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
a g g r eg a tio n
H
H
E(or H)=0
H
E(or H)>E c (or Hc)
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
Fluides magnétiques: Suspension de particules magnétiques
Suspensions magnéto rhéologiques
ferrofluides
λ<1
λ>>1
H
1µm
H
agrégation des
particules
λ=
800
Contrainte de cisaillement, (Pa)
700
Fm
kT a
pas d ’agrégation
10nm
30
contrainte de cisaillement (Pa)
25
600
ττ
avec
y
400
F m ∝ a 2H 2
20
ηηH / ηη0 = 4 0
500
10
300
H
0
H=0
H=30 (KA/m)
15
H=0
=40 (kA/m)
5
200
taux de cisaillement (s -1)
100
0
-1
Taux de cisaillement, (s )
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
5
H
100
10
15
20
25
- agrégation et transition liquide-solide
-contrôle de viscosité
10nm
ferrofluides (particules
de magnétite (10nm)
dans l ’huile ou dans
l ’eau
1µm
Particules de fer-ex
carbonyle
Tailles des particules dans les suspensions étudiées
Electrorhéologie avec des mélanges de polymère
100
Highly viscous
component with higher
dielectric constant urethane-modified
polypropylene glycol
(UPPG)
Low viscous
component dimethyl siloxane (DMS)
E=2KV/mm
E=1KV/mm
10
E=0
1
0.1
1
30
- reste liquide
- se déplace en bloc dans
un gradient de champ F = M ⋅ ∇H
10
100
Shear rate, s
Shear rate
1000
-1
Courtesy
of P.Riha
Elastomères magnétiques
1) Dispersion particules de
fer/polymère + catalyseur
2) Structuration sous champ
magnétique avant réticulation
3) Réticulation
L’élasticité dépend du champ magnétique
80
contrainte, σ (kPa)
70
élastomère
non structuré, H=0
non structuré, H=123kA/m
structuré, H=0
structuré, H=123kA/m
φ = 15%,
srtucturé
60
50
H
40
φ = 15%,
dispersé
30
20
φ = 0%,
10
0
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
allongement relatif, ε
En rouge: traction sous champ magnétique
H
Influence de la fraction volumique
sur la réponse magnétoélastique
différence de contrainte, ∆σ (kPa)
influence de la fraction volumique
en fer ( Φ=5,15,25%), échantillons structurés
ε = 2%
∆σ 5% = 10 kPa
H = 123 kA/m ∆σ15% = 16 kPa
∆σ25% = 25 kPa
30
25
20
Augmentation du module
d’Young statique pour ε=0.02
15
10
φφ = 25%
φφ = 15%
φφ = 5%
5
0
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
∆E=∆σ/ε =28000/0.02
∆E =1.4 MPa pour Φ=25%
0.10
allongement relatif, ε
Viscoelastic behavior
11
structured, H=0 kA/m
structured, H=42 kA/m
unstructured, H=0 kA/m
unstructured, H= 42kA/m
unfilled elastomer
storage modulus, E' (MPa)
10
9
8
Module d’Young dynamique, E’
H=500 Oe ν=5Hz, Φ=15%
7
6
5
4
3
2
1
0
1e-5
1e-4
1e-3
1e-2
strain, ε
Modules de cisaillement, G’,G’’,
H=1250 Oersted, ν=200Hz
x2
Conductivité d’élastomères chargés de
particules de fer
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)
Insulation with oxide layer
(ρ
ρ =4. *106 Ω.m
Ω. for Φ=30%)
Conductive state by local destruction
of oxide (ρ
ρ=0.6 Ω.m)
Ω
0.5ms
1.4
I(Amp)
1.2
V(Volt)
I (A)
1.0
0.8
0.6
0.4
1
0.2
t(ms)
0.0
20
0
10
20
30
40
V (Volt)
V(Volt)
Matériau adaptatif: contrôle de la
résistance par un champ magnétique
H
Élastomère
magnétique
1e+7
Unstructured
R(Ohm)
Structured
1e+6
H
R (Ohm)
1e+5
1e+4
1e+3
No change of
resistance
Huge change
of resistance
1e+2
1e+1
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
H (Oe)
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-
7000
Importance de l’Interface particule-matrice
Traitement anti-corrosion
(greffage de polymères hydrophobes
compatibles avec le fluide suspendant)
Stabilisation des particules
(utilisation de nanoparticules de silice ou
de magnétite:ferrofluide pour éviter la
sédimentation)
Liaison particule-matrice (cas des élastomères)
Structuration de particules dans un cristal
liquide
Test de corrosion après traitement
hydrophobe de la poudre de fer
Effet de la liaison particule matrice sur tg(δ)
Tg(δ)= E’’/E’ : l’ augmentation de tg(δ) indique le
décollement et une augmentation de la dissipation visqueuse
non traité
traité
modèle sans décollement
0.20
0.18
0.16
tan(d)
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
déformation dynamique
Matériaux composites organisés
Organisation de domaines de particules
H
v
H
10µ
Structuration
en colonnes
Structuration en bande (champ
+cisaillement oscillant)
Structuration radiale
(champ +écoulement
radial)
Optimisation des paramètres de structure
Applications:Connectique, matériaux adaptatifs, codage magnétique….
