Les fluides magnétorhéologiques et leurs applications

04/10/2018
Auteurs : G. Bossis
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23570
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Les fluides magnétorhéologiques et leurs applications

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Les fluides magnétorhéologiques et leurs applications La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 72 Les fluides magnétorhéologiques et leurs applications G. BOSSIS Institut de Physique de Nice, UMR7010 1. Introduction Les fluides magnétorhéologiques se présentent sous la forme de particules aimantables de taille voisine du micron dispersées dans un liquide (souvent ethylène glycol ou huile silicone). En présence d'un champ magnétique les microparticules s'aimantent et s'agrègent sous la forme d'un réseau solide qui va résister à une contrainte de déformation de la même façon qu'un solide. C'est cette transition liquide-solide contrôlée par l'application d'un champ magnétique qui est exploitée dans de nombreuses applications, principalement dans des circuits hydrauliques où on cherche à moduler la transmission d'une force ou d'un couple. Cet effet est connu depuis longtemps (J.Rabinow: AIEE Trans. 67,1308 (1948)) mais fait toujours l'objet de recherches qui ont pour but d'améliorer les caractéristiques de ces fluides et d'étendre leur champ d'application. On se limitera dans cet article à décrire les principes de base et à évoquer les évolutions dans ce domaine. 2. La contrainte seuil magnétique L'application d'un champ magnétique, en aimantant les particules, génère une force d'interaction entre 2 particules qui, dans une large gamme de champ, est donnée par : 0.5 1.5 2 0 m s F M H a   avec a le rayon des particules et Ms l'aimantation de saturation du matériau constituant les particules. Si on suppose que la structure ainsi formée consiste de nc chaînes de particules alignées dans la direction du champ, on aura une contrainte nécessaire pour casser ces nc chaînes qui sera: y= nc Fm/S. Or le nombre de chaînes par unité de surface est : nc/S=N a/V. La contrainte seuil est alors 0.5 1.5 0 y s K M H   =  où =N.(4/3)a3 /V est la fraction volumique des particules en suspension et K=2.31 [1]. Lorsque la suspension est placée entre deux disques séparés de h, la contrainte,, nécessaire pour faire tourner le disque supérieur à la vitesse angulaire  est alors donnée par: 0 y     = + (1) où . / R h  =  est ici le taux de cisaillement à l'extrémité du disque et 0 la viscosité de la suspension à champ nul; c'est ce qu'on appelle la loi de Bingham. Les courbes expérimentales sont reportées sur la figure1; leurs intersections avec l'axe des contraintes représente la contrainte seuil:y(H). On voit que l'effet du champ est approximativement de décaler les courbes verticalement ce qui justifie l'utilisation de l'équation de Bingham(1). Figure 1 : Contrainte versus taux de cisaillement pour différents champs; =0.45 En pratique les champs appliqués peuvent être beaucoup plus grands que ceux représentés sur la figure1 et pour des champs de l'ordre de 400kA/m (soit B=0.5Tesla) la contrainte seuil peut atteindre 50kPa. Néanmoins l'application de forts champs nécessite l'emploi de bobines et de circuits en acier magnétique lourds et encombrants. Un progrès dans ce domaine devrait venir de l'utilisation de suspensions beaucoup plus concentrées (>0.6) grâce à l'utilisation de superfluidifiants utilisés dans l'industrie du ciment. On peut alors, grâce à un effet de blocage frictionnel contrôlé par le champ, obtenir des contraintes de l'ordre de 100kPa pour des champs beaucoup plus faibles (H= 20kA/m)[2]. 3. Les applications Les principales applications concernent les dispositifs d'amortissement contrôlable ou de type embrayage [3]. Dans le premier cas( fig. 2) on souhaite minimiser la fonction de transfert T=x0/y0 où y0 est la sollicitation imposée par les irrégularités de la chaussée. La fonction T() est donnée par la solution de l'équation: m x c(H)(x y) k(x y) 0 + − + − = & & & & . Cette solution dépend de 2 paramètres =c(H)/(2mr) et la fréquence réduite = r avec r k / m  = la fréquence de résonance du système. Le paramètre de contrôle est c(H) qui est proportionnel à la viscosité /  =   &(cf Eq.(1) et fig.1 ). La stratégie de commande consiste à augmenter fortement la viscosité quand  est voisin de r pour éviter les rebonds à la résonance et à la diminuer au maximum aux fréquences supérieures. Le second type d' application schématisé sur la figure 3 est relatif à la transmission de couple qui peut s'appliquer à l'embrayage, au freinage et à des dispositifs haptiques consistant à donner la sensation de Les fluides magnétorhéologiques et leurs applications La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 73 l'effort réel résultant du mouvement d'un dispositif de contrôle (par exemple un volant [http://www.lordmrstore.com/lord-mr-products], une manette de jeu video, etc...) Figure 2 : Modélisation d'un amortisseur contrôlable Fig.3 Schéma d'un viscocoupleur à fluide MR Une autre application importante mais plus indirecte concerne le polissage optique. Dans ce cas le fluide magnétorhéologique sert de fluide porteur de particules abrasives non magnétiques qui sont soumise à une pression contrôlée par le champ magnétique, ce qui permet des polissages de grandes surfaces avec une rugosité de l'ordre du nanomètre [4] Références [1] Rheology of magnetorheological fluids.:Models and measurements J.M.Ginder, L.C.Davis, L.D.Elie: Int. J. Mod. Phys B. 10, 3293 (1996); G.Bossis et al Lecture Notes in Physics 594, pp. 202–230, 2002. [2] MR fluid,foam and elastomer devices, J. D.Carlson*, M. R. Jolly, Mechatronics 10 (2000) 555±569 [3] Outstanding magnetorheological effect based on discontinuous shear thickening in the presence of a superplastifier molecule G.Bossis,Y.Grasselli, A.Meunier, O.Volkova , Appl. Phys.Lett. 109, 111902 (2016) [4]W.I. Kordonski et al U.S. Patent 5,795,212, 18 August 1998 A.K.Singh et al Wear 302(2013)1180