys. Rev. Lett. 82, 3847-3850 (1999).
[3] G. Kirstetter, C. Raufaste, F. Celestini. Jet impact on a soap film. Phys. Rev. E 86, 036303 (2012).
Motif d'interférences sur le film de savon lorsque celui-ci est traversé par le jet
Title : Dispersion de sépiolite dans une résine époxy biosourcée
Lieu du stage : MINES ParisTech - CEMEF, Centre de Mise en Forme des Matériaux, Sophia-Antipolis
Université de Nice-Sophia Antipolis, LPMC, Nice
Groupes de recherche : Pôle Polymères et Composites, Groupe Rhéologie, Microstructure et Procédés
Équipe Matériaux Éco-compatibles (Fluides & Matériaux Complexes)
Durée : Stage M1
Contacts : Edith PEUVREL-DISDIER : 04 93 95 75 89, [email protected] Alice MIJA : 04 92 076 108, [email protected] Guillaume FALCO : 04 92 076 130, [email protected] Françoise GIULIERI : [email protected]
Sujet :
La dispersion des charges dans une matrice polymère dépend des interactions entre la charge et la matrice et de l’action thermo-mécanique qui peut lui être associée. L’équipe matériaux éco-compatible travaille à la mise au point de résines époxy à partir de monomères biosourcés et de durcisseurs éco-respectueux. L’incubateur PIGM’AZUR, issu de l’Université de Nice-Sophia Antipolis développe des pigments naturels à base de sépiolite (argile à structure fibrillaire). La dispersion de sépiolite dans ces résines époxy biosourcées montre des morphologies singulières qu’il est important de comprendre pour maîtriser les propriétés finales du matériau. L’objectif du stage est de comprendre par des essais simples la formation des morphologies développées en fonction du traitement de la sépiolite, de sa concentration au sein de la matrice polymère et des conditions de dispersion & d’élaboration.
Le travail se fera en collaboration entre le LPMC à Nice (préparation de mélanges sur Nice) et le CEMEF à Sophia-Antipolis (microscopie optique, rhéologie à Sophia-Antipolis) et sera réalisé entre les deux établissements.
Le travail impliquera des essais :
• sur des agrégats de sépiolite seuls : des essais d’infiltration des agrégats par le monomère seront réalisés. Les observations seront réalisées en microscopie optique en transmission en lumière polarisée. De par la bonne affinité entre l’argile fibrillaire et l’huile bio-sourcée, une désagrégation spontanée se produit jusqu’à une certaine échelle. Le comportement en dispersion de sépiolites ayant subi différents traitements (sonification, ultra-turax incorporation de pigments) sera comparé. Des essais en présence d’un écoulement seront aussi envisagés.
• sur des suspensions de sépiolite : la morphologie de suspensions obtenues en fonction du traitement de la sépiolite et de la fraction volumique sera caractérisée par microscopie optique et/ou électronique. Cette morphologie sera corrélée au comportement rhéologique des suspensions avant réticulation et aussi aux morphologies après réticulation.
Ce travail pourra impliquer la mise au point de petits protocoles expérimentaux par exemple pour essayer de comprendre l’effet de l’étape de réticulation sur la morphologie.
Ce travail s’intègre dans le travail de thèse de Guillaume FALCO.
Stage master année 2015-2016
Lieux : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Nice
Encadrants: Pavel Kuzhir, Georges Bossis
Collaboration prévue : entreprise CHRYSO
Sujet: Rhéologie de suspensions concentrées avec des inclusions fibreuses
Le renforcement de matériaux cimentaires (MC) par des fibres améliore leur résistance mécanique et
leur ductilité. La fabrication de MC très chargés en fibres est problématique à cause de leur faible
fluidité et de leur hétérogénéité. Des polymères "super-plastifiants" améliorent la fluidité mais la
teneur en fibres reste limitée à environ 16% de la fraction volumique d'empilement aléatoire (FVA).
Cette limitation vient probablement du rhéo-épaississement localisé au voisinage des zones
fortement cisaillées entre fibres. Une formulation appropriée de super-plastifiants pourrait décaler le
rhéo-épaississement vers des taux de cisaillement plus élevés permettant des teneurs plus
importantes de fibres pour la même fluidité. Ce stage vise à: (1) établir le rôle du super-plastifiant sur
la rhéologie des MC renforcés en fibres; (2) trouver des formulations optimales et rentables assurant
une bonne fluidité et l'homogénéité pour des teneurs en fibres bien au-dessus de 16% de la FVA.
