Prospectives dans le domaine des materiaux

III – a - Les hydrures modifiés dans leurs propriétés fondamentales (magnétisme, électronique)

L’effet de pression négative que constitue l’insertion d’hydrogène dans un réseau est régulièrement appliqué tant à des matériaux magnétiques (variation des distances de ferro-faibles (fer) ou disposition de charges dans la coordination dans les matériaux à aimants), que non magnétiques, pour en mesurer les propriétés bulk que les aspects structuraux fins notamment par diffraction neutronique in-situ ou par analyse du seuil d’absorption X. Ainsi nous avons plus récemment analysé le comportement électronique de couches monocristallines de Gd métal déposé sur saphir où la transition métal-isolant (transparent) accompagne la disparition du magnétisme 4f, avec la création d’un gap à E_F.
III – b - Les hydrures réversibles de stockage (HYSTORY)

C’est la seconde forte activité du groupe avec la participation (essentiel de l’équipe) à un consortium européen (6 pays, 4 institutionnels, 5 industriels) et aux actions nationales Hydrogène. C’est aussi une activité suivie et continue depuis plus de 20 ans. Le but fixé est d’étudier et optimiser des hydrures comme moyen de stockage de l’énergie développée par une pile à combustible. Notre intérêt va vers deux classes de matériaux à hydrures réversibles  soit 2,5% massique de stockage, à base de métaux de transition et plus de 5% massique à base d »éléments légers. L’activité, outre la synthèse des alliages et de leurs hydrures (mécanosynthèse), consiste à suivre les propriétés thermodynamiques et cinétiques par machine PCT au laboratoire et expériences de diffraction neutronique in-situ.

Cette activité pourrait déboucher également sur la constitution d’un groupe contractuel au niveau régional.

Ces opérations impliquent fortement le CRETA. Dans ce cadre nous analysons actuellement par modélisation numérique, les effets d’alliage et d’hydruration tels que procédés par mécanosynthèse.

III – c - Les hydrures sous très haute pression : analyses fondamentales (support PER)

Nous avons mis au point, grâce aux installations hautes pressions du laboratoire, une métallurgie unique qui consiste à créer dans un métal, une densité de lacune très largement supérieure à ce qui est connu, par insertion d’hydrogène jusqu’à 7 GPa. Signalons que deux autres groupes seuls au monde pratiquent cette «manipulation» Ainsi le palladium presque métallique devient supraconducteur (hydrure normal) puis paramagnétique avec 25% de lacune atomique ordonnée. Outre l’expérimentation, l’approche est soutenue et validée par les calculs de la structure électronique de système ternaires métal-lacune-hydrogène. Outre le palladium, nous avons expérimenté par exemple, le nickel, et des alliages Pd-Ni, l’alliage à mémoire de forme TiNi et d’autres alliages binaires. Des expériences in-situ sous pression ,à l’ESRF sont menées en paralléle. Nous avons montré que des expériences de chargement plasma hydrogène et de chargement electrolytique proton peuvent éventuellement conduire à cet état de métal à super-abundant-vacancies.

Lorsque l’hydrogène est progressivement évacué, les lacunes instables, migrent par les défauts et forment ainsi des cavités nanométriques dans un cristal reconstitué, dont il conviendrait d’analyser les propriétés d’insertion.

III – d - Hydrures et métallurgie : Génie des procédés.

La fragilisation des alliages et le traitement des aciers (aciers à haute ténacité) constitue un point d’intérêt renouvelé. Ces alliages étant utilisé pour l’industrie du pétrole off-shore, nous pensons ainsi réaliser des simulation de viellissement accéléré.

Signalons aussi des études spécifiques par diffraction neutronique in-situ de la corrosion de zircaloys (chaudronnerie nucléaire) en surface (propagation de l’interface ZrO₂/Zyr aidée hydrogène) dans des conditions PWR (150 bars, 400°C).

Nous nous intéressons aux aspects fondamentaux du diagramme de phases d’hydrures de métaux et alliages amorphes (TiNi, FeSiBNb…). Y a t’il un diagramme de phase avec formation d’un hydrure binaire ou bien le comportement est celui d’un système à solution solide. Dans quelle mesure les propriétés mécaniques et les propriétés magnétiques sont elles affectées par la création du «réseau» H.

