Surfaces, Interfaces, Procédés

LE CONTEXTE SCIENTIFIQUE DES RECHERCHES DU PÔLE SIP

Le pôle Surfaces, Interfaces, Procédés cherche à élaborer de nouveaux matériaux fonctionnels en établissant les relations entre les paramètres des procédés, les structures à différentes échelles (du nano au macro) et les propriétés physiques des matériaux mis en forme incluant évidemment leurs propriétés mécaniques. Cette approche, qui s'appuie en grande partie sur les importants moyens de caractérisation des microstructures disponibles au centre, marie des compétences et savoir-faire d'expérimentateurs et modélisateurs, et permet aussi bien de revisiter des procédés industriels en amenant un éclairage nouveau et une compréhension plus fine des phénomènes en jeu, que de concevoir des procédés, des matériaux et même des pièces totalement nouveaux exploitant notre vision multi-matériaux et/ou multi-échelles. Les activités sont donc prioritairement tournées vers des partenariats industriels, jusqu'au transfert de technologie.

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Les thèmes de recherche

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PROCÉDÉS « TRADITIONNELS » (métallurgie des poudres)

Responsable : Yves BIENVENU

 

Les procédés d’élaboration « traditionnels » font appel soit au passage en phase liquide (moulage...) de matériaux prêts à l’utilisation après les opérations de finition de surface ou de traitements thermomécaniques, soit à la diffusion en phase solide. On peut rassembler les procédés afférents sous le vocable de Métallurgie des Poudres, ce qui inclut aussi les matériaux céramiques. Le raisonnement dans les études de solidification s’appuie sur la thermodynamique, et peut être guidé par des calculs simples à l’équilibre (Calphad, Thermocalc) et par les résultats d’analyses chimique et thermique, en tenant compte des phénomènes interfaciaux et de la cinétique (écoulements et diffusion accompagnant le changement d'état liquide-solide).

 
 
 
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PROCÉDÉS HORS ÉQUILIBRE

Responsables : Francesco DELLORO, Michel JEANDIN

 

Ces procédés couvrent dans le pôle la projection plasma et la projection cold spray. L'apport d'énergie (thermique ou cinétique) en un temps très court conduit à des interfaces ou structures hors équilibre. Des matériaux très différents, et a priori peu compatibles, peuvent se combiner pour constituer de nombreux couples substrat-revêtement, notamment en métallisation ou céramisation de polymères ou de tissus, démultipliant les possibilités de nouveaux matériaux fonctionnels. La compréhension et l'amélioration de ces procédés s'appuient sur des caractérisations spécifiques (choc laser LASAT pour l'adhésion) et la modélisation, par exemple par éléments finis pour la collision particule-substrat dans le cold-spray.

 
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PROCÉDÉS D'ASSEMBLAGE

Responsables : Sébastien JOANNÈS, Jacques RENARD

 

Cet axe de recherche couvre les assemblages mécaniques multi-matériaux comme le rivetage, le collage ou encore le soudage des structures composites avec des sous-ensembles polymères ou métalliques. La notion d'assemblage s'étend aux assemblages multi-fonctionnels en répondant à l'évolution des marchés. En effet, pour relever les challenges économiques, les matériaux composites sont de plus en plus amenés à intégrer des fonctionnalités qui vont au delà des propriétés mécaniques: les composites de demain seront "intelligents et hybrides" multipliant les interfaces et les assemblages. Les fonctionnalités recherchées sont multiples: il peut par exemple s'agir de capter de l'information (détection de défauts) ou réagir à un environnement spécifique. Les matériaux composites doivent pour cela intégrer des éléments sensibles (électroniques notamment) et cette hybridation/fonctionnalisation doit s'opérer à l'échelle même des constituants.  Des fonctions peuvent aujourd'hui être apportées sur les fibres elles-mêmes par l'incorporation de charges et d'additifs avant extrusion et filage. Il convient de correctement appréhender la complexité des nouvelles interfaces créées pour ne pas détériorer les fonctionnalités primaires comme la tenue mécanique et notamment la durabilité.

 
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PROCÉDÉS « VOIE HUMIDE »

Responsables : Anthony CHESNAUD, Jean-François HOCHEPIED, Alain THOREL

 

Ces procédés font à la fois référence à la synthèse de particules par précipitation et à la mise en forme de poudre pour l'élaboration de céramiques, par exemple le coulage en bande pour les piles à combustible. La précipitation contrôlée en solutions aqueuses dans des réacteurs adaptés, essentiellement appliquée aux oxydes métalliques, permet d'obtenir un bon compromis entre contrôle des caractéristiques physico-chimiques des particules (pureté, taille, forme...) et procédé acceptable industriellement, ce qui distingue nos travaux des approches de chimie douce développées dans le milieu académique, présentant souvent un meilleur contrôle des particules mais irréalistes à l'échelle industrielle (notamment en termes de coûts), et les approches purement génie des procédés qui ne prennent que grossièrement en compte la caractérisation et le contrôle de taille ou morphologie des particules.

