Thème 1 – Couplage entre les matériaux et des conditions spécifiques d’environnement

Responsables de thème

Pierre-Olivier Renault (pierre.olivier.renault@univ-poitiers.fr / +33 5 49 49 67 45)
Sylvie Castagnet  (sylvie.castagnet@ensma.fr / +33 5 49 49 82 26)


Le domaine d’application du Thème 1 traite des couplages entre la réponse des matériaux et les transferts de chaleur et de masse induits par des conditions environnementales et / ou extrêmes à l’interface. En complément des deux autres sujets consacrés à la phase fluide et à la fonctionnalisation de surface, le présent sujet de recherche se concentre uniquement sur la manière dont la couche de surface du matériau est affectée.

Les matériaux de structure jouent un rôle essentiel dans de nombreuses applications telles que les transports ou l’électronique. La prise en compte de leurs conditions réalistes d’exposition à l’environnement est donc de plus en plus nécessaire. Les différentes interactions avec l’environnement abordées ici sont : combustion, exposition à des espèces diffusées (inertes ou chimiquement agressives) dans différentes conditions d’écoulement de fluide, charges mécaniques locales spécifiques induites par l’écoulement de fluide, interaction avec des charges électriques, couches de revêtement, irradiation , haute pression ou basse dépression. Le Labex I a déjà abordé certaines de ces situations (par exemple, les températures élevées et les barrières thermiques, la combustion, la fragilisation par l’hydrogène ou l’oxydation.

Le premier objectif du sujet est de comprendre comment des conditions extérieures sévères et spécifiques de température, pression, contrainte, environnement chimique, charges électriques, couche de passivation ou flux de rayonnement affectent les propriétés physiques, chimiques et mécaniques de la sous-couche solide à travers l’ajout de nouvelles phases (par exemple dans les revêtements de dépôt physique en phase vapeur, film d’oxydation), des changements microstructuraux (par exemple dus à la nanostructuration ou à l’implantation d’ions), de l’apparition de défauts (par exemple la porosité résultant de la réaction chimique ou l’hétérogénéité de la teneur en gaz), etc. Le deuxième objectif est d’étudier les conséquences de ces processus sur les champs locaux de stress, de température et d’espèces chimiques. Nous nous intéresserons ensuite à les relier aux mécanismes élémentaires d’adhésion de film mince, d’initiation de plasticité, de genèse de contraintes internes (par exemple lors de cycles thermiques ou de chargement ou vide-air, etc.) pour faire la transition vers dommages, cinétique de sortions et couplage avec comportement mécanique, croissance de fissure , etc. Le troisième objectif est de relier ces mécanismes à la propriété macroscopique de la couche de surface du matériau et de fournir certaines voies pour améliorer la résistance à la fatigue, à la corrosion (en particulier depuis une voie originale de phases MAX), à la résistance au rayonnement, au feu et à l’oxydation.

Les études menées s’appuieront sur plusieurs techniques de pointe en ingénierie de surface: dépôt physique en phase vapeur, implantation d’ions, exposition au feu et aux gaz. La modélisation peut également être utilisée, non pas pour la fonctionnalisation d’interface (thème 2), mais pour contrôler les champs mécaniques dans la première couche du solide. En ce qui concerne la caractérisation, les projets bénéficieront d’un large éventail de sondes et d’outils matériels aux micro et nano échelles, ainsi que de modèles numériques de pointe offrant un accès à des installations informatiques à grande échelle. La caractérisation de la microstructure – définie comme la distribution des interfaces internes, des phases et des défauts – de la sous-couche sera réalisée à l’aide de différentes techniques d’imagerie disponibles au Pprime Institute (FEG-SEM, EBSD, TEM, AFM et STM, X). tomographie à rayons X). Parmi ceux-ci, le FIB mis en œuvre lors du Labex I, offre des moyens originaux de modeler des surfaces de l’échelle micro à l’échelle nanométrique, mais également de développer la métrologie à petite échelle. Il pourrait être utilisé ici pour examiner le champ de déplacement à des interfaces ou à des échelles de microstructure (par exemple des hétérogénéités intra-granulaires dans des polycristaux) couplé à une corrélation d’images numériques ex ou in situ. La transition vers des échelles supérieures est un défi assez général pour la modélisation et les expériences au cours de cette phase de prolongation, en particulier pour l’évaluation de l’impact des processus élémentaires aux échelles supérieures et pour l’optimisation des matériaux et des structures. Des progrès pourraient être réalisés à partir de calculs par éléments finis, de modélisations analytiques et / ou de simulations atomistiques / moléculaires, en fonction de l’échelle temporelle et spatiale des phénomènes.

Les progrès expérimentaux et numériques visent également les couplages complets, parmi lesquels la caractérisation in situ, la mesure de paramètres physiques interdépendants, la capacité de simuler les effets d’anisotropie dans des problèmes de diffusion chimico-mécanique, par ex. dans les stratifiés ou les matériaux fortement étirés.

Plusieurs de ces travaux interdisciplinaires devraient permettre de prévoir les éventuels effets de rétroaction sur la couche limite de fluide et les transferts à l’interface. En particulier, la manière dont les modifications géométriques de la surface solide à différentes échelles (plutôt macroscopiques à la surface recouverte en cas de problèmes de combustion ou à la micro-échelle en raison de modifications de la rugosité), des liquéfactions partielles ou une déformation de la surface influencent les transferts de chaleur, le passage de laminaire à turbulent l’écoulement, la thermoacoustique, la tribo-fluidique ou l’électro-fluidique pourraient être étudiés.