Pou a o pli es o je tifs, u e tude exp i e tale de la h ologie d’u MC od le – une
suspension concentrée de carbonate de calcium – se a alis e à l’aide d’u h o t e à o t ai te i pos A to Paa MCR 3 /5 et d’u h o t e à vitesse i pos e et à fo t ouple fa i u pa la société CAD.
Stage master année 2015-2016
Lieux : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Nice
Encadrants: Pavel Kuzhir
Sujet: Séparation de nanoparticules magnétiques en vue d’application à la détection de biomolécules
La séparation magnétique émerge comme méthode notatrice en tests immunologiques en
microfluidique. L'utilisation de nanoparticules magnétiques (NPM) au lieu de microbilles
offre une meilleure sensibilité de détection de biomolécules (du nmol/L au pmol/L) mais reste
difficile en raison du fort mouvement brownien des NPM résultant en une moindre efficacité
de capture par des gradients de champ magnétique. Nous avons prouvé que les NPM peuvent
être efficacement capturées si elles subissent une séparation de phase transitoire induite par un
champ. Ce stage vise à établir les mécanismes de capture de NPM dans des micro-canaux en
présence de cette séparation de phase. Les micro-canaux seront équipés d’un réseau de plots en nickel attirant les nanoparticules et les séparant du flux de fluide suspendant. Pour
accomplir le but du stage, les expériences de visualisation du phénomène d’accumulation de nanoparticules autour des plots seront réalisées et les corrélations expérimentales entre
l’efficacité de capture et le nombre de Mason (rapport de forces hydrodynamiques et
magnétiques) seront établis et comparées aux modèles théoriques.
Proposition de stage
Les propergols sont les combustibles solides des fusées Ariane. Ce sont des suspensions
polydisperses extrêmement concentrées (environ 75%), composées de particules anguleuses
de carburant et de comburant dispersées dans une matrice élastomérique. Les propergols sont
coulés dans des réservoirs puis la matrice est réticulée. C’est la combustion contrôlée de ce
matériau qui assure la propulsion de la fusée. La rhéologie des propergols joue un rôle
extrêmement important lors de leur mise en forme. En particulier, les lois constitutives qui
régissent leur comportement rhéologique doivent être introduites dans les codes de calcul qui
permettent de résoudre les écoulements lors des différentes phases de la mise en œuvre. Ces
lois doivent naturellement être connues aussi précisément que possible. Nous proposons ici de
mettre au point un protocole de rhéométrie qui permettra d’obtenir de façon exhaustive et
fiable les propriétés rhéologiques des propergols.
Dans un premier temps, nous nous inspirerons de travaux de la littérature décrivant des études
de rhéologie de suspensions de particules polydisperses et/ou cristallines. Ensuite, à partir
d’un échantillon (mélange inerte de matière, fourni par Heracles), nous réaliserons toutes les
caractérisations nécessaires pour établir les lois de comportement rhéologique : *
1 2( ), ( ), ( ), ( , )N N , et étant respectivement le taux de cisaillement et la
fréquence associée aux essais rhéométriques et, , N1, N2, et *, la viscosité, les première et
seconde différences de contrainte normale et la viscosité complexe. Le protocole proposé
permettra également d’obtenir des informations plus microscopiques sur les propergols. Nous
avons par exemple montré que des expériences d’inversion du sens de l’écoulement
permettaient d’obtenir des informations sur les forces de contact entre particules, forces qui
elles-mêmes sont directement impliquées dans les phénomènes de migration ou de
ségrégation par taille. Cette étude sur un matériau inerte nous permettra de proposer un
protocole de mesure rhéologique adapté à la caractérisation de propergols actifs qui sera
ensuite mis en œuvre sur le site de Heraklès (ESM), à Bordeaux.
Pour des raisons de « secret défense », l’entreprise exige que le stagiaire soit de nationalité
française.
Responsable de stage : Elisabeth Lemaire [email protected]
Collaboration : Société Héraklès (Vincent Ambit), CEMEF (Rudy Valette)
Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, C. Cohen et E. Lemaire.