Cependant les aspects les plus fondamentaux des traitements par l’hydrogène sous hautes pressions viennent avec la réalisation de nano-précipités de Pd (ou alliages base Pd) en épitaxie avec la zircone obtenue par oxydation ménagée. La microscopie électronique en transmission montre de très nettes interfaces entre le métal platinoïde et l’oxyde réfractaire, via quelques monocouches à base PdO métastable. L’intérêt de dette recherche rejoint les préoccupation de synthèse de membranes catalytiques.

Elaboration et mise en forme
3 Fours HF 50 kW : contrat EU-CEAM (Fruchart, Miraglia, Soubeyroux, Wolfers) – 12 kW occasion : contrat EU NITROMAG (Fruchart, Miraglia, Soubeyroux) , 3 kW : contrat EU- CEAM (Fruchart, Miraglia, Soubeyroux, Wolfers), systèmes de creusets froids originaux (Fruchart, Miraglia)

Four à arc: développement et licence (Fruchart, Argoud) – AFIP Région (pour partie) et différents contrats (NITROMAG)

Hypertrempe à la roue: prototype construit sur RE (de Rango, Fruchart, Miraglia, Obbade, Soubeyroux),

Tirage Czochralski: (en cours de finition), diverses ressources RE et contrat RP-Chimie Avenir (Fruchart)

Ensemble de synthèses sous champs intenses (7 T) : contrat région « Génie des procédés » et UGIMAG (de Rango, Fruchart, Miraglia, Perrier de la Bâthie, Rivoirard)

Amincisseur ionique, cutter, grinder, dimpler contrat région « Génie des procédés » et UGIMAG (de Rango, Fruchart, Miraglia, Perrier de la Bâthie, Pontonnier, Rivoirard)

Synthèse solide-gaz sous très haute pression d’hydrogène (< 7 GPa) : contrat PER du groupe (pour 30 % du total) + Mi-lourd chimie + Mi-lourd SPM (Chailloud, Fruchart, Le Floch, Miraglia)

Traitements thermiques sous vide, sous ammoniac (nitrures), sous fluor, sous hydrocarbures (ex :carbures) : montages maisons construits sur différentes ressources, contrat EU-BIREM (Fruchart, Miraglia, Soubeyroux, Wolfers)

Traitements spécifiques de HD et HDDR (génie des procédés sous hydrogène), dont 1 sous champ intense.(contrat région « Génie des procédés » et UGIMAG, contrat RP-Chimie Avenir)

Autoclaves hydrogène (et deutérium) et azote (pour nitrures) : AI Franco-Suédoise, Contrats EU-CEAM, NITROMAG (Fruchart, Miraglia, Soubeyroux)

Mécanosynthèse (2 types de broyeurs, différents bols) : contrats CPER « Furtivité » et Dassault- contrat RP-Chimie Avenir (Fruchart, Miraglia, Soubeyroux, Wolfers)

Machine pour forgeage à chaud très rapide : contrat DRET-aimants .(de Rango, Fruchart, Perrier de la Bâthie, Rivoirard)

Appareil de dépôts et implantation par plasmas froids (Arnal, Pelletier, Vampaire)

Appareillage de MOCVD de composés intermétalliques par crackage de précurseurs organo-métalliques : beaucoup de différents bouts de contrats et 1 petit mi-lourd SC (Fruchart, et actuellement Féttar)

Appareillage Sputtering Magnétron grandes cibles (donation du CNET-INPG)

4 Boîtes à gants (1 : dotation de thèse de Wolfers, 2 ; contrat Chimie-Avenir, de Rango, Fruchart, Miraglia… , 1 contrat Hydrures)

Charactérisation Physico-Chimique

Matériels pour analyse in-situ neutronique (four, ligne de pression) AI Franco-Suédoise et RE diverses (Fruchart, Miraglia, Soubeyroux)

8 filtres pyrolytiques graphite, Union Carbide : AI Franco-Suédoise (installés à Siloé sur DN5, CEA puis à l’ILL sur D1B)

2 PCT (analyse Pression Composition Température du diagramme de phase métal-hydrogène)

1 appareil thermogravimétrique : AI Franco Suédoise, jouvence avec le contrat HYSTORY, 1 appareil volumétrique : contrat HYSTORY (de Rango, Fruchart, Miraglia, Rivoirard)

Balance pour détection du point de Curie (HT). Contrat EU-CEAM, constructeurs Fruchart, Juen, Soubeyroux)

Balance de réactivité chimique à détection magnétique, Contrat NITROMAG (Fruchart, Miraglia, Soubeyroux), constructeurs Argoud, Fruchart

