Prospectives dans le domaine des materiaux
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- Le diamant : un matériau pour un développement durable.
CRETA-LC CNRSMulticouches pour supraconducteurs sur substrats métalliques souples Philippe Odier (LdC), coordinateur du Projet SUPERFLEX Contact : philippe.odier@grenoble.cnrs.fr Nous étudions comment élaborer et utiliser les supraconducteurs déposés sur substrats souples (dits « Coated Conductors = CC ») à base d’YBCO (YBa2Cu3O7). Ces matériaux remplaceront dans quelques années (5-10 ans ?) la première génération de câbles supraconducteurs à base de BSCCO (Bi2Sr2CaCu208) qui sont produits industriellement (en France, USA, Japon ...) et commencent à être appliqués sur certains sites. Les CC sont des rubans composés d’un empilement de couches épitaxiées sur un substrat métallique souple qui constitue l’âme métallique du conducteur. La couche active est en YBCO texturée dans le plan et perpendiculairement au plan du ruban. Les CC doivent avoir une qualité (texture) et des propriétés (courant critique) stables sur toute leur longueur. Ces nouveaux matériaux sont donc des multicouches, nanostructurés sur de grandes longueurs. Les défis associés à leur élaboration et à leur utilisation sont nombreux et relèvent d’un travail interdisciplinaire, dans la durée, entre chimistes, physiciens de la supraconductivité, ingénieurs électrotechniciens et industriels applicateurs en câblerie de puissance par exemple. Dans le cadre du programme régional superflex (Rhône-Alpes ; thématique prioritaire dans le domaine matériaux 2003-2006), on a constitué un consortium important et unique en France dans ce domaine, il est compétitif au niveau Européen et même mondial. Il associe des personnels du CNRS de Grenoble (CRETA, LC, CRTBT), du CNRS de Lyon (IRC), de l’INPG (LMGP, LEG, LTPCM, GPM2), de l’université de Savoie (LAIMAN), un industriel du câble (NEXANS), un équipementier en restructuration et 3 centres étrangers (MANEP-univ. Genêve, IFW-Dresden, NIN-Chine). Le CRETA est coordonnateur du projet. Les échanges entre ces équipes et leur complémentarité est exemplaire et doit être exploitée dans le futur. La nature multicouche de ce nouveau matériau implique des études chimiques et physiques génériques sur des couples métal/oxyde, oxyde/oxyde ou des sandwichs qui ont et auront sans doute des retombées dans d’autres domaines. Matériaux Fonctionnels : Les VERRES METALLIQUES MASSIFS J.L. Soubeyroux, Marc Blétry (thèse), Sylvain Puech (thèse) CRETA et Laboratoire de Cristallographie. Contact :
Après avoir synthétisé toute une famille de composés apparus dans la littérature, et vérifié leur amorphisabilité, nous avons entrepris, avec deux thésards, un vaste programme d'investigation de nouvelles formules. Pour les familles connues (ZrTiCuNiAl), nous avons réalisé différentes expériences sous faisceau de neutrons afin de les faire cristalliser in-situ pour comprendre leur mécanisme de cristallisation et déterminer leur domaine de stabilité. C'est ainsi que l'on peut mettre en évidence, selon la composition choisie, que la première phase qui cristallise est de symétrie quasicristalline pour une composition en titane de 2,5% ou une phase nanocristallisée, Zr2Ni, pour une composition en titane de 5%. Ces phases sont métastables et elles cristallisent ensuite à plus haute température pour former des phases binaires ou ternaires connues ou inconnues (Zr2Cu, Zr2Al, Ti2Ni, etc.). En ce qui concerne les alliages à base de fer, la synthèse en film épais (200m) est possible, mais la production de barreaux de quelques millimètres de diamètre reste difficile et nous développons les techniques de préparation pour mieux contrôler leur synthèse (techniques d’aspiration ou d’injection en lingotières refroidies). Ces matériaux ont aussi la particularité d’absorber et de stocker l’hydrogène et nous avons pu montrer que la phase amorphe pouvait absorber de l’hydrogène sans recristalliser à 250°C. Par contre si l’on chauffe les alliages au voisinage des températures de recristallisation, on accélère cette recristallisation et ce sont des hydrures de zirconium très stables qui se forment. Nous collaborons avec les laboratoires de l’INSA (GEMPPM), J.M. Pelletier, pour l’étude des propriétés mécaniques à haute température et avec l’INP de Grenoble (LTPCM et GPM2) , P.Guyot et J.J. Blandin, pour une analyse de la microstructure et des propriétés mécaniques à température ambiante. Des contrats avec l’Air Liquide et Schneider Electric nous ont permis de développer avec eux de nouvelles applications de ces composés. Nous travaillons également sur les alliages Mg-Cu-RE (RE=Gd,Y) qui présentent des propriétés mécaniques très élevées pour des alliages légers (applications automobile et aéronautique). Ces nouveaux alliages font l’objet de travaux avec le GPM2 pour leurs propriétés mécaniques.
