Fluide électrorhéologique

Un fluide électrorhéologique est une suspension de particules conductrices dispersées dans un fluide isolant. La taille des particules peut fluctuer de quelques nanomètres à plusieurs micromètres, avec une fraction volumique le plus souvent de l'ordre de 20% à 30%.

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Matériau - Mécanique des fluides

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Un fluide électrorhéologique (fluide ER) est une suspension de particules conductrices dispersées dans un fluide isolant. La taille des particules peut fluctuer de quelques nanomètres à plusieurs micromètres, avec une fraction volumique (rapport entre le volume des particules et le volume total) le plus souvent de l'ordre de 20% à 30%. Découvert la première fois par W. M. Winslow en 1947, ce fluide présente des propriétés particulièrement intéressantes d'un point de vue tant scientifique que technologique. Selon le champ électrique appliqué, les propriétés rhéologiques (viscosité, contrainte seuil…) d'un fluide ER sont énormément modifiées. Cela permet d'obtenir même une «solidification» du fluide. Ce phénomène peut s'expliquer d'une façon macroscopique par la formation des fibres parallèles au champ par les particules. Ces fibres génèrent une liaison entre électrodes et augmentent par conséquent la viscosité de fluide.

Le champ d'application de ce fluide est particulièrement prometteur car il existe plusieurs avantages. La réponse est rapide (quelques ms) et le phénomène est complètement réversible. Les fluides ER sont aussi reconnus comme matériaux «intelligents» et consomment peu d'énergie. Plusieurs applications ont été proposées (embrayage automobile, amortisseur, contrôle actif de vibration, actionneur…). Pourtant, la contrainte seuil habituelle de quelques kPa du fluide ER n'est pas suffisante pour de vraies applications industrielles. Une autre difficulté est sa stabilité (sédimentation, stabilité thermique, agrégation des particules…).

Le caractéristique rhéologique d'un fluide ER est présentée par un rhéogramme donnant la variation de la contrainte de cisaillement selon la vitesse de cisaillement. Le modèle de Bingham est fréquemment utilisé pour décrire un fluide ER parfait.

Il y a peu de temps, l'équipe de Weijia Weng (Institut Nanoscience de Hongkong) a réussi à développer une nouvelle génération de fluide ER avec une contrainte seuil dépassant 100 kPa (20 fois plus élevée que la contrainte seuil généralement observée). Le phénomène découvert par les chercheurs chinois est nommé ainsi «Effet ER géant ».

Champ d'application potentiel

Ce fluide possédant plusieurs avantages, de nombreuses applications ont été proposées. Sa capacité de changement "solide - liquide" fait penser à un embrayage automobile innovant. Une autre application envisageable du fluide électrorhéologique dans l'industrie de l'automobile est l'amortisseur.

Les autres applications envisagées sont actionneur, micro canal, valve et diverses applications en robotique.

Bibliographie

Foulc J-N, Félici N. et Atten P., Les fluides électrorhéologiques : rôle de la conductivité des différents constituants, J. Phys. III France 5, 1995
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Foulc J-N, Félici N. et Atten P., Interprétation de l'effet électrorhologique, Phys. Fluids 31, 1998
Yasuhiro Kakinuma, Takahiro Yakoh, Tojiro Aoyama, Development of Gel-structured Electro-rheological Fluids and their Application to Mechanical Damper Elements, IEEE proceeding, 2004
Xize Niu, Weijia Wen and Yi-Kuen Lee, Micro Valves using nanoparticle-based giant electrorheological fluid, IEEE proceeding, 2005
Clark J. Radcliffe, John R. Lloyd, Ruth M. Andersland, Jeffrey B. Hargrove, State Feedback Control of Electrorheological fluid, ASME International Congress and Exhibition, 1996

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