Le coulage en bande (tape casting), la sérigraphie (screen printing) ou la filmographie (bar coating), développés au laboratoire, sont des procédés « voie humide » faisant intervenir une mise en forme à froid à l’aide d’une barbotine, suivie du frittage de la pièce séchée. Le point le plus délicat est la stabilisation des barbotines (contre la floculation et la sédimentation), demandant de réajuster leur formulation en fonction des caractéristiques des poudres (taille de grains, charge de surface, morphologie et nature cristallochimique). Dominer la formulation des barbotines permet par exemple de bien contrôler et donc d'optimiser les microstructures poreuses de coeur de piles à combustible, associant des matériaux différents.

 

Présentations supplémentaires à télécharger :
  • Précipitation d'hydroxydes et d'oxydes métalliques en solution aqueuse ― Contrôle de la taille et de la forme des particules (pdf)
  • (Co)precipitation of (hyd)roxides nanoparticles and nanostructured particles in aqueous solutions (pdf)
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Les dernières publications

+ de publications

 

Samuel Forest, Kais Ammar, Benoit Appolaire, Victor De Rancourt, Stephan Wulfinghoff. Generalized continua and phase-field models : application to crystal plasticity ed. S. Mesarovic, S. Forest, H. Zbib. Mesoscale models : from micro-physics to macro-interpretation, CISM International centre for mechanical sciences, pp.299-344, 2019, ⟨10.1007/978-3-319-94186-8_6⟩

Jan Rojek, Sébastien Joannès, Jean-Christophe Teissedre, Lucien Laiarinandrasana, Anthony Bunsell. Effect of through-thickness compressive stress and porosity on the tensile strength of carbon-fibre reinforced composites Twenty-Second International Conference on Composite Materials (ICCM22), Aug 2019, Melbourne, Australia

Valérie Forest, Jean-François Hochepied, Jérémie Pourchez. Importance of Choosing Relevant Biological End Points To Predict Nanoparticle Toxicity with Computational Approaches for Human Health Risk Assessment Chemical Research in Toxicology, American Chemical Society, 2019, 32 (7), pp.1320-1326. ⟨10.1021/acs.chemrestox.9b00022⟩

Valérie Forest, Jean-François Hochepied, Lara Leclerc, Adeline Trouvé, Khalil Abdelkebir, Gwendoline Sarry, Vincent Augusto, Jérémie Pourchez. Towards an alternative to nano-QSAR for nanoparticle toxicity ranking in case of small datasets Journal of Nanoparticle Research, Springer Verlag, 2019, 21 (5), ⟨10.1007/s11051-019-4541-2⟩

Alexandre Pichavant, Élise Provost, Walter Fürst, Jean-François Hochepied. Determination of the temperature dependence of Titanium(IV) hydrolysis and complexation constants in aqueous sulfuric or chlorhydric solutions Journal of Chemical Thermodynamics, Elsevier, 2019, 131, pp.184-191. ⟨10.1016/j.jct.2018.11.001⟩

Anna Ask, Samuel Forest, Benoit Appolaire, Kais Ammar. Cosserat crystal plasticity with dislocation driven grain boundary migration Journal of Micromechanics and Molecular Physics, 2018, ⟨10.1142/S242491301840009X⟩

Francesco Delloro, Didier Zagouri, Michel Boustie, Michel Jeandin. A Laser Shock Approach to Cold Spray Materials Science Forum, Trans Tech Publications Inc., 2018, 941, pp.1833-1840. ⟨10.4028/www.scientific.net/MSF.941.1833⟩

Astrid Perlade, Annie Antoni, Rémy Besson, Daniel Caillard, Michael Callahan, Jonathan Emo, Anne-Françoise Gourgues, Philippe Maugis, Aurore Mestrallet, Ludovic Thuinet, Quentin Tonizzo, Jean-Hubert Schmitt. Development of 3rd generation Medium Mn duplex steels for automotive applications Materials Science and Technology, Maney Publishing, 2018, pp.1-16. ⟨10.1080/02670836.2018.1549303⟩

Anna Ask, Samuel Forest, Benoît Appolaire, Kais Ammar. A Cosserat–phase-field theory of crystal plasticity and grain boundary migration at finite deformation Continuum Mechanics and Thermodynamics, Springer Verlag, 2018, ⟨10.1007/s00161-018-0727-6⟩

A.I. Vakis, Vladislav Yastrebov, J. Scheibert, L. Nicola, D. Dini, C. Minfray, A. Almqvist, M. Paggi, S. Lee, G. Limbert, Jean-François Molinari, G. Anciaux, S. Echeverri Restrepo, A. Papangelo, A. Cammarata, P. Nicolini, R. Aghababaei, C. Putignano, S. Stupkiewicz, J. Lengiewicz, G. Costagliola, F. Bosia, R. Guarino, N.M. Pugno, G. Carbone, M.H. Müser, M. Ciavarella. Modeling and simulation in tribology across scales : An overview Tribology International, Elsevier, 2018, 125, pp.169-199. ⟨10.1016/j.triboint.2018.02.005⟩

 

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