Le CRETA a une expertise dans l’élaboration de monodomaines YBaCuO (cristaux avec défauts) de grandes tailles (jusqu’à 10 cm). Ces monodomaines ont un potentiel significatif pour une diversité d'applications industrielles. Ces monodomaines servent pour les paliers magnétiques (roue inertielle, système de guidage linéaire), la génération de champs magnétiques importants (moteur, pseudo aimant permanent) et la limitation du courant (interconnectivité et protection du réseau). A ce jour, seul Nippon Steel a atteint également cette taille d’échantillons. La qualité des monodomaines élaborés au CRETA a permis des études physiques originales des propriétés de transport suivant l’axe c et la construction de quelques démonstateurs. A noter la construction d’un prototype de limiteur de courant (100 A, 1 kV) en collaboration avec Schneider SA dans le cadre du programme européen Byfault, seul limiteur résistif testé avec succès à ce jour utilisant des YBaCuO massifs, et la démonstration de la limitation dans une configuration originale et compacte, dite de l’axe c. Récemment le CRETA a développé le concept de massifs à parois minces qui consiste à faire croître un monodomaine sur une pastille préalablement mise en forme avec un réseau de trous ou d’autres formes complexes permettant d’obtenir une épaisseur de parois inférieure à 1.5mm. La faisabilité est démontrée et un brevet européen déposé. Intérêt : L’obtention de cette géométrie à parois minces permet d’optimiser l’oxygénation des monodomaines YBaCuO en terme de fissures et de process. La réduction du chemin des échanges gazeux permet d’éliminer les porosités lors de l’élaboration. La qualité des monodomaines est significativement améliorée ; les premiers essais sur des pastilles à parois minces montrent un gain de 30% sur des mesures de flux piégé. Cette géométrie présente par ailleurs d’autre opportunités technologiques : meilleur échange thermique avec les bains cryogéniques et possibilité de renforcer les propriétés mécaniques. Cette voie est également prometteuse pour l’amélioration de la qualité et des performances des monodomaines pour les autres applications mentionnées auparavant. L’enjeu de ce travail est de promouvoir les applications de l’YBaCuO à 77K en développant l’élaboration de larges monodomaines aussi performants que des petits échantillons de laboratoire.
P. de Rango (LdC-CRETA), D. Fruchart (LdC), S. Miraglia (LdC), et S. Rivoirard (CRETA) Contact : daniel.fruchart@grenoble.cnrs.fr Partenaire industriel en Rhône-Alpes : MCP Technologie, Romans sur Isère Les Piles à Combustible suscitent un vif intérêt dans le contexte actuel visant à préserver l'environnement. Actuellement, le stockage de l’hydrogène est réalisé sous forme gazeuse en réservoir hyperbare ou sous forme liquide à basse température. Néanmoins, le stockage sous forme d'hydrure métallique permettrait de travailler dans des conditions de sécurité renforcées. Actuellement, les spécifications d'utilisation imposent d'atteindre une capacité massique réversible supérieure à environ 3%. Les matériaux susceptibles d'atteindre de telles performances sont les composés de type Ti-Cr-V (bcc), le magnésium et les "alanates". Par rapport aux composés carbonés, on notera qu'au vu des connaissances actuelles, le magnésium possède un avantage d'un facteur 3 à 4 en terme de charge massique et qu'il est déjà produit à l'échelle industrielle sous forme de poudre et pour un coût nettement plus faible.
