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Suspensions rhéo-épaississantes - Principes et applications

Auteur(s) : Cécile CLAVAUD, Antoine BÉRUT, Bloen METZGER, Yoël FORTERRE

Date de publication : 10 avr. 2018

Relu et validé le 01 oct. 2020

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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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ABSTRACT

Shear thickening suspensions - Principles and applications

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)

Cécile CLAVAUD : Doctorante contractuelle - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
Antoine BÉRUT : Post-doctorant - Institut de Physique de Rennes - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
Bloen METZGER : Chargé de Recherche CNRS - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
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.

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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).
(3) - BOERSMA (W.H.), LAVEN (J.), STEIN (H.N.) - Shear thickening (dilatancy) in concentrated dispersions. - AIChE journal, 36(3) : 321-332 (1990).
(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).
(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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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - CONTEXTE

1.1 - Qu’est-ce que le rhéo-épaississement ?
1.2 - Applications industrielles
1.3 - Une origine physique discutée
1.4 - Problématique
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2 - MODÈLE DE TRANSITION FRICTIONNELLE

2.1 - Rhéologie d’une suspension idéale : analyse dimensionnelle
2.2 - Ingrédients clés du modèle de transition frictionnelle : force répulsive et frottement
2.3 - Simulations numériques du modèle
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3 - MISE EN ÉVIDENCE EXPÉRIMENTALE

3.1 - Expériences macroscopiques
3.2 - Expériences microscopiques
- Quiz d'entraînement

4 - CONCLUSION : VERS LES MATÉRIAUX D’AVENIR

5 - GLOSSAIRE

6 - SYMBOLES

7 - REMERCIEMENTS

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