Rhéoépaississement des suspensions denses : mise en évidence de la transition frictionnelle

par Cécile Clavaud

Thèse de doctorat en Mécanique et physique des fluides

Sous la direction de Yoël Forterre et de Bloen Metzger.

Le président du jury était Elisabeth Charlaix.

Le jury était composé de Romain Mari, Laurence Gorre-Talini.

Les rapporteurs étaient Matthieu Wyart, Élisabeth Lemaire.


  • Résumé

    Le rhéoépaississement est un phénomène spectaculaire apparaissant dans certaines suspensions concentrées en particules. Il se manifeste par l’augmentation brutale de la viscosité de la suspension au delà d’une contrainte critique. L’exemple emblématique de suspension présentant ce type de comportement est le mélange d’amidon de maïs et d’eau. Le rhéoépaississement est longtemps resté une énigme, jusqu’à des travaux théoriques et numériques récents proposant un modèle microscopique cohérent. Selon celui-ci, le rhéoépaississement provient d’une transition frictionnelle due à la présence d’une force répulsive entre les grains. Au cours de ma thèse, j’ai réalisé une des premières démonstrations expérimentales directe de ce mécanisme. En m'inspirant de travaux venant du domaine des milieux granulaires, j'ai montré qu'en accord avec le modèle de transition frictionnelle, une suspension rhéoépaississante possède à faible pression granulaire un état non frottant. J'ai ensuite mis en évidence la transition en elle-même dans des suspensions contrôlées de billes de silice dans des solutions salines. Pour cela, j'ai dû développer de nouvelles méthodes de rhéologie à pression imposée. En effet, les rhéomètres standard ne permettent pas d'accéder aux propriétés de frottement des suspensions. Le seul rhéomètre qui le permet n'est pas adapté aux suspensions étudiées ici, qui sont constituées de particules colloïdales. Ce travail ouvre donc la voie au développement d’une nouvelle génération de rhéomètres permettant de mesurer le frottement dans les suspensions colloïdales, un enjeu majeur pour la rhéologie des fluides complexes.

  • Titre traduit

    Shear thickening in dense suspensions : revealing the frictional transition


  • Résumé

    Shear thickening is a spectacular phenomenon which takes place in some dense suspensions. It manifests itself by a brutal increase of the suspension's viscosity above a certain critical stress. The most iconic example of shear-thickening suspensions is cornstarch and water mixes. Shear thickening long remained a mystery, until recent theoretical and numerical works which proposed a consistent microscopic model. This model explains the shear thickening transition as a frictional one due to the presence of a repulsive force between the grains.During my PhD, I provided one of the first direct experimental proofs of this mechanism. Inspired by granular physics, I showed that shear-thickening suspensions possess a frictionless flowing state at low granular pressure, which is consistent with the proposed model. I then evidenced the frictional transition with controlled experiments using suspensions of silica beads in ionic solutions. To do this, I developed new rheological techniques enabling pressure imposed measurements. Indeed, standard rheological tools do not allow access to the frictional properties of suspensions. The only rheometer that does that is not adapted to the suspensions we study here, which are colloidal. This work thus paves the way for the development of a new generation of pressure imposed rheometers, giving access to colloidal suspensions friction, which is a major challenge in complex fluids rheology.


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