La rhéologie des fluides magnétiques au dessous du seuil de Bingham

Pre-yield shearing regime of a magnetorheological fluid (MRF)

• Auteur / Autrice : Waad Nassar
• Direction : Xavier Boutillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques

Cisaillement (mécanique)

Mots clés libres

Microstructure

Adhérence

Plaque amagnétique

Résumé

Les fluides magnétorhéologiques sont des dispersions de micro-particules magnétiques dans un fluide porteur non magnétique. Leurs caractéristiques varient avec l'application d'un champ magnétique. Le modèle de Bingham décrit le comportement des FMR pour des grandes vitesses de cisaillement. En dessous du seuil de Bingham, le comportement des FMR a reçu moins d'attention, cependant sa compréhension est nécessaire dans les interfaces homme-machine où de faibles contraintes de cisaillement sont observées. Une analyse expérimentale du comportement des FMR au cisaillement linéaire par une plaque, à de faibles taux de cisaillement, montre une réponse gouvernée par deux régimes successifs limités par un phénomène d'interface. Dans le régime initial, le FMR se comporte comme un matériau pseudo-élastique, l'élasticité observée est indépendante du champ magnétique et de la fraction volumique des particules. Le revêtement extérieur des particules magnétiques par des polymères (révélé par microscopie) est à l'origine de cette cohésion non-magnétique. Ce régime est limité par un seuil proportionnel au carré du champ magnétique et à la fraction volumique de particules. Dans le régime suivant, la déformation en cisaillement est non uniforme dans le liquide. La moyenne de la contrainte de cisaillement augmente linéairement avec la moyenne du cisaillement. Le coefficient de variation est proportionnel au carré du champ magnétique et diminue avec la fraction volumique de particules. Ce régime est limité par une perte d'adhérence des agrégats magnétiques avec la plaque de cisaillement, en cas de cisaillement avec une plaque amagnétique, ou avec le pôle magnétique en cas de cisaillement avec une plaque magnétique. La perte d'adhérence se produit à un seuil proportionnel au carré du champ magnétique et à la fraction volumique des particules et dépend de la nature de la plaque de cisaillement. Ce seuil peut être localisé au-dessus du seuil de Bingham

Magneto-rheological fluids are dispersions of magnetic micro-particles in a non-magnetic carrier fluid. Their characteristics vary upon the application of a magnetic field. At large shear rates, the Bingham model predicts a linear dependency between the variations of the shear rate and the variations of the shear stress, above a so-called Bingham shear stress threshold. The MRFs behavior below this threshold has received less attention. Its understanding is needed when the fluid is used in human-machine interfaces since small stresses are observed in the transient phases in these kinds of applications. The experimental analysis of the pre-yield regime of the MRF at low shearing rates gives a shearing response ruled by two successive regimes limited by an interfacial phenomenon. In the initial regime, the MRF behaves like a pseudo-elastic material. The shearing pseudo-elasticity was found to be independent of the magnetic field and of the particle volume fraction. Polymers coating of the magnetic particles (revealed by microscopy) is likely to be responsible for this non-magnetic cohesion of the aggregates. The shear-stress limit of this regime is proportional to the square of the magnetic field and to the particle volume fraction. In the next regime, the shear strain is not uniform any more in the fluid. The increase in the measured shear stress varies linearly with the increase in average shear strain. The variation coefficient is proportional to the square of the magnetic field and decreases with the particle volume fraction. Under our experimental conditions this regime was found to be limited by a loss of adhesion between the magnetic aggregates and the shearing plate, when it is non-magnetic, or with the magnetic pole in the other case. The adhesion loss occurs at a threshold proportional to the square of the magnetic field and to the particle volume fraction. This threshold depends on the nature of the shearing plate and may be larger than the Bingham threshold