Rôle des contacts adhésifs et frottants dans la rhéologie des suspensions non-browniennes

Role of frictional and adhesive contact on non-brownian suspension rheology

• Auteur / Autrice : Duncan Gilbert
• Direction : Élisabeth Lemaire, Rudy Valette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/10/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Philippe Coussot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Élisabeth Lemaire, Rudy Valette, Philippe Coussot, Marguerite Bienia, Guillaume Ovarlez, Romain Mari, Arnaud Poulesquen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marguerite Bienia, Guillaume Ovarlez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cisaillement (mécanique)

Tribologie (technologie)

Matière molle (physique)

Sédiments en suspension

Rhéologie

Mots clés libres

Rhéologie

Suspensions non-browniennes

Suspensions concentrées

Rhéofluidification

Particules molles

Friction

Adhésion

Inversion de cisaillement

Particules cubiques

Rheology

Non-brownian suspension

Concentrated suspension

Shear-thinning

Soft particles

Friction

Adhesion

Shear reversal

Cubic particles

Résumé

La rhéologie des suspensions est un domaine qui a connu une petite révolution il y a une dizaine d’années. La mise en évidence de contacts solides entre les particules a permis d’ouvrir la voie à de nombreux travaux mêlant notamment rhéologie et tribologie. La présence de rhéofluidification dans les suspensions non-browniennes concentrées est un phénomène qui est souvent observé. L’origine de ce phénomène peut être double, soit il provient de la friction entre les particules qui varie avec la contrainte soit il provient de la présence d’adhésion. A ce jour, aucune étude n’a permis de mettre en évidence l’impact de l’élasticité des particules sur la rhéofluidification de ces systèmes. Dans ce contexte, je propose dans cette thèse une étude expérimentale de l’impact de l’élasticité et de la forme des particules sur la rhéofluidification de suspensions non-browniennes frictionnelles et frictionnelles-adhésives. Je montre ainsi que le comportement des suspensions de particules molles en absence d’adhésion est comparable à celui des suspensions de sphères rigides frictionnelles dans la limite où la déformation des particules ne peut pas contribuer à l’écoulement. Si c’est le cas, il semble que le comportement soit piloté par le module d’élasticité et la fraction volumique. Pour des suspensions de particules cubiques non-adhésives, je montre que la rhéologie est très différente de celle de suspensions de sphères, notamment avec l’apparition à basse fraction volumique d’une forte contribution des contacts. De plus les fractions volumiques de Jamming sont très inférieures à celles de suspensions de sphères rigides. Dans un second temps j’étudie l’impact de la présence d’élasticité sur des suspensions adhésives de particules molles. Je retrouve expérimentalement une contrainte caractéristique d’adhésion qui semble cohérente avec la théorie de JKR. De plus, il semble qu’une fois le régime adhésif passé, les suspensions montrent un comportement frictionnel. Enfin, pour chacun des systèmes précédents j’effectue des protocoles d’inversion de cisaillement afin de dissocier la contribution des forces de contact de la contribution des forces hydrodynamiques. Je confirme ainsi les observations effectuées en protocoles stationnaires. Je finis ce manuscrit en présentant la première observation expérimentale de la relaxation des forces de contact élastique entre les particules au moment d’une inversion. Cette contribution est positive du point de vue de l’écoulement et la viscosité présente un appendice au moment de l’inversion. Celui-ci nous donne accès à certaines grandeurs matériau comme le module d’élasticité de nos particules.

The rheology of suspensions is an area that underwent a small revolution ten years ago. The demonstration of solid contacts between the particles has paved the way for numerous studies combining rheology and tribology in particular. The presence of shear-thinning in concentrated non-Brownian suspensions is a phenomenon that is often observed. The origin of this phenomenon can be twofold, either it comes from the friction between the particles which varies with the stress, or it comes from the presence of adhesion. To date, no study has demonstrated the impact of particle elasticity on the shear-thinning of these systems. In this context, I propose in this thesis an experimental study of the impact of elasticity and particle shape on the shear-thinning of non-Brownian frictional and frictional-adhesive suspensions. I thus show that soft particles suspension behaviour in the absence of adhesion is comparable to frictional hard-sphere suspension behaviour in the limit where the deformation of the particles cannot contribute to the flow. If so, it seems that the behaviour is driven by the modulus of elasticity and the volume fraction. For suspensions of non-adhesive cubic particles, I show that the rheology is very different from that of spheres suspensions. Particularly with the appearance at low volume fraction of a strong contribution from contacts. In addition, the jamming volume fractions are much lower than those of hard spheres suspensions. Secondly, I study the impact of elasticity on adhesive suspensions of soft particles. I experimentally find a characteristic adhesion constraint that seems consistent with JKR's theory. In addition, it appears that once the adhesive regime has passed, the suspensions show frictional behaviour. Finally, for each of the previous systems, I perform shear inversion protocols to dissociate the contribution of contact forces from the contribution of hydrodynamic forces. I thus confirm the observations made in stationary. I finish this manuscript by presenting the first experimental observation of the relaxation of the elastic contact forces between particles upon shear reversal. This contribution is positive from the point of view of flow and the viscosity shows a relaxation at very short time following the shear reversal. This gives us access to certain material quantities such as the modulus of elastic particles.