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Présentation de l’Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris :
L’École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris) est la première école d’ingénieurs française au classement de Shanghai.
Distinguée par 6 prix Nobel, elle allie recherche d’excellence (1 publication par jour), innovation (1 brevet par semaine, 3 start-ups par an) et formation interdisciplinaire par la recherche.
Elle accueille 400 élèves ingénieurs, 600 chercheurs dans 9 unités mixtes de recherche et environ 100 agents de support de la recherche et de l’enseignement.
Sujet :
Effet des vibrations mécaniques sur l’écoulement de suspensions dilatantes. Application à l’impression 3D.
L’impression 3D nécessite de disposer d’un fluide d’impression pouvant transiter d’un état liquide, permettant sa formulation et sa déposition, à un état figé, permettant de conserver sa forme et sa structure une fois déposée.
Lorsque des particules non browniennes non attractives sont dispersées dans un liquide, elles ne forment généralement pas spontanément un gel (fluide à seuil) imprimable. Il existe une fraction volumique maximale ϕ_j en particules, la « fraction de jamming », en dessous de laquelle la suspension a un comportement de fluide visqueux qui ne convient pas pour l’impression. Si les particules peuvent être empilées jusqu’à leur fraction d’empilement aléatoire compact ϕ_rcp, une suspension formulée à une fraction ϕ_j<ϕ<ϕ_rcp, qui a un seuil d’écoulement et semble donc favorable à un dépôt en film, ne peut s’écouler de façon homogène : elle a un comportement dilatant et se sépare spontanément lors de sa mise en œuvre en une partie fluide où localement 〖ϕ<ϕ〗_j et une partie solide proche de l’empilement aléatoire compact. Une telle suspension ne permet pas de maîtriser l’impression.
Pour résoudre ce problème, le seul procédé existant à ce jour repose sur un changement de formulation du fluide suspendant ce qui peut gêner l’application.
Nous souhaitons ici explorer la mise en œuvre de suspensions très concentrées dans un liquide simple au-delà de la concentration de jamming, soit pour ϕ_j<ϕ<ϕ_rcp. L’intérêt de telles suspensions est (i) d’avoir intrinsèquement un seuil d’écoulement, garantissant la stabilité du motif imprimé sans recours à des additifs indésirables, (ii) de maintenir une composition a priori bien maîtrisée lors du séchage ultérieur du film, grâce à un réseau de contacts préexistant au séchage, ce qui n’est pas le cas à de plus faibles concentrations, (iii) de pouvoir ajouter des charges à la suspension en très grande proportion, n’étant pas limités par la concentration, afin d’imprimer des matériaux composites avec des propriétés fonctionnelles variées (thermiques, électriques, acoustiques…).
Cette approche devrait par exemple nous permettre de proposer des électrodes à base de polymère et de noir de carbone à haute concentration dont les propriétés de conductivité seront exacerbées ainsi que des supercondensateurs avec des grandes surfaces spécifiques.
Dans cette optique, le défi principal reste de pouvoir effectuer l’impression, autrement dit d’être capable d’imposer un écoulement homogène de la suspension dans des capillaires et à travers des constrictions.
Nous avons montré que les vibrations mécaniques rendent fluides des suspensions très concentrées, solides au repos (formulées telles que ϕ_j<ϕ<ϕ_rcp ) de façon réversible. Notre approche est guidée par ces résultats et par nos expériences préliminaires qui montrent que des US (amplitude typique 1 à 10 nm, fréquence typique 500 kHz) diminuent effectivement la résistance à l’écoulement d’une suspension concentrée. Notre but dans cette thèse est double.
Il s’agit dans un premier temps de réaliser une étude permettant de caractériser quand les vibrations sont efficaces en terme de fréquence, amplitude de vibrations, de fraction solide de particules. Les géométries d’écoulement étudiées seront des capillaires mais aussi des géométries plan-plan. Des suspensions modèles mais aussi des systèmes proches des applications industrielles seront étudiés.
Il s’agit dans un second temps de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la fluidisation.
Pour cela des expériences de tomographie X, des caractérisations du coefficient de friction en fonction des vibrations seront effectuées.
Profil :
Nous recherchons un candidat ayant un fort intérêt pour les expériences et les développements expérimentaux. Mis à part une réelle motivation pour mener à bien des expériences en physicochimie, mariant formulation et mesures physiques, une aptitude à analyser et à rationaliser les phénomènes mis en jeu à partir de modèles est recherchée. Le candidat acquerra des compétences dans le domaine de la rhéologie, des fluides complexes, de la microfabrication, de l’impression 3D.
Ces travaux sont financés dans la cadre du projet ANR Improvibrations. Les travaux se dérouleront à Paris à l’ESPCI sous la direction d’Annie Colin en collaboration étroite avec Guillaume Ovarlez du LOF bordeaux et la société Solvay. Des collaborations avec le Canada sont possibles.
Modalités de recrutement :
Recrutement selon les conditions statutaires, en CDD (temps plein) de droit public pour une durée de 3 ans à partir du 1er octobre 2023.
Contact : annie.colin@espci.fr ;
Lieu :
10, Rue Vauquelin 75005 Paris
Métro ligne 7 (Place Monge/Censier Daubenton) - RER B (Luxembourg) - Bus 21, 27 & 47 - 3 Vélib’ stations à proximité.