Du film granulaire à l'empilement de billes de gaz : Élaboration d'un matériau triphasique et étude de ses propriétés vibrationnelles

From granular film to gas marble stacking : Development of a three-phase material and study of its vibrational properties

• Auteur / Autrice : Paul Gauthier
• Direction : Florence Rouyer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NAVIER
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Rhéophysique et Milieux Poreux

Mots clés

Mots clés libres

Billes de gaz

Films granulaires

Capillarité

Vibration

Gas marbles

Granular films

Capillarity

Vibration

Résumé

Ce sujet de la thèse s'inscrit dans la suite du projet ANR PhyGaMa (Physics of Gas Marbles) qui porte sur l'étude des billes de gaz (gas marbles), et a pour intitulé : Physique des films granulaires et des billes de gaz. Une bille de gaz consiste en une poche de gaz encapsulée par une membrane composée d'une couche de particules solides liées par un fin film liquide sous forme de ponts capillaires. L'intérêt des billes de gaz réside dans leur propriété à résister à des changements de pression en conservant un volume de gaz constant : elles résistent à une pression 10 fois supérieure à la pression de Laplace d'une bulle de savon classique [1]. Parmi les différentes propriétés intéressantes de ces nouveaux objets [1,2], cette thèse s'intéressera plus spécifiquement à l'étude des propriétés vibrationnelles des billes de gaz et de leur empilement en vue d'une application en absorption mécanique ou en acoustique. Pour se rapprocher des applications potentielles, un premier axe de la thèse portera sur l'élaboration de systèmes moins modèles et plus stables vis-à-vis de sollicitations mécaniques extérieures. Ensuite l'objectif principal de cette thèse sera d'étudier les propriétés vibrationnelles de ces systèmes à différentes échelles, du film granulaire constituant la coque jusqu'aux empilements des billes de gaz. Les billes de gaz étudiées dans l'ANR PhyGaMa sont très modèles puisque leur coque est constituée d'un film de savon piégeant des particules sphériques monodisperses. De plus, bien que très résistantes comparées aux simples bulles de savon, elles restent néanmoins très délicates à manipuler et à empiler. Ce verrou sera levé en utilisant des constituants de nature différente afin d'améliorer la stabilité mécanique de la coque (du moment de la production des billes de gaz jusqu'à celui de leur étude vibrationnelle). Les particules pourront ainsi être non monodisperses et non sphériques (anguleuses, ellipsoïdales), et surtout, le film de savon pourra être remplacé par un film viscoélastique. Nous testerons pour cela des hydrogels de polymères bio-sourcés et des gels de colloïdes et mettrons à profit l'évolution temporelle de leurs propriétés visco-élastiques afin d'élargir les gammes de variation des propriétés visco-élastiques [3]. Au-delà de la stabilité des billes de gaz, l'utilisation d'une matrice gélifiante nous permettra de faire varier la densité en particule de la coque, paramètre déterminant lorsque nous étudierons leur comportement sous vibration. Un empilement de billes de gaz peut être décrit comme une assemblée d'objets légers et creux avec une coque granulaire constituant ainsi un matériau à porosité hiérarchique. Il devrait partager certaines propriétés vibrationnelles avec des matériaux granulaires denses (dissipation frictionnelle au niveau des contacts entre grains) [4]. Il devrait aussi présenter des propriétés intéressantes de dissipation intrinsèque (liées à la nature « composite » de la coque) et d'atténuation du son liées à la faible densité des billes de gaz. En effet, en raison de la faible masse des billes de gaz, le couplage entre l'air et les billes de gaz peut permettre d'activer les différents mécanismes dissipatifs (en fonction des fréquences imposées) lorsque l'onde sonore traverse le matériau. Schématiquement, nous étudierons d'une part la dissipation intrinsèque (à la fois visqueuse et frictionnelle) au sein de la coque granulaire lors de la mise en vibration d'une bille de gaz (pour diverses gammes de fréquence), et d'autre part, la dissipation des ondes sonores transmises dans un empilement de billes de gaz. Au-delà des effets de rapport de tailles (taille de particules par rapport à la taille des billes de gaz), la compréhension de ces propriétés vibrationnelles reposera sur notre capacité à faire varier de manière indépendante la densité en particules des coques et les propriétés viscoélastiques de la coque des billes de gaz. [1] Y.Timounay, O. Pitois, F. Rouyer ; Gas Marbles: Much Stronger than Liquid Marbles ; Phys. Rev. Lett. (2017). [2] Y. Timounay, E. Ou, E. Lorenceau, F. Rouyer ; Low gas permeability of particulate films slows down the aging og gas marbles ; Soft Matter (2017) [3] A. Mikhailovskaya, V. Trappe, A. Salonen ; Colloidal gelation, a means to study elasto-capillarity effects in foam ; Soft Matter (2020) [4] X.P. Jia, J. Laurent, Y. Khidas, V. Langlois, Sound scattering in dense granular media, Chinese Sci. Bull. (2009).