Projet présenté dans le cadre du Cluster « Matéraux – Nanostructuration » Contact : P. ODIER, directeur de recherche Coordinateur du projet Superflex Laboratoire de Cristallographie Tel : 04 76 88 10 45 Courriel : philippe.odier@grenoble.cnrs.fr
P. De Rango, D. Fruchart et S. Miraglia. Industriel participant : M Jehan, M.C.P. Technologie, Romans (26). Consortium Européen, Avec 4 groupes français, Programme « Energie » du CNRS le CRETA et le LEGI-GRETH (UJF/CEA). Pour les piles à combustible, éventuellement embarquées, nous avons focalisé la recherche sur des matériaux dont la charge massique réversible était nécessairement supérieure à 2,5 %, dont des alliages complexes AB (bcc) et le magnésium (théorique = 7,6 % mass.). La réactivité de ce dernier élément nous a amené à mettre au point un processus d’activation basé sur le broyage réactif de poudres de Mg avec des particules d’autres éléments distribuées sous forme nanométrique. Intégration à un Consortium Européen dont nous sommes le leaders en matière d’alliages bcc et de magnésium. Ce consortium réunit 4 partenaires institutionnels en Norvège, suède, Grèce et France ainsi que et 5 industriels de Norvège, Suède, Allemagne, Autriche et France. Il a pour objectif de délivrer des matériaux performants pour le stockage réversible de l’hydrogène à l’échelle pilote sous forme de réservoir fonctionnel. Composés magnétiques nanostructurés par MOCVD et plasma : F. Fettar, D. Fruchart et S. Miraglia, J. Pelletier (*). Deux techniques complémentaires de type chimie douce par MOCVD et pulvérisation réactive plasmas assisté par implantation sont utilisées afin d’élaborer des matériaux à applications spécifiques (aimants). Un effet remarquable est l’assemblage par micro structuration dû à l’implantation d’éléments légers (C,H,N) par ces techniques (exemple de réseaux magnétiques implantés de plots de taille micrométriques de nitrures de nickel dans une matrice de nickel). ________________________ THEME 3
A. Villaume, D. Bourgault (Laboratoire de Cristallographie) L. Porcar (Centre de Recherches sur les Très Basses Températures) Contact : bourgault@grenoble.cnrs.fr
Au cours de sa thèse (2000-2003), E. Flahaut a mis en place un dispositif de four à défilement de rubans de grandes longueurs. Ce nouveau procédé d’élaboration a déjà donné des résultats très encourageants. Des densités de courant critique (Jc~220 kA/cm2) supérieures à celles obtenues par traitement thermique utilisé par l'industriel Nexans ont été mesurées en champ magnétique extérieur nul et à 4,2 K. Le courant critique nominal pour un ruban de 0,25 mm d'épaisseur et 3 mm de largeur est de 410 A, ce qui permet d'être très optimiste quant au développement d'un tel procédé pour la fabrication de conducteurs ou de câbles supraconducteurs de grande longueur (plusieurs kilomètres). La tenue des rubans sous champ magnétique est également améliorée par ce nouveau procédé de synthèse. Des observations au microscope électronique à balayage montrent en effet des filaments supraconducteurs Bi2212 bien mieux texturés, l'interface argent supraconducteur induisant une texture des plans ab parallèle à la gaine d'argent.
Laboratoire de Spectrométrie Physique et Département de Recherche Fondamentale CEA Grenoble ______
L’étude d’une boîte quantique isolée par diverses méthodes de spectroscopie optique nous permet en particulier d’aborder la notion d’exciton zéro-dimensionnel, l’analogue d’un atome artificiel en physique du solide
- Principaux équipements: 4 machines ultra-vide d'épitaxie par jets moléculaires, manips de spectroscopie optique
Max-Planck Inst.), Lab. Electronique, Optoelec. et Microsystèmes (LEOM Ecole Centrale Lyon); Lab. Photonique et Nanostructures (CNRS, Marcoussis).
