CE30 - Physique de la matière condensée et de la matière diluée

Physique des billes de gaz : du film granulaire à l'empilement – PhyGaMa

Physique des billes de gaz

du film granulaire à une assemblée

comprehension physique de nouveaux matériaux ternaires

Des recherches menées dans la continuité des travaux précurseurs de Pickering ont récemment permis de produire de nouveaux objets pouvant être décrits comme des poches de gaz dans l’air, nommés : bille de gaz (gas marble). Ils sont constitués de gaz entouré d'une couche de grains piégés dans un mince film liquide dans un environnement gazeux. La résistance mécanique exceptionnelle de leur coque granulaire leur promet de nombreuses applications. Parmi celles-ci, nous notons que l'utilisation de billes de gaz peut être pertinente pour la génération de matériaux de porosité hiérarchique. De plus, ces nouvelles billes creuses, une fois assemblées, offrent une voie prometteuse vers de nouveaux amortisseurs de vibrations. <br />Dans ce projet, notre objectif est d'étudier la physique de ce nouveau matériau. Dans un diagramme ternaire (solide-liquide-gaz), les billes de gaz partagent le domaine des hautes fractions volumique de gaz, faibles fractions volumique de solide et très faibles fractions volumique de liquide avec d'autres matériaux ternaires déjà bien connus: les matériaux granulaires humides (non saturés), les mousses de Pickering et les mousses granulaires. À l'échelle microscopique, trois mécanismes physiques sont à l'origine des interactions (éventuellement multicœurs) entre les grains: la capillarité, les contacts entre grains et la dissipation visqueuse (dans le film liquide et aux interfaces liquide/gaz). Les échelles de temps, de longueur ainsi que la répartition des grains diffèrent d'un système à l'autre, mais les questions que leur existence soulèvent sont les mêmes : Comment la microstructure de la phase dispersée et les interactions à l'échelle microscopique sont-elles liées et affectent-elles le comportement global du matériau? Constituent-ils une même classe de matériaux dans le sens où ils obéissent aux mêmes lois de comportement mais avec des paramètres d'état différents définis par la physique à l'échelle microscopique ?

La description physique des billes de gaz aux différentes échelles et pour différents régimes de sollicitation a pour but de faire le lien entre la microstructure et le comportement global du matériau et d’identifier les mécanismes physiques dominant les interactions entre les grains de au sein de la coque : la capillarité, les contacts entre grains et la dissipation visqueuse (dans le film liquide et aux interfaces liquide/gaz).
Pour aborder ces questions, nous menons des expériences aux différentes échelles du matériau où les paramètres des phases continue et dispersée sont contrôlés afin de révéler les principales caractéristiques physiques de ces nouveaux objets.
Au niveau mésoscopique, nous souhaitons comprendre le lien entre le réseau de particules et le comportement des membranes des billes de gaz soumis à différentes sollicitations : forçages global et local, vibrations et enfin rhéométrie classique. Dans le régime quasi statique, nous étudions l’influence de la pression capillaire sur le comportement mécanique de la membrane et sur le réseau granulaire. En régime dynamique, le rapport entre la dissipation par contact entre grains et la dissipation interfaciale ou visqueuse est abordée.
Enfin, en route vers l’échelle macroscopique, nous aurons pour premier objectif de créer des billes de gaz à propriétés contrôlées, et pour second de corréler le comportement statique d'une bille de gaz et d’un assemblage de billes de gaz aux propriétés de la membrane et / ou de la coque.

Les premiers travaux menés au laboratoire Navier ont permis de sonder l’effet de la pression liquide dans un film granulaire (film de savon chargé en grains) sur sa rupture. Il a été mis en évidence qu’au-delà d’une dépression liquide seuil la rupture totale du film granulaire est inhibée, et que la transition d’un état de rupture totale (comme pour un film de savon classique) à un état de rupture partielle est dépendante de l’historique de l’état de pression liquide dans le film et de l’angle de mouillage sur les particules. Par exemple, un premier cycle de dépression liquide entraine par la suite une transition plus franche, en « gommant » quelque peu l’état initial du film granulaire. L’étude a été menée pour des grains sphériques de 140µm de diamètre et se poursuit avec des grains de tailles différentes (80-500µm).
Les premiers travaux menés au laboratoire FAST, ont permis de réaliser des rhéogrammes de films granulaires. Ces premières études ont révélé que la rhéologie de ces systèmes est bien plus complexe qu'attendu. En effet la réponse à une sollicitation dépend de manière non linéaire de sa déformation et de sa vitesse de déformation, ce qui ajoute la déformation cumulée comme paramètre du modèle rhéologique. La mise en évidence de ce nouveau paramètre nous a contraint de nous intéresser également au cas plus simple d’un radeau granulaire (grains maintenus par une seule interface alors que deux interfaces confinent les grains dans un film granulaire).

