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Dilatance (épaississement par cisaillement)

1885
  • Osborne Reynolds
Chercheur démontrant le comportement d'épaississement par cisaillement d'un mélange d'amidon de maïs et d'eau en mécanique.

Shear-thickening, or dilatancy, is a non-Newtonian behavior where viscosité increases with the rate of shear stress. A classic example is a suspension of cornstarch in water (oobleck), which feels liquid when stirred slowly but becomes almost solid when struck or stirred rapidly. This phenomenon is caused by the jamming of suspended particles under high shear.

The mechanism behind shear-thickening in concentrated suspensions is often attributed to hydroclustering and jamming. At low shear rates, the suspended particles are lubricated by the surrounding liquid and can move past each other relatively easily. As the shear rate increases, the particles are forced closer together. The lubricating layer of fluid between them thins, and strong, short-range hydrodynamic forces cause the particles to form transient clusters, or ‘hydroclusters’.

À un taux de cisaillement critique, ces hydroagrégats peuvent percoler à travers le système, formant un réseau rigide et résistant aux contraintes qui traverse le fluide. Cette transition d'un état fluide à un état solide et compact est à l'origine de l'augmentation spectaculaire de la viscosité. Ce processus est réversible ; lorsque la contrainte de cisaillement élevée disparaît, le réseau de particules se disloque et le matériau retrouve son état fluide. Cette propriété est exploitée dans des technologies comme les gilets pare-balles liquides, où un matériau flexible contenant un fluide rhéoépaississant devient instantanément rigide lors de l'impact à grande vitesse d'un projectile, dissipant ainsi l'énergie et protégeant le porteur.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Mécanique

Taper

Propriété physique

Perturbation

Substantiel

Usage

Créneau/spécialité

Précurseurs

  • Observations of the behavior of wet sand by Osborne Reynolds
  • Études de suspensions colloïdales concentrées
  • Développement de rhéomètres pour étudier les phénomènes de cisaillement élevé

Applications

  • gilet pare-balles liquide (par exemple, d3o) qui durcit à l'impact
  • systèmes de contrôle de traction où le liquide s'épaissit pour verrouiller un différentiel
  • matériaux de remplissage de nids-de-poule qui s'infiltrent dans les fissures mais durcissent sous la pression du trafic
  • équipement de protection pour le sport
  • amortisseurs sismiques pour bâtiments

Brevets:

  • US7226878B2
  • US7381467B2

Idées d'innovations potentielles

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