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse); Applied Solid State Physics, Univ. Bochum (Allemagne).
permanents, pour moitié du Laboratoire de Spectrométrie Physique (CNRS- Univ. J. Fourier-GrenobleI), pour moitié du Département de Recherche Fondamentale du CEA-Grenoble, autant de doctorants, et 4 techniciens. - Liens avec l'enseignement supérieur: Un professeur et deux Maitre de Conf. font partie de l'équipe, deux DR-CNRS enseignent aux DEA- Recherche et Pro. ______
Equipe CNRS-CEA-UJF « Nanophysique et Semiconducteur » Tél : 04 38 78 56 88 email : hmariette@cea.fr THEME 4 Le diamant : un matériau pour un développement durable.revétements de surfaces pour électrodes Le diamant, aussi étudié par d’autres équipes rhône-alpines, mériterait d’être pris en considération dans ce cadre du cluster « matériaux et conception pour un développement durable », et ce à plus d’un titre :
Ci-dessous quelques résultats marquants récents de notre équipe, avec des références bibliographiques. Les affiliations de nos co-auteurs te donneront une bonne idée de l’étendue de nos collaborations internationales, parmi lesquelles celle avec le NIMS de Tsukuba est particulièrement étroite et bien soutenue par la région (MIRA) et le MAE (Sakura). Une de nos étudiantes en thèse passe d’ailleurs actuellement un an là-bas avec un soutien de la région. Dopage de type n au phosphore (2ème mondiale) « Epitaxial growth of phosphorus-doped diamond on {111} substrate”, N. Casanova, A. Tajani, E. Gheeraert, E. Bustarret, J.A. Garrido, C.E. Nebel, M. Stutzmann (Diamond 2001, Budapest, Sept 2001), Diamond and Related Materials 11, 328 (2002). Gravure profonde du diamant par plasma ECR d’oxygène : « Etching of p- and n-type doped monocrystalline diamond using an ECR oxygen plasma source”, M. Bernard,.A. Deneuville,.T. Lagarde., E. Treboux,. J. Pelletier,.P. Muret., N. Casanova,.E. Gheeraert,.Diamond and Related Materials 11, 828 (2002). Dopage de type n par deutération de diamant dopé au bore (1ère mondiale) "Shallow donors with high n-type electrical conductivity in homoepitaxial deuterated boron-doped diamond layers", Z. Teukam, J. Chevallier, J. Chevallier, C. Saguy, R. Kalish, D. Ballutaud, M. Barbe, F. Jomard, A. T. Carli, C. Cytermann, J. E. Butler, M. Bernard, C. Baron and A. Deneuville, Nature Mat. 2, 482 (2003). Réduction des nitrates “Boron doped diamond electrodes for nitrate elimination in concentrated wastewater” C.; N.A. Ndao; A. Katty, ; M. Bernard; A. Deneuville.; C. Comninellis,. A. Fujishima,. Diamond and Related Materials, 12, 606 (2003) Jonction p/n en diamant (2ème mondiale) "Homoepitaxial {111}-oriented diamond pn junctions grown on B-doped Ib synthetic diamond", A. Tajani, C. Tavares, M. Wade, C. Baron, E. Gheeraert, E. Bustarret, S. Koizumi, D. Araujo, Phys. stat. sol. (a) 201, 2462 (2004) Supraconductivité du diamant fortement dopé au bore (3ème mondiale) "Dependence of the Superconducting Transition Temperature on the Doping Level in Single-Crystalline Diamond Films", E. Bustarret, J. Kacmarcik, C. Marcenat, E. Gheeraert, C. Cytermann, J. Marcus and T. Klein, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 237005. Dr Etienne Bustarret Responsable de l’équipe « semi-conducteurs » du LEPES _________________________________________________________
Annie Viallat, Thomas Podgorski, Philippe Marmottant et Gladys Massiera Le texte: - Préparation de vésicules artificielles biomimétiques stimulables pour l'étude quantitative de certaines caractéristiques cellulaires - Biomécanique: rôle des propriétés mécaniques des biomembranes sur leur comportement sous cisaillement. effets de perméabilisation - Dynamique de vésicules biomimétiques en écoulement confiné: microcanaux de formes et déformabilité variable, mobilité et résistance à l'écoulement, interactions entre vésicules et rhéologie de la microcirculation. - Adhésion spécifique: étalement et dynamique sous flux de cellules et capsules