Université de Nice Sophia-Antipolis, Contact : [email protected].
Parc Valrose, 06100 Nice.
Effet des interactions interparticulaires sur la rhéologie d’une suspension concentrée de particules non-
Browniennes.
Les suspensions concentrées de particules solides sont présentes dans de nombreux domaines
industriels. Parmi ces applications, les bétons occupent une place importante. Les particules qui forment le
béton présentent une grande variété de tailles et de formes. Nous nous intéressons ici uniquement au cas
des particules non-browniennes et sphériques. La description de la rhéologie de ces suspensions est
délicate à cause du couplage qui existe entre l’écoulement et l’organisation des particules dans la
suspension. Ce couplage ne peut s’expliquer qu’en faisant intervenir des forces d’origine non
hydrodynamique qui sont principalement des interactions de contact qui ont été mises en évidence
récemment au LPMC. La question maintenant est de savoir quelle est la nature exacte de ces interactions
de contact. S’agit-il de friction solide entre les particules ? Ou existe-t-il un glissement entre le liquide
interstitiel et la surface des particules ?
Pour apporter des réponses quantitatives à ces questions, il devient nécessaire de contrôler les
interactions de contact pour identifier leur rôle respectif. C’est ce que nous nous proposons de faire au
cours de ce stage en alliant des compétences en matière de physique et de chimie.
La première étape de ce travail sera donc de modifier les interactions interparticulaires en
fonctionnalisant chimiquement les particules avec des polymères adsorbés à la surface. Ces « cheveux »
s’entremêlent ou non entre eux suivant leurs affinités vis-à-vis d’eux-mêmes et du liquide suspendant. Ceci
aura donc pour effet, suivant le polymère choisi, de favoriser le glissement ou la friction entre particules. La
seconde étape du stage consistera à analyser le comportement rhéologique macroscopique de ces
suspensions en fonction des différents revêtements chimiques (hydrophiles ou hydrophobes) afin d’avancer
sur l’identification de la nature des interactions de contact.
Ce stage entre dans le cadre d’une collaboration avec la société CHRYSO.
Stage Master : Vibrations d’une assemblée de gouttes déposées.
Laboratoire Physique de la Matière Condensée
Xavier Noblin, Céline Cohen
Nous proposons dans le cadre de ce stage d’étudier la vibration verticale d’une assemblée de gouttes déposées sur un substrat solide. Du fait de la tension de surface, une
goutte soumise à des vibrations présente des modes d’oscillation de sa surface. En fonction de la fréquence et de l’amplitude, la ligne de contact peut se mettre en mouvement, le rayon de la
goutte oscillant radialement [1]. On s’intéressera dans le cadre de ce stage aux effets de
vibrations verticales, non pas sur une goutte mais une assemblée de gouttes voisines. Ce cas
est observé par exemple lorsqu’une surface refroidie est plongée dans une atmosphère
relativement humide. Des gouttes microscopiques apparaissent sur la surface par nucléation
(figure de souffle). Ces figures présentent la particularité d’évoluer avec le temps, les gouttes grossissant (d’une taille submicronique à plusieurs millimètres) à mesure que l’eau liquide condense et à mesure que ces gouttes entrent en contact et coalescent. Ce processus est très
lent. Nous souhaitons étudier l’effet de vibrations verticales du substrat sur la dynamique de croissance et coalescence des gouttes. L’idée est d’utiliser les variations du rayon pour que des gouttes voisines entre en contact et coalescent. Nous utiliserons des surfaces simples ou
texturées, fabriquées dans la salle blanche du LPMC. Nous étudierons en particulier le rôle de
la fréquence des vibrations et leurs amplitudes en fonction de la taille des gouttes pour une
meilleure efficacité. L’objectif sera de proposer de nouvelles solutions pour récupérer des
quantités plus grandes d’eau, plus rapidement.
