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Magnéto-rhéologie

La magnéto-rhéologie est la science du comportement d'écoulement des matériaux polarisables magnétiquement tels que les ferrofluides, les fluides magnéto-rhéologiques et les élastomères magnéto-rhéologiques. Ces substances sont des matériaux dits intelligents dont les propriétés (viscosité, module, structure interne) changent significativement lorsqu'un champ électrique est appliqué. Les investigations magnéto-rhéologiques peuvent être réalisées avec une densité de flux magnétique constante ou variable en T (Tesla) ou une intensité de champ magnétique H (en A/m). En plus de leur capacité à subir un changement de viscosité par l'application d'un champ magnétique, des qualités telles qu'un temps de réponse rapide, la réversibilité et une meilleure re-dispersibilité qualifient les fluides magnétorhéologiques pour des applications telles que la transmission de couple ou de force dans les vannes, le freinage et les systèmes d'embrayage, l'amortissement des vibrations et les amortisseurs automobiles, ainsi que dans l'industrie des dispositifs médicaux, par exemple pour les jambes prothétiques « Smart Magnetix ».

  • Les fluides magnétorhéologiques (fluides mr) se composent de particules polarisables magnétiquement qui sont suspendues dans un fluide porteur. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué, les particules s'alignent en conséquence, forment des superstructures en chaîne et les propriétés rhéologiques changent souvent de manière substantielle.
  • Comparé aux fluides MR, les ferrofluides ont des particules significativement plus petites. Ils sont constitués de particules à l'échelle nanométrique suspendues dans un fluide porteur et peuvent également être activés dans un champ magnétique.
  • Les élastomères magnéto-rhéologiques se composent d'une matrice polymère (par exemple, caoutchouc silicone) avec des micro ou nano particules  magnétiques  intégrées.

Contexte

Lorsqu'un champ externe est appliqué, les particules magnétiquement polarisables deviennent magnétisées/polarisées et la formation de structures en chaîne dans la direction du champ est favorisée. La rotation libre des particules dans l'écoulement est alors entravée, et la viscosité augmente. Avec l'augmentation de la force du champ externe, l'agencement des particules le long de la direction du champ devient plus fort et, par conséquent, la viscosité augmente.

Formation de structure dans les fluides magnétorhéologiques (mr) à un taux de cisaillement constant (v), avec une augmentation de la force du champ magnétique

Exemple de mesure (balayage magnétique)

La figure suivante illustre représentativement la viscosité d'un fluide mr typique en fonction d'une densité de flux magnétique croissante à un taux de cisaillement constant. La force de la superstructure induite augmente avec l'augmentation de la densité de flux magnétique jusqu'à ce que l'alignement maximal des particules soit atteint et qu'un seuil d'environ 9.000 Pa·s soit approché. Avec un changement de densité de flux magnétique de 0 T à 1,2 T, la viscosité de cet échantillon représentatif peut être augmentée de presque 4 ordres de grandeur. Voir plus d'exemples de mesure dans le cadre de l'e-learning : Magnétorhéologie

Figure 1 : Viscosité d'un fluide mr représentatif en fonction d'une densité de flux magnétique croissante à un taux de cisaillement constant

Procédures de test typiques avec le MRD

  • Magnéto-balayage en rotation/oscillation (le champ magnétique est varié tandis que le taux de cisaillement/stress ou la déformation/fréquence sont maintenus constants)
  • Courbes d'écoulement et détermination de la contrainte de rendement effectuées à densité de flux magnétique constante (valeurs différentes)
  • Balayages d'amplitude et de fréquence effectués à densité de flux magnétique constante (valeurs différentes)
  • Test de compression

Équipement de mesure

Au cours des dernières années, des méthodes rhéologiques combinées (voir le rapport d'application : Méthodes rhéologiques combinées - De la rhéo-optique à la magnétorhéologie et au-delà ) telles que la magnétorhéologie sont devenues populaires car elles permettent de simuler les exigences d'application du monde réel. Pour étudier le changement de comportement rhéologique induit par le champ des fluides MR, un rhéomètre équipé d'un Dispositif Magnéto-Rhéologique (MRD) est utilisé. Le système de mesure est une géométrie à plaques parallèles. Il peut être choisi comme système simple (géométrie à plaques parallèles) ou système à double écart (géométrie TwinGap™ par Anton Paar), en fonction des caractéristiques de qualité de l'échantillon ou des exigences de test.

Figure 2 : Géométrie à plaques parallèles (gauche) et géométrie TwinGap™ (droite)

Des densités de flux magnétique allant jusqu'à 1 T pour la géométrie standard à plaques parallèles et 1,3 T pour la géométrie TwinGap™ peuvent être appliquées. Dans les deux configurations, le champ magnétique est produit en appliquant un courant électrique à une bobine sous la plaque inférieure. Une couverture magnétique en deux parties (yoke) sert de pont magnétique et assure un champ magnétique uniforme orienté perpendiculairement à l'espace de mesure. La densité de flux magnétique est contrôlée par une unité d'alimentation séparée et le logiciel du rhéomètre. L'intégration d'une sonde Hall (optionnelle) au fond du MRD permet des mesures en ligne de la densité de flux magnétique. Bien que la géométrie à plaques parallèles permette un écart de mesure variable, la géométrie TwinGap™ est bénéfique pour les tests à taux de cisaillement élevé en raison de sa zone de mesure fermée. De plus, en raison de la symétrie, les forces normales agissent des deux côtés du rotor magnétisable et se compensent mutuellement pour l'étude d'échantillons ayant une forte réponse à un champ magnétique. Voir les informations sur le produit et le rapport d'application Dispositif Magnéto-Rhéologique : géométrie TwinGap™ (MRD/TG) pour des informations techniques plus détaillées. Vous pouvez trouver plus d'informations dans notre cours e-learning sur la rhéologie diélectrique.

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