Notre équipe étudie aussi d’autres oxydes à propriétés remarquables nécessitant ces conditions extrêmes : les nickelates (III), les pyrochlores de manganèse à magnétorésistance géante, et certains oxydes de type spinelles qui ne peuvent pas être stabilisés à pression ambiante. Nous disposons de 2 presses hydrauliques permettant d’atteindre 8 Gpa et 1500°C, y compris avec enceinte de « gros volumes » d’échantillons (équipement unique en France). Cet appareillage est disponible pour d'autres types d'études, par exemple les systèmes métal-hydrogène sous haute pression d'hydrogène ou les fullerènes. Le laboratoire de Cristallographie a aussi conçu et exploite sur une ligne CRG de l'ESRF une cellule haute pression pour des expériences d'absorption X, dédiée à l'étude des mécanismes de réactions en milieu supercritique, notamment la complexation des métaux lourds, étudiée dans le cadre d'un programme de recherche sur la dépollution les sols. Pour les caractérisations structurales fines en conditions extrêmes, outre l'absorption X, nous disposons d’un diffractomètre à chambre chauffante (1000°C) et compteur courbe INEL très performant. Les caractérisations par diffraction sous haute pression (10 GPa) sont réalisées en collaboration avec l’ESRF et l’ILL à Grenoble. L’implication forte dans le réseau technologique CNRS "Hautes Pressions" permet l’évolution continue des techniques et donne lieu à des collaboratons avec des laboratoires lyonnais (LPMCN, UMR CNRS-UCB), qui se concrétisent notamment par la tenue d’une Ecole de formation permanente organisée par Sylvie Le Floch (Lyon) à Grenoble en 2005. Personnes impliquées dans le projet : Céline Darie, Pierre Bordet, Pierre Strobel, Jean-Louis Hazemann (Laboratoire de Cristallographie Grenoble UPR CNRS) Sylvie Le Floch LPMCN Lyon UMR CNRS-UCB synthèses sous Htes pressions Rafik Ballou LLN Grenoble UPR CNRS études magnétiques et modélisations Sophie de Brion LCMI GrenobleUPR CNRS mesures magnétiques Jens Kreisel LMGP Grenoble UMR CNRS-INPG études locales par spectroscopie Raman et collaboration avec ESRF (EXAFS, diffusion diffuse)
Si leur conduction ionique, qui en fait des matériaux d’électrodes intéressants dans les batteries solides, est bien caractérisée, il en est tout autrement de leur pouvoir thermoélectrique. Celui-ci est comparable aux meilleurs matériaux connus dans ce domaine. Dans ces « cobaltites » qui présentent des ions magnétiques, et où les électrons sont relativement libres, le fort pouvoir thermoélectrique est inattendu et il demeure en grande partie inexpliqué. Néanmoins, de réels espoirs d’applications sont générés par ces nouveaux matériaux. D’une part parce que plusieurs autres familles d’oxydes de cobalt présentent des propriétés similaires, ce qui offre un vaste champ d’investigation pour l’amélioration des performances. Et d’autre part parce que ce sont des oxydes : ils sont donc stables dans l’air à haute température et leur coût de fabrication est bas. Rappelons que les matériaux thermoélectriques peuvent aussi bien servir à la réfrigération qu’à la génération de puissance électrique. A titre d’exemple, ce sont des modules thermoélectriques qui alimentent la sonde Cassini (NASA) à qui nous devons les dernières images de Saturne. A Grenoble, physiciens de la matière condensée et chimistes des matériaux travaillent ensemble pour comprendre les propriétés électroniques de ces matériaux surprenants (sous certaines conditions ils deviennent aussi magnétiques ou supraconducteurs), et pour en synthétiser de nouveaux. La compréhension du mécanisme de pouvoir thermoélectrique est en effet un préalable à l’optimisation de nouveaux matériaux plus performants. Principaux participants (personnel permanent, non exhaustif) Marc-Henri Julien (CR) Claude Berthier (DR) : Laboratoire de Spectrométrie Physique UMR 5588 Mladen Horvatic (DR), Claude Berthier (DR): Laboratoire des Champs Magnétiques Intenses Pierre Bordet (DR), Pierre Strobel (DR), Céline Darie (MdC) : Laboratoire de Cristallographie (UPR) P. Lejay (IR), M. Nunez-Regueiro (DR) : Centre de Recherches sur les Très Basses Températures (UPR) Virginie Simonet (CR) : Laboratoire Louis Néel (UPR 5051) _______________________________________________________ Thématique 7 : Conception et "materials by design" Matériaux Supraconducteurs pour applications de puissance. Les supraconducteurs offrent intrinsèquement des perspectives extrêmement intéressantes pour un développement durable dans le cadre des dispositifs électriques : - l'absence ou la réduction sensible des pertes améliore le rendement des appareils, réduisant donc l'impact sur l'environnement, - l'augmentation importante des densités de puissance via les très fortes densités de courant des supraconducteurs réduit la quantité de matière nécessaire aux dispositifs, - le fonctionnement à basse température qui réduit naturellement les phénomènes de vieillissement et l'absence de nombreux cyclages thermiques sont des garanties pour des durées de vie bien supérieures à celles des dispositifs conventionnels, - certaines nouvelles fonctionnalités des supraconducteurs (stockage d'énergie et limitation du courant entre autres) permettent de mieux utiliser les réseaux électriques actuels et de les sécuriser, ils permettent donc d'éviter dans certains cas la construction de nouvelles lignes, - les supraconducteurs pourraient apporter des solutions innovantes aux nouvelles formes d'énergie renouvelables (piles à combustible, éoliennes) en imaginant un système électrique supraconducteur en courant continu, - la fusion, l'énergie du soleil, n'est concevable qu'avec des supraconducteurs.
Contact : Pascal TIXADOR Téléphone : 04 76 88 79 49 Télécopie : 04 76 87 50 60 Pascal.Tixador@inpg.fr Composés magnéto-caloriques : D. Gignoux (Lab. Louis Néel), P. De Rango, D. Fruchart. Parmi les matériaux dont l’équipe a assuré un certain leadership mondial se trouvent être les phospho-arséniures de métaux de transitions (MM’X), dont les potentialités EMC ont été démontrées récemment pour être parmi les plus élevées à température ambiante. Notre groupe s’est organisé autour des matériaux, des structures et de la modélisation, des mesures thermomagnétiques sous champ variable, des procédés de mise en forme optimum, et du développement d’un prototype de machine frigorifique « tout solide ». Collaboration avec l’ICMA Sarragosse pour des analyses thermodynamiques. Support ADEME-PSA a été obtenu pour un thésard. ARCELOR a plus récemment manifesté son intérêt direct et concret et enfin des « frigoristes » ont été contactés avec un bon degré de retour. Par ailleurs des contacts au niveau européen et mondial ont été pris pour envisager des relations de plus grandes envergures. ____________ « Cristaux multifonctionnels pour l’optique laser » B. Boulanger (Pr), P. Segonds (MdC), J. Fick (CR CNRS), O. Jacquin (MdC) Equipe « Optique non linéaire paramétrique » Laboratoire de Spectrométrie Physique, UMR CNRS-UJFGrenoble 1, Saint Martin d’Hères
Equipe « Matériaux pour l’optique » Laboratoire de Cristallographie, UPR CNRS, Grenoble
M.F.Joubert (DR CNRS), J.C.Gâcon (Pr), P.Moretti (Pr), G.Métrat (MdC) Equipe « Cristaux lasers » Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, UMR CNRS-UCBLyon1, Villeurbanne Projet proposé dans le thème 7 (Conception et « Materials by design ») du cluster régional « Matériaux et conception pour un développement durable ». Le développement de l'optique laser, tant au niveau de la recherche fondamentale que celle appliquée à la médecine, l’environnement ou aux télécommunication par exemple, est directement conditionné par les progrès réalisés en science et génie des matériaux, concernant des composés minéraux ou organiques, amorphes ou cristallisés, sous forme massive, en couches minces ou en fibres. Dans ce contexte, les cristaux occupent une place prépondérante. Selon la propriété optique visée, la recherche en ingénierie cristalline doit permettre l'émergence de nouveaux cristaux adaptés et optimisés vis-à-vis d'une utilisation spécifique potentielle. Il est alors nécessaire de développer des méthodes d'élaboration et de caractérisation performantes. Cette problématique définit le cadre du projet proposé ici, qui porte sur les cristaux à propriétés lasers et non linéaires pour la génération de rayonnement optique cohérent