Condensation de gouttes d’eau sur une surface texturée vue de dessus . Distance entre plots : 40 µm
[1] X. Noblin, A. Buguin and F. Brochard-Wyart. Vibrated sessile drops: Transition between
pinned and mobile contact line oscillations. Eur. Phys. Jour. E, 14, 4, p. 395 (2004)
Instabilité de flambement d'un jet liquide
Lorsqu'un jet de liquide vertical issu d'un tube rencontre un plan horizontal, le ralentissement de l'écoulement
peut produire une instabilité analogue au flambement d'une tige solide comprimée dans la direction axiale :le jet se plie et s'enroule sur lui-même à la manière d'un tire-bouchon. Plusieurs régimes peuvent être mis en
évidence, qui sont déterminés par les effets relatifs des forces visqueuse, gravitationnelle et inertielle. Lors dece stage, l'étudiant bâtira une expérience afin d'étudier un ou plusieurs de ces régimes. On utilisera un liquide
newtonien, mais, en fonction du temps disponible, on pourra également étudier le flambement dans le casd'une suspension concentrée de particules solides.
Durée du stage : 39 jours
Contacts
Laurent Lobry [email protected]
François Peters [email protected]
MINES ParisTech - ARMINES – CS 10207 - 06904 Sophia-Antipolis Cedex Tél. +33 (0) 4 93 95 75 75 - Fax +33 (0) 4 92 38 97 52 [email protected] - www.cemef.mines-paristech.fr
CENTRE DE MISE EN FORME
DES MATERIAUX
UMR CNRS 7635
PROPOSITION DE STAGE M1
ETUDE NUMERIQUE DE L’ECOULEMENT ELONGATIONNEL TRANSITOIRE DE LIQUIDES NON-NEWTONIENS
Contact : Rudy Valette ([email protected]) Stéphanie Riber ([email protected]) Sujet : calcul par éléments finis de l’écoulement et de l’évolution de la surface d’un liquide présentant un seuil d’écoulement. Utilisation de méthodes level-set et d’adaptation de maillage.
Nous voudrions étudier numériquement l’effet d’un seuil d’écoulement (contrainte à dépasser pour permettre l’écoulement d’un fluide) et de sa viscosité au-delà du seuil, sur les caractéristiques d’un test classique
d’élongation transitoire d’un volume initial donné. Des mesures expérimentales ont montré des différences
nettes entre liquides newtoniens et non-newtoniens (voir figure), le recours au calcul numérique permettra de
mettre en évidence localement les différences dans la solution du problème posé.
Figure : forme avant rupture d’un échantillon liquide étiré brusquement entre deux plateaux. De gauche à droite : eau,
fluide à seuil 1, fluide à seuil 2, fluide viscoélastique
Le (la) candidat(e) devra posséder des notions dans le domaine du calcul numérique et de la mécanique des
fluides. Il (elle) utilisera les développements numériques de la thèse de doctorat en cours de Stéphanie Riber.
L’étude consistera à assurer à maîtriser et exploiter les méthodes numériques utilisées, pour assurer une
résolution précise des champs de vitesse, pression et position de l’interface air-liquide.
En 2016, le CEMEF fête les 40 ans de son installation à Sophia Antipolis. Suivez toute l’actualité des célébrations sur www.cemef40ans.mines-paristech.fr
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PROPOSITION DE STAGE M1
ETUDE EXPERIMENTALE DE LA STRUCTURE A L’IMPACT DU JET D’UN FLUIDE NON-NEWTONIEN
Contact : Rudy Valette ([email protected]) Romain Castellani ([email protected]) Sujet : à dominante expérimentale sur la compréhension de la structure formée par l’impact du jet d’un fluide non-newtonien dans une opération de remplissage. C’est, entre autres, un point clé dans la fabrication de propulseurs de fusées.
Le comportement à l’impact d’un jet fin de fluide newtonien est bien compris aujourd’hui. A cet instant, le jet forme un
enroulement (voir figure a 1) plus ou moins régulier, qui
s’effondre périodiquement sous son poids au-delà d’une certaine hauteur. Le monticule formé s’enfonce continûment dans le volume déjà présent (voir figure d 1).
La dynamique de l’enroulement et de l’effondrement du monticule sont interprétés comme une compétition entre
des effets gravitationnels, inertiels et visqueux 2, dans le cas newtonien. Dans le cas de suspensions de
particules solides dans une matrice liquide (qui constitue le carburant de certaines fusées), le comportement
est non-newtonien, et présente entre autres des effets de seuil et de forces normales. Dans ce cas se pose
alors la question de la forme du monticule et de la dynamique qui régit son effondrement.
