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Rhéologie de suspensions magnétiques

Pavel Kuzhir

Mercredi 17 novembre 2010

à 11h en salle C. Brot

Les suspensions magnétiques sont des suspensions de particules magnétiques de taille micrométrique dans un liquide newtonien. En présence d’un champ magnétique externe les particules forment des agrégats allongés. Si l’on cisaille la suspension dans la direction perpendiculaire au champ, les agrégats opposent une grande résistance à l’écoulement et la suspension développe une contrainte seuil qui peut aller jusqu’à 100 kPa. En champ magnétique parallèle à l’écoulement, les agrégats sont alignés avec les lignes de courant et on s’attendrait à une contrainte seuil nulle. Pourtant, expérimentalement on obtient une contrainte seuil en champ parallèle de même ordre de grandeur qu’en champ perpendiculaire. Pour comprendre ce phénomène nous avons mené une étude détaillée de l’écoulement d’une suspension magnétique dans un capillaire en présence d’un champ magnétique longitudinal. Dans nos expériences on retrouve le comportement de Bingham de la suspension magnétique avec une contrainte seuil dynamique proportionnelle à H5/3. On interprète ce comportement par une interaction dipolaire entre les agrégats qui provoque une déviation de leur orientation par rapport aux lignes d’écoulement. Un autre aspect intéressant de la rhéologie des suspensions magnétiques concerne l’effet de la forme des particules sur les propriétés viscoélastiques des suspensions. On a étudié l’écoulement de cisaillement des suspensions de microfibres de cobalt et trouvé que ces suspensions suivent la loi rhéologique de Bingham et développent une contrainte seuil environ trois fois supérieure à celle obtenue avec une suspension de particules sphériques. Pour tenter d’expliquer ce résultat nous avons calculé la contrainte de cisaillement en fonction de la déformation en prenant en compte le couple de rappel magnétique et la friction entre fibres et cela pour différents types de microstructure : structure en colonnes, en zigzag, réseau aléatoire de fibres en 3D et en 2D. La contrainte seuil de la suspension correspond à la destruction du réseau de fibres sous l’effet de la déformation appliquée. Le modèle du réseau aléatoire en 2D donne une correspondance satisfaisante avec les expériences pour des fractions volumiques de 5 et 7%. Il ressort de cette étude que la friction entre fibres induite par l’application du champ explique bien l’importante augmentation de contrainte seuil par rapport à une suspension de sphères.