et accordable de l’ultra-violet à l’infra-rouge. Les trois équipes concernées ont des approches très complémentaires, qui permettent de couvrir toute la chaîne de compétences : ingénierie cristalline de nouveaux composés, cristallogénèse, mise en forme et étude fine des propriétés lasers et optiques non linéaires. Un des objectifs majeurs du projet est la miniaturisation des dispositifs lasers. Par miniaturisation, il faut comprendre passage des dimensions métriques aux dimensions millimétriques. Quatre stratégies sont envisagées, qui reposent sur : 1) les diodes lasers de puissance, les micro-lasers ou les multi-puits quantiques comme source de rayonnement primaire ; 2) les cristaux multi-fonctionnels, dont la particularité est de présenter à la fois des propriétés lasers, optiques non-linéaires et électro-optiques, permettant ainsi d’utiliser un seul composant au lieu de trois; 3) les géométries non classiques de cristaux et de cavités pour la simplification des techniques de filtrage spatial et de filtrage spectral des faisceaux émis ; 4) l’intégration des composants optiques par des technologies de couches minces ou de fibres. Des partenaires industriels rhône-alpins, comme Nanolase JDS-Uniphase, Cyberstar, …, sont directement concernés par le projet proposé. Ces recherches s’inscrivent également dans le cadre du réseau national CMDO (Cristaux Massifs et Dispositifs pour l’Optique) dont Benoît Boulanger est le responsable. Ce réseau de la Mission des Ressources et Compétences Technologiques du CNRS regroupe vingt laboratoires français, dont les trois laboratoires porteurs du présent projet. Massifs supraconducteurs à haute température critique Bi2Sr2Ca2Cu3O10+ (Bi2223) : forgeage et texturation magnétique X. Chaud, P.F. Sibeud (CRETA) D. Bourgault (Laboratoire de Cristallographie) Contact : bourgault@grenoble.cnrs.fr
Le dispositif de forgeage à chaud installé chez l'industriel Schneider-Electric permettra d'obtenir des pastilles texturées de 100 mm de diamètre. Un dispositif d’élaboration sous champ magnétique est désormais opérationnel au CRETA. Il est prévu la texturation du matériau Bi2223 dans une bobine supraconductrice possédant un trou de champ à l'ambiante de 450 mm et fournissant un champ magnétique de 4 T. Les dimensions des pastilles seront de 100 mm de diamètre et quelques millimètres d’épaisseur.
Contact : rivoirard@grenoble.cnrs.fr Collaboration avec ARCELOR Nous avons très récemment confirmé l'effet du champ magnétique sur la transformation austénite-ferrite dans le traitement thermique des aciers : la microstructure est modifiée, parfois plus fine ou plus grossière suivant le type de traitement thermique utilisé, et le taux de ferrite formée augmente très fortement avec le champ entre 0 et 16 Tesla. Ce résultat observé par micrographie après traitement, va dans le sens d'un raisonnement thermodynamique : la ferrite ferromagnétique, du fait d'un terme d'énergie magnétique, est plus stable et se forme à plus haute température. Le champ magnétique devient donc un nouveau paramètre dans la définition des traitements thermiques. De nouveaux outils de traitement sont en cours de mise en place, afin d'approcher au mieux les conditions réelles des traitements classiques, en particulier une vitesse de chauffe et de refroidissement rapide techniquement délicate à mettre en place dans les aimants supraconducteurs utilisés pour générer le champ. Deux approches permettent de quantifier les effets du champ : d'une part l'analyse métallographique quantitative des structures formées, d'autre part une mesure directe in situ des déplacements d'équilibre et des changements de cinétique. Si de nombreux outils existent pour la première approche (microscopie, analyse de texture, propriétés mécaniques), ils ne permettent pas de trancher de façon simple sur la nature des mécanismes, en particulier le rôle du champ sur la nucléation, la croissance ou la diffusion. L'analyse in situ permet plus directement de mesurer ces effets : un prototype unique de dilatométrie en champ magnétique intense vient d'être mis au point et livre