Solidification de suspensions : des forces thermomoléculaires aux effets granulaires

Alain Pocheau (1) , Brice Saint-Michel (1) , Marc Georgelin (1) , Sylvain Deville (2)

1 IRPHE - Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre
2 LSFC - Laboratoire de Synthèse et Fonctionnalisation des Céramiques

La solidification de suspensions, i.e. d'un mélange de particules et de fluide, se rencontre dans de nombreuses situations apparemment très diverses : les sols gelés, l'industrie alimentaire, la cryobiologie, ou la fabrication de matériaux biocomposites. Nous l'étudions ici dans un système modèle de solidification dirigée en lames minces permettant la visualisation du phénomène in situ. En amont du front de solidification, nous observons la formation d'une couche dense de particules qui conditionne les évolutions du système. Son apparition résulte d'un force de répulsion, appelée force thermomoléculaire, induite par le front sur les particules. Son origine est électrostatique et sa portée nanométrique. Elle conduit les particules à être repoussées par le front de croissance jusqu'à ce que de nouvelles forces d'origine visqueuses permettent d'équilibrer la répulsion. Sa taille, fonction des paramètres de croissance et de l'ordre du millimètre, est physiquement reliée aux effets nanoscopiques de la force thermomoléculaire. Après avoir documenté la densité et les tailles de cette couche de particules puis modélisé les forces et les équilibres en jeu dans le système, nous obtenons une première mesure indirecte des pressions thermomoléculaires dans ce système. L'étude des basses vitesses montre un changement de régime induit par friction des particules aux plaques par un analogue de l'effet Janssen des matériaux granulaires. Enfin, les variations de comportements induits par un changement d'épaisseur des plaques conduisent à modéliser la transition entre un ordre cristallin du réseau de particules près des plaques et un désordre loin de celles-ci. Au total, la compréhension de la physique de cette couche dense de particules permet d'envisager l'étude et la modélisation de sa dynamique couplée à celle du milieu dans des régimes d'intérêts généraux. Remerciements : Ces travaux ont été soutenus par le Conseil de Recherche européen (European Research Council) sous le septième programme-cadre européen FP7 (FP7/2007-2013)/ERC FREECO "Freezing colloids, grant agreement 278004.

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Alain Pocheau, Brice Saint-Michel, Marc Georgelin, Sylvain Deville. Solidification de suspensions : des forces thermomoléculaires aux effets granulaires. Colloque Annuel 2018 du GDR MFA 2799, GDR MFA "Micropesanteur Fondamentale et Appliquée", Nov 2018, Marseille, France. ⟨hal-03542991⟩