Suceptomètre (construction CRTBT), contrat Chimie-Avenir (de Rango, Fruchart, Miraglia, Perrier de la Bâthie, Rivoirard)., participation à la définition (de Rango, Fruchart, Isnard, Miraglia)

2 Diffractomètres X (dotation thèse Bacmann), chambre à focalisation (Fe) : Contrat EU-CEAM (Fruchart, Miraglia, Soubeyroux, Wolfers),

Stations Laue (RX et neutron ILL), soutiens financiers de l’équipe (Marmeggi)
Analyse Physique et Théorique

Logiciels FLAPW, KKR-CPA, ATOMS (mise en place Hlil, Wolfers)

Logiciels MXD et DPU (structures complexes, développement Wolfers)

Autres logiciels : ex MC…, (Hlil, Wolfers)

Stations de travail XP1000 mi-lourds SPM (Hlil, Wolfers)
Développements d’appareillages

Sous licence (2 types de balances magnétique, fours arc…)

Contrats : Intégrale en valeur constante > 2,5 M € (1983-2004)


Note pour la constitution du thème 7 : Conception et  « materials by design ».
YB a EB , 25 janvier 2005-01-25
L’objectif de cette note est de pouvoir le plus efficacement possible intégrer les propositions de l’IPMC dans un projet qui demeure cohérent.
Rappel de la thématique génerale : Matériaux et conception pour un développement durable.

1. 
   Matériaux = Matière dans une « structure » ( au sens général ) à qui on demande de remplir une fonction.
   
2. 
   Les matériaux spécifiquement pour la microélectronique et les microsystèmes, et les matériaux pour la production, le transport et le stockage de l énergie sont couverts dans d’autres thématiques affichées par la région ( nanotechnologie et énergie)
   
3. 
   Il faudrait que les projets proposés puissent se justifier au moins en partie dans ce cadre : par exemple par le développement de matériaux multi fonctionnels, par des stratégies d’allègement des structures, par des procédés de capteurs de durée de vie incorporés. L’argumentaire des différents thèmes dans le fichier ci-joint donne un ensemble de justifications.
   

Les matériaux fonctionnels ou multifonctionnels sont les bienvenus dans la mesure ou l on s efforce de remplir les critères énoncés ci-dessus.
Rappel du thème 7 : « Conception et Materials by design »
Champ scientifique

Développer des critères de choix pour le développement durable , concevoir des matériaux « sur mesure » pour répondre à un cahier des charges, Optimiser les structures , les matériaux et les procédés pour une conception performante

Développement de critères d’analyse d’une conception en vue de l’environnement durable ( coût énergétique, impact environnemental, allègement, recyclabilité, stockage des déchets…) Développer des critères de choix pour le développement durable , concevoir des matériaux « sur mesure » pour répondre à un cahier des charges. Developpement d’outil d’aide au choix et au développement des matériaux ( bases de données de matériaux, bases de données thermodynamiques ). Aspect Ingénierie Mécanique et Dimensionnement

Développement de matériaux performants à architecture interne : mousses, enchevêtrés, …

Développement de matériaux multifonctionnels et multimatériaux ( ex: absorbants acoustiques, isolants thermiques, Matériaux polymères multifonctionnels (contrôle in-situ des propriétés de surface et de volume) …)

Développement de nouveaux matériaux pour un cahier des charges spécifique : Procédure « material by design » s’appuyant sur la modélisation.
Procédure :

• 
  archivage des compétences : ce sont les informations qui vous ont été demandées et qui sont actuellement répertoriées pour les labos de Lyon, St Etienne et de l IFR ISTM. Cet archivage a une fonction informative.
  

• 
  Projets affichés : pour que le Cluster ait le sens d une véritable interaction , les projets qui seront affichés par chaque thème correspondent :
  

1. 
   à des projets impliquant au moins deux labos : les projets impliquant des labos de ISTM et de l IPMC simultanément , les projets impliquant des laboratoires sur deux sites différents , doivent être encouragés
   
2. 
   à des projets impliquant si possible des industriels ( de la région ou hors région)
   

Les projets en cours de rédaction en ce moment sont, à titre d’exemples :

• 
  les matériaux absorbants acoustiques et structuraux : projet MAPO impliquant le GEMPPM (Lyon ) le GPM2 (Grenoble) , l ONERA, et EADS
  
• 
  les matériaux isolants thermiques et structuraux dans le bâtiment ( projet impliquant EDF, le CSTB, le GPM2 et le GEMPPM, en cours de discussion)
  
• 
  les matériaux sandwich multifonctionnels à cœur de laines d acier ( projet impliquent le GPM2 (Grenoble) , 3S (Grenoble) , ARCELOR, en cours de discussion )
  
• 
  La sélection des matériaux vis-à-vis de requêtes tribologiques ( Projet impliquant le LTDS (Lyon) et le LTPCM (Grenoble), en cours de discussion )
  
• 
  Les méthodes d’éco-conception et la compétition polymère / acier / aluminium : projet en cours de montage entre LTPCM, GPM2, 3S, GEMPPM , ARCELOR ?, ALCAN ?
  
