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La rhéométrie, ou mesurer les déformations d’un matériau

Dossier - Rhéophysique, la matière dans tous ses états
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La peinture, le dentifrice ou la purée ont parfois des propriétés surprenantes, entre liquide et solide. La rhéophysique étudie les comportements des polymères, des émulsions ou encore des colloïdes, que vous découvrirez dans ce dossier.

  
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L'objectif de la rhéométrie est la mesure des propriétés rhéologiques des matériaux, autrement dit les relations entre les contraintes au sein du matériau (force par unité de surface) et l'histoire des déformations qu'il a subies.

© Raniramli, Pixabay, DP

Si on la considère dans son sens le plus général, cette problématique est cependant trop vaste : en pratique, il n'est pas envisageable de suivre l'histoire des déformations en chaque point du fluide et de mesurer les différentes composantes du tenseur des contraintes. Les techniques de rhéométrie courantes mettent en jeu des écoulements suffisamment simples pour que d'une part, la loi de comportement du matériau dans ces conditions s'écrive sous la forme d'une relation entre un petit nombre de variables, et d'autre part, il soit possible de mesurer directement ces variables par des mesures « macroscopiques », autrement dit sans mesures locales à l'intérieur du matériau.

Lors d’une déformation en cisaillement simple, tout se passe comme si les couches de liquides glissaient les unes parallèlement aux autres. © Philippe Coussot

Le principal type d'écoulement répondant à ces critères est le cisaillement simple (voir dessin ci-dessous). Dans ce cas, les couches de matériau tendent à glisser les unes parallèlement aux autres sous l'action d'une contrainte tangentielle, induisant un gradient de vitesse (vitesse relative en fonction de l'épaisseur). Différentes géométries permettent un tel écoulement : cône-plan, plans parallèles, cylindres coaxiaux, conduite, plan incliné.

Précautions pour les expériences rhéologiques

Une expérience de rhéométrie avec un fluide complexe n'a rien d'une technique facile à mettre en œuvre. Il reste très délicat d'obtenir des mesures fiables, qui représentent effectivement le comportement du matériau ; de nombreux phénomènes perturbateurs des mesures peuvent en effet survenir en cours d'expérience. Les calculs théoriques permettant d'interpréter les mesures macroscopiques en termes de comportement intrinsèque du matériau s'appuient sur des hypothèses d'homogénéité, de forme de l'échantillon et de caractéristiques d'écoulement. Si ces hypothèses ne sont plus valides du fait de phénomènes perturbateurs (sédimentationbandes de cisaillement, évaporation, déformation de la surface libre de l'échantillon, glissement aux parois, etc.), les calculs ne fournissent pas d'informations exactes concernant le matériau considéré. De nombreuses précautions expérimentales s'imposent donc. S'ajoute à cela le fait que les procédures expérimentales (c'est-à-dire l'histoire de l'écoulement imposé au matériau) doivent être adaptées au type de comportement étudié. 

L’outil privilégié pour mesurer la viscosité d’un liquide est le rhéomètre rotatif, qui utilise diverses géométries de mesure telles que des disques parallèles qui, après s’être rapprochés en écrasant quelque peu l’échantillon, tournent l’un par rapport à l’autre autour du même axe. © Philippe Coussot

Finalement, de nombreuses précautions expérimentales doivent être prises. Il faut surveiller les évolutions de l'échantillon, adapter les procédures appliquées en fonction des réactions du matériau, etc. La rhéométrie des fluides complexes reste un art.

Pour pallier ces difficultés et également disposer d'informations concernant les évolutions de la structure interne en cours d'écoulement, dans l'esprit de la rhéophysique, on applique de plus en plus souvent depuis environ une quinzaine d'années des techniques de diffusion de lumière ou de neutrons pour étudier la structure des suspensions. On utilise aussi des techniques de vélocimétrie (PIV pour particle image velocity, IRM) pour obtenir des informations sur les champs de vitesse au sein des fluides.