Organisation des particules elles-mêmes
*Alignement de particules dans des
Applications:piézomagnétisme
élastomères cristaux liquides
,couplage électro-optique
* Formation de moncouches
hexagonales (d=200-500nm)
Applications:photonique,
masque….
E
Exemples de matériaux particulaires organisés
Formation d’un réseau de particules
magnétiques en combinant un champ et
un cisaillement : Application codeur
magnétique
Fer carbonyle (diamètre 5-7µm)
greffé et dispersé dan un cristal
liquide E7; les particules ne
sont pas en contact
Possibilité d’obtenir une magnétostriction
de 10% en utilisant un élastomère cristal
liquide comme dispersant
Formation de monocouches cristallines de particules de
polystyrène (diamètre 1 micron)
Coll: équipe nanoparticules-LPMC
écran
ω
V
Applications: masquage, guide
photonique,biotechnologies
Modulation de la transmission optique par un champ électrique
2D Graph 3
photodiode
photodiode
6
Intensité transmisse (u.a.)
4.5V
5V
4.7V
Faisceau laser
Faisceau laser
4
2
0
0
10
20
30
temps ( s )
Actionneur magnétique (contre-vibrations)
ferrofluide
e
Aimant
permanent
Elastomère
magnétique
ressort
70
20
50
70
80
40
50
MISE EN ŒUVRE D’UN BATTEUR A FERROFLUIDE
ferrofluide
LL
Aimant
X2 (t)
X1,X2:
déplacements
absolus
X1 (t)
4cm
2
ν= 1 β EI / ρA
2π
0.3
8cm
batteur à ferrofluide
β=1.875/L
A=d*b=0.3*3 cm2
E=270GPa ; I=bd3/12
mur
batteur
Axes de
rotation
d=3m
m
20 cm
Fréquence calculée: 0.45Hz
L=2,5m
Fréquence observée: 0.43Hz
Montage du batteur sur un cadre métallique
Vue de dessus
m1=4Kg; m2=?
Amortisseur à fluide magnétorhéologique
F
current supply
O' ring
helicoidal channel (iron)
magnetic fluid
coil
30
14
40
La « dureté de l’amortisseur dépend de la visocité qui est
contrôlée par le champ magnétique
Contrôle de la vitesse de trempe d’un acier
Four électrique
Film de vapeur
“brisé” par le champ
Film de
vapeur
Mesure de la
température
Pièce à
tremper
Courbes de refroidissement du centre de l'echatillon lors de la trempe
dans le ferrofluide (MB-32) avec le champ H=30kA/m , orhotogonal à la suface
Fluide
classique
pour la
trempe
H
Localisation de la
trempe
Ferrofluide
1000
T (°C)
H
H=0
800
600
Conditions de la trempe
Micro dureté
HV
2
(MN/m )
Sans champ dans le ferrofluide
300
MB-32
Avec champ H=30kA/m dans
475
le même ferrofluide
H=30kA/m
400
200
t (sec)
0
0
10
20
30
40
50
60
70
-accroissement et contrôle locale de la microdurété
Magnitnaya Gidrodinamika No.2, (1992 )27-31
Conclusions et Perspectives
•Organisation de particules au sein d’une matrice liquide
par un champ électrique ou magnétique:fluides électro et
magnétohéologiques(applications liées à la modulation de
viscosité ou de turbidité)
• Conservation de cette organisation par polymérisation
:élastomères électroactifs (applications:transducteurs,
amortisseurs, électro-optique, connectique)
• Nécessité d’une meilleure maîtrise de l’interface
particule-matrice liquide (en particulier pour la
dispersion)
•Besoins de modélisation (simulation) pour mieux cerner
les forces motrices dans les processus d’autoassemblage et
obtenir la meilleure organisation possible des particules