Thèse soutenue

Rhéologie des suspensions aqueuses de noir de carbone et de fluides à seuil modèles dans leur régime solide
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Auteur / Autrice : Elie N'gouamba
Direction : Philippe Coussot
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides
Date : Soutenance le 03/11/2020
Etablissement(s) : Paris Est
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
Jury : Président / Présidente : Catherine Barentin
Examinateurs / Examinatrices : Philippe Coussot, Guillaume Ovarlez, Thomas Gibaud, Véronique Trappe, Julie Goyon
Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Ovarlez, Thomas Gibaud

Résumé

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Dans les batteries à flux de circulation REDOX, des électrolytes liquides sont généralement utilisées pour réaliser les opérations de conversion d’énergie chimique en énergie électrique et vice versa en vue du stockage de l’énergie. Les capacités de stockage de ce type de batterie dépendent cependant de la concentration en élément REDOX, elle-même tributaire de la solubilité des éléments, qui est généralement faible. Notre travail s’inscrit dans le contexte du projet ANR V-S-L qui a pour but d’améliorer les capacités de stockage des batteries à flux REDOX de vanadium en utilisant des électrolytes liquides chargés de cristaux solides de sel vanadium. De plus, afin de rendre l’électrolyte plus conducteur des nanoparticules de noir de carbone très conductrices sont rajoutées. Dans ces conditions, l’électrolyte n’est plus une solution diluée s’écoulant aisément comme un fluide simple (eau, miel,…) mais un fluide à seuil dont le comportement est dicté essentiellement par les interactions colloïdales entre particules de noir de carbone. Notre objectif est donc de comprendre et décrire le comportement rhéologique des suspensions aqueuses de noir de carbone chargées en cristaux de vanadium, remplacés dans notre étude par des billes de verre. Nous avons d’abord étudié les suspensions de noir carbone seules. Des expériences de rhéométrie classique et les expériences de rhéométrie locale sous IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) nous ont permis de caractériser précisément le régime liquide et la transition solide-liquide de ces suspensions. L’étude de leur régime solide nous a montré la nécessité d’approfondir les propriétés des fluides à seuil en général dans leur régime solide. Pour cela, nous avons mis en place des méthodes et des procédures originales (superpositions d’oscillation à des fluages, fluages puis récupérations), que nous avons appliquées dans un premier temps à plusieurs fluides à seuil modèles. Nous avons ainsi observé un comportement élastoplastique générique dans le régime solide pour lequel nous avons proposé un modèle à un seul paramètre permettant de décrire les déformations en fonction de la contrainte. Nous avons ensuite appliqué aux suspensions de noir de carbone les mêmes procédures qui ont fait apparaître un comportement singulier de rigidification sous déformation dans leur régime solide. Finalement l’étude du mélange de billes de verre dans la suspension de noir de carbone, a permis d’observer une divergence assez précoce du seuil de contrainte et du module élastique avec la concentration en billes contrairement aux dispersions de grains dans les fluides à seuil modèles. Au passage nous avons précisé le comportement en écoulement de deux polysaccharides au comportement rhéologique singulier pour des macromolécules : la gomme arabique utilisée pour disperser le noir de carbone hydrophobe dans de l’eau et la gomme de xanthane