Nous voudrions donc étudier la chute et l’impact du jet pour différentes formulations de liquides (newtonien, à
seuil, suspension de particules, etc..) afin de mettre en évidence l’influence des paramètres rhéologiques sur
la forme de l’impact. Le suivi de la structure formée se fera par des techniques d'imagerie rapide et le
traitement numérique des données ainsi récupérées.
Le (la) candidat(e) devra donc idéalement posséder des notions dans ces deux domaines ainsi qu'un goût
prononcé pour l'expérimentation. Il (elle) sera éventuellement amené(e) à avoir recours à des simulations
numériques développées au laboratoire CEMEF.
1 Ribe et al., Ann. Rev. Fluid Mech. 44, 2012
2 Voir aussi https://www.youtube.com/watch?v=CMYISqxS3K4
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UMR CNRS 7635
PROPOSITION DE STAGE M1
ETUDE EXPERIMENTALE DE LA CHUTE DE MILIEUX GRANULAIRES SUR DIFFERENTS SUBSTRATS
Contact : Rudy Valette ([email protected]) Romain Castellani ([email protected]) Sujet : à dominante expérimentale sur la compréhension de la chute d'un milieu granulaire sur un substrat
solide ou liquide, qui est un point clé dans la fabrication de lingots métalliques, les grains étant projetés sur la
surface du métal liquide afin de le protéger de la corrosion.
Le comportement aux relativement grandes vitesses d'écoulement
des milieux granulaires a été compris théoriquement assez
récemment 1. Ce comportement est dominé par des contraintes de
friction entre grains. La littérature 2 montre que l'étalement d'une
colonne granulaire initialement au contact d'un substrat solide
(problème de "dam-break", écroulement de barrage) présente une
dynamique universelle, à deux paramètres, pour une gamme étendue de types de grains : le profil
d'étalement fonction du temps (figure 2) peut être ainsi déduit d'une courbe maîtresse.
Nous voudrions démontrer que cette propriété s'étend (ou non) à une chute (où la colonne est positionnée
initialement à une hauteur h au-dessus du substrat) sur un solide, puis un liquide. Pour cela, des essais
modèles seront réalisés en variant des paramètres tels que la hauteur de chute, la géométrie du substrat, la
nature des frictions grains/substrat, etc…
Le suivi de l'étalement (avancée du front de matière, géométrie de la colonne) se fera par des techniques
d'imagerie rapide et le traitement numérique des données ainsi récupérées.
Le (la) candidat(e) devra donc idéalement posséder des notions dans ces deux domaines ainsi qu'un goût
prononcé pour l'expérimentation. Il (elle) sera éventuellement amené(e) à avoir recours à des simulations
numériques, développées dans le cadre de la thèse de doctorat en cours de Stéphanie Riber.
1 Rhéologie µ(I), Jop et al., Nature 441, 2006
2 Lube et al., Journal of Fluid Mechanics 508, 2004
Proposition de « stage en laboratoire » : Master de Physique, M1 P3M. Laboratoire de Physique de la Matière Condensée - CNRS U.M.R. 7336 Parc Valrose Université de Nice Sophia Antipolis, 06100 Nice. Encadrement : Jacques Persello, Collaboration : Alain Meunier. Bâtiment Recherche Sciences Naturelles, étage 5, Bureau 608. Tél. : 04 92 07 67 74 [email protected]
Les nanofluides électrorhéologiques.
Synthèse, propriétés viscoélastiques sous champ, éca is es d’actio et applications.
Contexte
Un fluide électrorhéologique (ER) est constitué de fines particules solides dispersées dans un liquide
di le t i ue. Ces fluides o t la p op i t e a ua le de pouvoi se « solidifie » e p se e d’un
champ électrique, avec un temps de réponse de quelques millisecondes, puis de reprendre leur
propriété initiale (état liquide) dès que le champ électrique est supprimé.
Ils constituent une classe particulière des matériaux avancés que sont les matériaux adaptatifs.
Les applications de ces fluides sont très vastes. On peut obtenir un fluide électrorhéologique dont on
peut ajuster les propriétés viscoélastiques en modulant le champ électrique appliqué en fonction
d’u e solli itatio e t ieu e fo a t des dispositifs d’a o tisse e ts i iatu is s utilisa les da s le domaine acoustique et vibratoire sur une large bande fréquentielle.