This subject of the thesis is part of the ANR PhyGaMa (Physics of Gas Marbles) project which deals with the study of gas marbles, and is entitled: Physics of granular films and gas marbles. A gas marble consists of a pocket of gas encapsulated by a membrane composed of a layer of solid particles linked by a thin liquid film in the form of capillary bridges. The interest of gas marbles lies in their property to resist to pressure changes while keeping a constant gas volume: they resist to a pressure 10 times higher than the Laplace pressure of a classical soap bubble [1]. Among the various interesting properties of these new objects [1,2], this thesis will focus more specifically on the study of the vibrational properties of gas marbles and their stacking for application in mechanical absorption or acoustics. In order to get closer to potential applications, a first axis of the thesis will focus on the development of less model-like and more stable systems with respect to external mechanical stresses. Then the main objective of this thesis will be to study the vibrational properties of these systems at different scales, from the granular film constituting the shell to the stacks of gas marbles. The gas marbles studied in the ANR PhyGaMa are very model since their shell is made of a soap film trapping monodisperse spherical particles. Moreover, although very resistant compared to simple soap bubbles, they remain nevertheless very delicate to handle and to stack. This problem will be solved by using different constituents in order to improve the mechanical stability of the shell (from the production of the gas marbles to their vibrational study). The particles could be non-monodisperse and non-spherical (angular, ellipsoidal), and especially, the soap film could be replaced by a viscoelastic film. For this purpose, we will test hydrogels of bio-based polymers and colloid gels and take advantage of the temporal evolution of their viscoelastic properties in order to extend the ranges of variation of viscoelastic properties [3]. Beyond the stability of the gas marbles, the use of a gelling matrix will allow us to vary the particle density of the shell, a key parameter when studying their behavior under vibration. A stack of gas marbles can be described as an assembly of light and hollow objects with a granular shell constituting a material with hierarchical porosity. It should share some vibrational properties with dense granular materials (frictional dissipation at the contacts between grains) [4]. It should also have interesting intrinsic dissipation properties (related to the ''composite'' nature of the shell) and sound attenuation properties related to the low density of the gas marbles. Indeed, due to the low mass of the gas marbles, the coupling between the air and the gas marbles may allow the activation of different dissipative mechanisms (depending on the imposed frequencies) when the sound wave passes through the material. Schematically, we will study on the one hand the intrinsic dissipation (both viscous and frictional) within the granular shell during the vibration of a gas marble (for various frequency ranges), and on the other hand, the dissipation of sound waves transmitted in a stack of gas marbles. Beyond the size ratio effects (particle size versus gas marble size), the understanding of these vibrational properties will rely on our ability to independently vary the particle density of the shells and the viscoelastic properties of the gas marble shells. [1] Y.Timounay, O. Pitois, F. Rouyer; Gas Marbles: Much Stronger than Liquid Marbles; Phys. Rev. Lett (2017). [2] Y. Timounay, E. Ou, E. Lorenceau, F. Rouyer; Low gas permeability of particulate films slows down the aging og gas marbles; Soft Matter (2017) [3] A. Mikhailovskaya, V. Trappe, A. Salonen; Colloidal gelation, a means to study elasto-capillarity effects in foam; Soft Matter (2020) [4] X.P. Jia, J. Laurent, Y. Khidas, V. Langlois, Sound scattering in dense granular media, Chinese Sci. Bull (2009).