actuellement ses premiers résultats quantitatifs. Les retombées escomptées de cette recherche seront la compréhension des phénomènes physiques de transformation sous champ magnétique et leur application à l'affinement de la structure des aciers et au renforcement de leurs propriétés mécaniques. Composites à magnétostriction géante ajustable E. Beaugnon (CRETA et LdC) Contact : beaugnon@grenoble.cnrs.fr Projet initialement soutenu par l'IPMC en 2002 Nous avons observé dans un composite constitué d'une matrice polymère souple dans laquelle sont dispersées des particules ferromagnétiques, une élongation continue supérieure à 10% entre 0 et moins de 1 Tesla. Le composite présente donc des propriétés magnétostrictives remarquables (près de 2 ordres de grandeur supérieur au Terfénol, l'un des meilleurs matériaux magnétostrictifs) alors qu'aucun des constituants n'a lui même cette propriété. L'effet est donc a priori géométrique et dû aux interactions magnétiques entre les particules. La mise au point d'un matériau fonctionnel permettrait de nouvelles applications : on obtient une très grande élongation mais une contrainte faible en raison de la souplesse de la matrice, au contraire des magnétostrictifs ou des piézo-électriques. Cette impédance mécanique faible est donc adaptée à la transmission des basses fréquences. Les applications envisagées concernent en particulier les transducteurs acoustiques (comme générateurs mais aussi comme capteurs), et des actionneurs naturellement "doux" pour la préhension ou le déplacement d'objets fragiles. On peut également réfléchir à des systèmes microfluidiques déformant localement des membranes pour guider un liquide, ou des pompes d'injection de médicament implantées et pilotées par un champ extérieur. Les retombées de cette recherche, en particulier par la modélisation numérique, ne concernent pas seulement les capteurs et actionneurs magnétostrictifs, mais aussi la compréhension des effets de champ local : ordre induit par interaction entre particules lors de l'élaboration d'un matériau sous champ ou encore propriétés magnétiques de composites en fonction de la nature et de la texture des constituants. Le projet a été initialement soutenu par l'IPMC (Institut de Physique de la Matière Condensée de Grenoble). La recherche de nouveaux partenaires institutionnels ou industriels et le recrutement d'un étudiant en thèse sont maintenant nécessaires pour valoriser notre premier résultat. 10 - PLATE FORME ELABORATION
THEMATIQUES MATERIAUX AU CRETA (UPS2070 - GRENOBLE) Le CRETA, Unité Propre de Service du CNRS, est à l'interface entre la recherche fondamentale des laboratoires partenaires et le développement d'applications et de dispositifs fonctionnels, notamment dans le domaine privilégié des applications des propriétés physiques des matériaux. Le CRETA fonctionne par projets à durée et financement déterminés, fédérant plusieurs partenaires des laboratoires et, dans la plupart des cas, appuyés par une collaboration industrielle.
Les thématiques présentées dans les pages qui suivent sont le fruit d'une collaboration avec les laboratoires partenaires ainsi que d'une recherche de base développée en interne autour du thème des matériaux fonctionnels. La disponibilité locale et sur le site grenoblois de nombreux outils de mesures physiques et de caractérisation structurale permet un retour très rapide vers l'élaboration. Ces thématiques pourraient s'insérer dans l'un des 7 thèmes du Cluster " Matériaux et conception pour un développement durable", notamment "Procédés d’élaboration et de mise en forme - Défectologie", "Systèmes hétérogènes et effet d’interface - Nano-Structuration" et " Conception et « materials by design »". Elles ont également comme dénominateur commun l'application fonctionnelle des propriétés physiques des matériaux, une démarche partagée avec de nombreux laboratoires dont ceux partenaires du CRETA. Contact : Eric BEAUGNON 04 76 88 90 45 / 04 76 88 12 11 Fax : 04 76 88 12 80 beaugnon@grenoble.cnrs.fr www.grenoble.cnrs/CRETA/
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