• 
  Développement de matériaux composites polymères a magnétostriction géante ( Discussion CRETA , LTPCM, GEMPPM …)
  

Dans les thèmes qui m’ont été envoyés , un certain nombre peuvent naturellement conduire à des projets inter labo, a des couplages avec des industriels. Le cluster a une durée de vie assez longue ( on peut l’espérer…) . Il me semble important de réfléchir dès maintenant et de proposer des collaborations possibles : c’est à mon avis la seule façon de tirer bénéfice d’un tel cluster : partager des compétences sur des projets concrets et ciblés, dans le cadre de la thématique du réseau et du thème 7 pour ce qui nous concerne. Gardez aussi en mémoire que l esprit des clusters est d être un « Pool de compétences et de moyens mutualisés » à partir duquel lancer des projets ciblés. Nous ne sommes nullement tenus d’afficher tous les projets des cette année. Il sera plus efficace de prendre le temps de monter des projets bien construits dans le cadre des critères développés ci-dessus…

SRESR
Projet présenté dans le cadre du Cluster C2 : «Maîtrise de la durée de vie des matériaux et des structures»

Thématique: « Matériaux vus par les Très Grands Equipements»
Titre : Caractérisation structurale de « Matériaux Fonctionnels du Monde Réel » par les méthodes innovantes utilisant les Très Grands Equipements

Responsable : Jean Louis Hodeau, Laboratoire de Cristallographie CNRS, Grenoble
Les applications et la durabilité des matériaux utilisés couramment mettent généralement en jeu (i) soit des matériaux complexes en eux-mêmes (structure compliquée ou mise en forme délicate), (ii) soit des mélanges de différentes phases qui sont difficilement maîtrisables.
Leurs propriétés, le coût et surtout les procédés de leur élaboration font que leur non perfection est une caractéristique propre que nous devons prendre en compte.

Les procédés d’analyses (et de compréhension) de ces matériaux doivent donc permettre d’étudier cet état compatible avec l’utilisation dans notre monde réel. Pour leur caractérisation structurale nous devons donc étendre des méthodes développées généralement sur des matériaux simples pour les rendre utilisables sur des matériaux dits « sales » mais néanmoins fort utiles. Nous devons donc utiliser et développer des sondes d’analyses structurales qui permettent

• 
  une analyse de matériaux sous des formes spécifiques (petit faisceau)
  
• 
  la vision de petites parties de ces échantillons (microfaisceau)
  
• 
  la séparation des différentes phases mises en jeu (haute résolution)
  
• 
  la vision non destructive de fine couches de ceux-ci (RS et neutrons)
  
• 
  la traversée facile d’enceinte de réaction (RS et Neutron)
  
• 
  les études de réaction « in-situ » rapides (forte intensité)
  

Notre équipe, impliquée sur les lignes française à l’ESRF et à l’ILL (Cooperative Reseach Group beamlines) , développe de telles méthodes et les applique à beaucoup de systèmes complexes. Nous avons plusieurs projets avec des industriels (ARKEMA, Institut Français du Pétrole, ALCAN, ….) qui montrent la pertinence de telles analyses pointues sur des « Matériaux fonctionnels du monde réel ».

Personnes impliquées dans le projet :

• 
  Jean Louis Hodeau, Jean François Berar, Olivier Isnard, Jean Louis Soubeyroux, Jean Louis Hazemann, Natalie Boudet, Olivier Proux, Marie Claire St Lager, Mauricio de Santis, Helio Tolentino,… Laboratoire de Cristallographie CNRS
  
• 
  DRFMC CEA
  
• 
  LTPCM – INPG
  
• 
  Spectro- UJF
  
• 
  Institut de la catalyse Lyon
  
• 
  Institut Français du Pétrole
  
• 
  …….
  

Contact :

Jean Louis HODEAU

Tel [phone] Fax : [phone]

[e-mail]