Matériaux composites adaptatifs

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée
Nice
Matériaux composites adaptatifs
G Bossis, E Coquelle, O Volkova
Université de Nice Sophia-Antipolis (UNSA)
LPMC (UMR6622),
C. Noël, A-M Chaze, F Giulieri
Université de Nice Sophia-Antipolis (UNSA)
CMOM,
J. Persello
Université de Franche-Comté - UFR Sciences et Techniques.
Laboratoire de Chimie des Matériaux et Interfaces
Fluides Electro et Magnétorhéologiques
ERF and MRF are suspensions of solid particles which transform reversibly in
a gel like structure in the presence of an electric or a magnetic field
Pioneers:
W.M.Winslow J.Appl. Phys., 1949, 20,1137 (first paper on ERF)
J.Rabinow, AIEE Trans, 1948, 67, 1308 (magnetic fluid clutch)
First International conference on ERF USA 1989
Sixth International conference on ERF/MRF JAPAN,Yamagata 1997
Seventh International conference on ERF/MRF USA, Hawai 1999
Eighth International conference on ERF/MRF FRANCE, Nice 2001
E(or H)=0 E(or H)>Ec (or Hc)
H
a
g
g
r
e
g
a
t
i
o
n
H
H

Fluides magnétiques: Suspension de particules magnétiques
- agrégation et transition liquide-solide
-contrôle de viscosité
akT
Fm
= λ
H10nm
Suspensions magnéto rhéologiques ferrofluides
- reste liquide
- se déplace en bloc dans
un gradient de champ
H
M
F
∇
⋅
=
H1µm
Taux de cisaillement, (s
-1
)
010 20 30 40 50 60 70 80 90
100
Contrainte de cisaillement, (Pa)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
H=0
H
0=40 (kA/m)
ττ y
ηηH/ηη0=40
taux de cisaillement (s-1)
0 5 10 15 20 25 30
contrainte de cisaillement (Pa)
0
5
10
15
20
25
30
H=0
H=30 (KA/m)
Tailles des particules dans les suspensions étudiées
1µm
10nm
22
H
a
F
avec
m∝
λ>>1
agrégation des
particules
λ<1
pas d ’agrégation
Particules de fer-ex
carbonyle
ferrofluides (particules
de magnétite (10nm)
dans l ’huile ou dans
l ’eau
H
1
10
100
0.1 1 10 100 1000
Shear rate, s -1
Highly viscous
component with higher
dielectric constant -
urethane-modified
polypropylene glycol
(UPPG)
Low viscous
component -
dimethyl siloxane (DMS)
Shear rate
E=0
E=1KV/mm
E=2KV/mm
Courtesy
of P.Riha
Electrorhéologie avec des mélanges de polymère

Elastomères magnétiques
1) Dispersion particules de
fer/polymère + catalyseur
2) Structuration sous champ
magnétique avant réticulation
3) Réticulation
φφφφ = 15%, = 15%,
dispersédispersé
L’élasticité dépend du champ magnétique
En rouge: traction sous champ magnétique
H
φφφφ = 0%, = 0%,
φφφφ = 15%, = 15%,
srtucturésrtucturé
allongement relatif, εε
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
contrainte, σ
σ (kPa)
0
10
20
30
40
50
60
70
80 élastomère
non structuré, H=0
non structuré, H=123kA/m
structuré, H=0
structuré, H=123kA/m
H

Influence de la fraction volumique
sur la réponse magnétoélastique
influence de la fraction volumique influence de la fraction volumique
en fer (en fer (ΦΦΦΦ=5,15,25%), échantillons structurés=5,15,25%), échantillons structurés
εε = 2% ∆σ∆σ5% = 10 kPa
H = 123 kA/m ∆σ∆σ15% = 16 kPa
∆σ∆σ25% = 25 kPa
allongement relatif, εε
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
différence de contrainte, ∆σ
∆σ
(kPa)
0
5
10
15
20
25
30
φ φ = 25%
φφ = 15%
φ φ = 5%
Augmentation du module
d’Young statique pour ε=0.02
∆E=∆σ/ε =28000/0.02
∆E =1.4 MPa pour Φ=25%
Viscoelastic behavior
strain, εε
1e-5 1e-4 1e-3 1e-2
storage modulus, E' (MPa)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11 structured, H=0 kA/m
structured, H=42 kA/m
unstructured, H=0 kA/m
unstructured, H= 42kA/m
unfilled elastomer
Modules de cisaillement, G’,G’’,
H=1250 Oersted, ν=200Hz
Module d’Young dynamique, E’
H=500 Oe ν=5Hz, Φ=15%
x 2

Insulation with oxide layer
(ρρ=4. *106 Ω.Ω.m for ΦΦ=30%) Conductive state by local destruction
of oxide (ρρ=0.6 ΩΩ.m)
V (Volt)
010 20 30 40
I (A)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
V(Volt)
t(ms)
1
20
0.5ms I(Amp)
V(Volt)
Effet Branly(1890): en présence d’un champ suffisamment fort, une poudre
métallique passe de l’état isolant à l’état conducteur (détection d’une onde
électromagnétique dans les premiers téléphones sans fil)
Conductivité d’élastomères chargés de
particules de fer
H (Oe)
01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
R (Ohm)
1e+1
1e+2
1e+3
1e+4
1e+5
1e+6
1e+7
No change of
resistance
Huge change
of resistance
H
Unstructured
Structured
R(Ohm)
H(Oe)
Importance of interparticle gaps for tailoring the properties of composites G.Bossis,
C.Métayer, S.Lacis, C.Abbo J. Adv. Sci. 12 (2000) 252-
H
Matériau adaptatif: contrôle de la
résistance par un champ magnétique
Élastomère
magnétique