L’appli atio d’u e p essio ui vie t ett e e o ta t les pa ti ules au sei de la st u tu e e colonnes permet en outre de moduler la conductivité électrique formant des capteurs piézorésistifs
i t g a les sous fo e de ou he i e souple à ’i po te uelle st u tu e. Sous l'effet d'un champ électrique, on observe une modification de l'arrangement spatiale des
particules da s le s st e ui s’o ga ise t e olo es do t o peut ajuste les dista es odifia t fortement les propriétés optiques du fluide.
L’appa itio d’u e ouvelle g atio de fluides le t o h ologi ues ER utilisa t des pa ti ules de taille nanométrique dispersées dans un liquide diélectrique a ela fo te e t l’i t t de es matériaux adaptatifs. Au-delà du saut de pe fo a e o stat ualifi d’effet g a t , l’ tude des nanofluides ER doit être poursuivie tant sur le plan scientifique (compréhension des mécanismes de
cet effet ER géant) que technologique (élaboration de fluides ER performants et opérationnels,
o eptio de ouveau dispositifs et i os st es ER… . Da s ette tude l’appli atio vis e se a l’ la o atio de va ista es souples.
Dans ce projet, en association avec le Laboratoire Coulomb de Montpellier, nous proposons de
mettre en lumière les mécanismes mésoscopiques responsables de cette dépendance avec le champ
des propriétés structurales pa l’ tude des p op i t s d namiques (viscoélastiques) de ces fluides en
présence d’u ha p le t i ue alte atif, da s diff e tes o ditio s de o e t atio et de taille de particules. Les fluides retenus dans cette étude, sont des dispersions à l’ helle a o trique
d’u at iau semiconducteur (ZnO dopé) dans un élastomère silicone.
Travail expérimental demandé :
Synthèse des fluides ER par dispersion sous ultra-sons des particules dans un élastomère silicone.
Caractérisation des fluides ER en termes de structure, taille et morphologie, diélectrique.
On recherchera en particulier les relations résistance électrique – champ électrique – structure
colonnaire du fluide ER.
En utilisant les montages existant au laboratoire du LPMC ; étude des effets du champ électrique
(amplitude, fréquence) sur les propriétés viscoélastiques des fluides.
Sujet de stage:Greffage de fluidifiant sur des particules de carbonates de calcium et impact sur la
rhéologie des suspensions concentrées de carbonates de calcium.
Lieu du stage : LPMC
Encadrants: J. Persello, A.Meunier
Résumé :
Les fluidifiants utilisés dans l’industrie de la construction permettent d’augmenter la fraction volumique en
particules de la suspension afin d'accroître les propriétés mécaniques du béton tout en conservant une
maniabilité satisfaisante lors de sa mise en œuvre. En effet ces molécules adsorbées sur la surface permettent
d'éviter dans une certaine mesure le contact frictionnel entre particules en suspension et leur efficacité dépend
entre autre de leur densité de surface.
Néanmoins des phénomènes de blocage de l'écoulement au dessus d'un certain taux de cisaillement persistent
[1] et sont problématiques en particulier dans les opérations de pompage des bétons haute performance ou la
fraction volumique de minéral est très grande. L'origine du blocage n'est pas clairement établie. On peut supposer que sous l'effet de fortes contraintes
hydrodynamiques, les molécules du fluidifiant sont arrachées de la surface des particules ce qui permet les
frictions du type solide-solide entre les particules.
Les molécules sont adsorbées sur les particules par des interactions électrostatiques relativement faibles. On
se propose de modifier la surface des particules de carbonate par traitement thermique afin de fixer les
molécules du fluidifiant (ici du PCP ou Optima) par des liaisons covalentes beaucoup plus résistantes.
On vérifiera ensuite quel effet cela a-t-il sur la rhéologie des suspensions, en particulier sur le taux de
cisaillement critique.
Le but du stage est donc :
* modifier la surface des particules de carbonate de calcium et greffer les molécules de surfactant
* faire des mesures de rhéologie sur des suspensions concentrées afin de déterminer le taux de cisaillement
critique de blocage des suspensions.
Références
[1] Rheology of a gypsum suspension in the presence of different superplasticizers M. Neuville, G. Bossis, J.
Persello and O.Volkova, P. Boustingory, M. Mosquet; J.Rheology, (2012), vol. 56, issue 2, p. 435