Enfin, dans la perspective d’explorer de nouveaux modes de propagation couplés et d’ouvrir la voie vers de nouveaux amortisseurs de vibrations, les propriétés dynamiques des billes de gaz et d'un empilement de billes de gaz seront étudiées par propagation d’ondes et interprétées en fonction des propriétés d’amortissement des films granulaires et de l’assemblage des billes de gaz.

a venir ...

Des recherches menées dans la continuité des travaux précurseurs de Pickering ont récemment permis de produire de nouveaux objets pouvant être décrits comme des poches de gaz dans l’air, nommés : bille de gaz (gas marble). Ils sont constitués de gaz entouré d'une couche de grains piégés dans un mince film liquide dans un environnement gazeux. La résistance mécanique exceptionnelle de leur coque granulaire leur promet de nombreuses applications. Parmi celles-ci, nous notons que l'utilisation de billes de gaz peut être pertinente pour la génération de matériaux de porosité hiérarchique. De plus, ces nouvelles billes creuses, une fois assemblées, offrent une voie prometteuse vers de nouveaux amortisseurs de vibrations. Dans cette proposition, notre objectif est d'étudier la physique de ce nouveau matériau.
Dans un diagramme ternaire (solide-liquide-gaz), les billes de gaz partagent le domaine des hautes fractions volumique de gaz, faibles fractions volumique de solide et très faibles fractions volumique de liquide avec d'autres matériaux ternaires déjà bien connus: les matériaux granulaires humides (non saturés), les mousses de Pickering et les mousses granulaires. À l'échelle microscopique, trois mécanismes physiques sont à l'origine des interactions (éventuellement multicœurs) entre les grains: la capillarité, les contacts entre grains et la dissipation visqueuse (dans le film liquide et aux interfaces liquide/gaz). Les échelles de temps, de longueur ainsi que la répartition des grains diffèrent d'un système à l'autre, mais les questions que leur existence soulèvent sont les mêmes : Comment la microstructure de la phase dispersée et les interactions à l'échelle microscopique sont-elles liées et affectent-elles le comportement global du matériau? Constituent-ils une même classe de matériaux dans le sens où ils obéissent aux mêmes lois de comportement mais avec des paramètres d'état différents définis par la physique à l'échelle microscopique ?
L'étude des billes de gaz permettrait de donner de nouvelles réponses à ces questions et de proposer une vision unifiée du sujet. Pour aborder ces questions, nous mènerons des expériences aux différentes échelles du matériau où les paramètres des phases continue et dispersée seront contrôlés afin de révéler les principales caractéristiques physiques de ces nouveaux objets.
Au niveau mésoscopique, nous souhaitons comprendre le lien entre le réseau de particules et le comportement des membranes des billes de gaz soumis à différentes sollicitations : forçages global et local, vibrations et enfin rhéométrie classique. Dans le régime quasi statique, nous étudierons l’influence de la pression capillaire sur l’élasticité de la membrane et du réseau granulaire en termes de fraction surfacique de particules, nombre de voisins et coefficient d’agrégation. En régime dynamique, le rapport entre la dissipation par contact entre grains et la dissipation interfaciale ou visqueuse sera abordée.
Enfin, en route vers l’échelle macroscopique, nous avons pour premier objectif de créer des billes de gaz à propriétés contrôlées, et pour second de corréler le comportement statique d'une bille de gaz et d’un assemblage de billes de gaz aux propriétés de la membrane et / ou de la coque.
Enfin, les propriétés dynamiques des billes de gaz et d'un empilement de billes de gaz seront étudiées par propagation d’ondes et interprétées en fonction des propriétés d’amortissement des films granulaires et de l’assemblage des billes de gaz . La structure multi-échelle et ternaire du matériau pourrait révéler différents modes de propagation de couplés (propagation des ondes dans l'air et dans le squelette granulaire).

Coordinateur du projet

Madame Florence Rouyer (Laboratoire Navier)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

FAST Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques
NAVIER Laboratoire Navier

Aide de l'ANR 449 763 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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