Vieillissement et mécanismes de dégradation de microbilles de zircone lors du procédé de broyage en voie humide

Doctorant : Arthur PACQUELET

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

La technique de broyage en voie humide au moyen d'un broyeur à billes agité permet de réduire et de contrôler la granulométrie de particules solides en suspension jusqu'à quelques centaines à quelques dizaines de nanomètres. Ce procédé repose sur la circulation d'une suspension à broyer dans une chambre de broyage, remplie de billes de broyage. Ces billes sont mises en mouvement par la rotation d'un arbre d'agitation, ce qui leur confère une certaine énergie cinétique. Les chocs engendrés par les collisions bille-particule-bille et bille-particule-paroi de la chambre entraînent la réduction de taille des particules et modifient leur distribution granulométrique. Néanmoins, ces chocs énergiques répétés entre les billes usent ces dernières, créant une pollution du produit à broyer ainsi qu'un coût supplémentaire pour l'utilisateur. Cette étude porte sur les mécanismes d'usure et de vieillissement de billes de broyage en zircone yttriée lors du procédé de broyage en voie humide. L'objectif des travaux réalisés était d'analyser de manière systématique l'effet de différents paramètres influant sur la dégradation des billes lors de leur usage en tests de broyage applicatifs et d'améliorer la compréhension des processus de dégradation des billes. Des études à différentes échelles ont été menées : à l'échelle du broyeur (effet de la vitesse de broyage, effet de l'usure de l'arbre de rotation, effet du revêtement de la chambre), à l'échelle du matériau de la bille (taux d'yttrium, structure cristalline et caractéristiques de surface) et à l'échelle de la suspension à broyer (effet du pH et de la température). L'étude de la dégradation des billes de broyage au moyen de diverses méthodes expérimentales (diffraction des rayons X, microscopie Raman, microscopie à force atomique, microscopie électronique à balayage et en transmission) a mis en lumière un mécanisme d'arrachement de grains lié à une dégradation subsurfacique des billes lors des impacts, ainsi qu'un changement de régime d'usure à partir d'une certaine vitesse de broyage. Un second axe d'étude, lié à la sensibilité des billes Y-TZP au vieillissement lorsqu'elles sont exposées à un milieu humide selon la température, a été mené au moyen de tests accélérés. Le vieillissement des billes en Y-TZP a ainsi été caractérisé à différents niveaux de pH et dans différents milieux (ammoniaque, acide nitrique et soude). Cette démarche nous a permis de mettre en évidence le rôle peu significatif de ce phénomène sur l'usure des billes de broyage. Une attention particulière a également été portée sur l'effet de la transformabilité des zircones Y-TZP (avec 2, 3 ou 4 mol.% en Y2O3) sur la dégradation des billes pendant le procédé de broyage en voie humide.

Empreintes sociétales et performances mécaniques dans les alliages multi-élémentaires

Doctorant : Théo LANGLOIS

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 ML - Matériaux

Dans le contexte actuel de transition écologique, motivé par les préoccupations liées à la pollution, au réchauffement climatique et à la consommation des ressources non renouvelables, il est urgent de se tourner vers des sources d'énergie et des matériaux plus verts. Les métaux ont un rôle central dans cette transition écologique. Au cours des prochaines décennies, la demande en lithium, nickel et autres métaux stratégiques devrait augmenter de manière drastique. Les alliages à entropie moyenne (MEA) et à haute entropie (HEA), composés de plusieurs métaux en proportions approximativement égales, représentent des alternatives prometteuses aux alliages conventionnels. Certains HEA se distinguent par leurs excellentes propriétés mécaniques, résistance à la corrosion et stabilité des propriétés malgré les variations de composition, ouvrant une voie pour réduire la dépendance aux matériaux critiques. Parmi les HEA offrant une excellente performance en tenacité figurent l'alliage de Cantor (CoCrFeMnNi) et le ternaire CrCoNi, avec une amélioration des propriétés mécaniques à températures cryogéniques. Parmi les applications industrielles potentielles des HEA, le stockage et le transport de l'hydrogène offrent un support pour l'adoption de l'hydrogène comme source d'énergie plus verte dans la transition écologique. Cependant, l'utilisation du cobalt dans de nombreux HEA suscite des préoccupations en terme d'impacts environnementaux, économiques et sociaux. Ce travail vise à développer de nouveaux MEA axés sur la durabilité tout en maintenant leurs performances mécaniques. Nous étudions de nouvelles compositions autour de la base CrCoNi avec faible teneur en cobalt. Nous démontrons que l'ajout de silicium à nos nouvelles compositions réduit drastiquement l'impact durable de nos matériaux tout en maintenant des performances mécaniques exceptionnelles. Une méthodologie pour développer de nouvelles compositions de HEA a été développée. Nous avons développé un processus d'alliage rapide permettant une prédiction, une fabrication, une caractérisation microstructurale et mécanique à grande échelle et rapide d'un large éventail de HEA. Nous appelons ce processus « Fast Alloying » (FA). Cette méthode comprend l'utilisation de modèles de prédiction, suivie par fabrication de multiples compositions d'alliages (jusqu'à 30 par jour) par four à arc, traitements thermiques et techniques de caractérisation microstructurale (diffraction à rayons X, analyses chimiques et microscopie électronique à balayage). De plus, des essais mécaniques rapides en dureté et en compression sont effectués. Une méthode plus avancée implique la fabrication de quatre compositions prometteuses par four à arc, des traitements thermomécaniques (homogénéisation, laminage à froid et recuit), une analyse microstructurale (XRD, GDOES, EDS, EBSD) et des essais mécaniques (dureté, plastométrie, essais de traction à température ambiante et cryogénique). Nos résultats démontrent la possibilité de développer des alliages performants et durables, en réduisant la dépendance aux éléments critiques tels que le cobalt et en optimisant les compositions des alliages grâce aux modèles de prédictions.

Rencontre est organisée par le CNRS et le Planétarium de Vaulx-en-Velin, en collaboration avec RSA cosmos.

Âge du bronze, âge du fer… Ces alliages métalliques ont marqué des étapes clés de notre Histoire et continuent de façonner notre quotidien. Pourtant, nous ne maîtrisons pas encore tous les secrets de leur formation et de leur déformation.

À travers des simulations numériques menées à l’échelle atomique, plongez au cœur de la matière pour explorer les mécanismes fondamentaux qui rendent certains alliages facilement déformables ou au contraire extrêmement résistants. Explorez comment les scientifiques repoussent les limites de la connaissance pour imaginer les alliages métalliques du futur, matériaux essentiels à la transition énergétique de demain !

L’univers visuel a été réalisé par l’artiste Alex Bourgeois.

Céline Varvenne et Pierre-Antoine Geslin sont métallurgistes au laboratoire Matériaux ingénierie et science (MateiS, CNRS | INSA de Lyon | Université Claude Bernard Lyon 1).

 

 

Illustration :  © CNRS – Alex Bourgeois

Robocasting de ciment de phosphate de calcium bifasique renforcé par du graphène pour l'ingénierie des tissus osseux

Doctorante : Stephanie GROSSI ROEDEL

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : ML - Matériaux de Lyon

La bioingénierie a considérablement bénéficié des techniques de fabrication additive, offrant des solutions hautement personnalisées pour accélérer la récupération des patients. En génie tissulaire osseux, ces techniques permettent la production de structures et d'implants personnalisés avec des géométries complexes adaptées aux besoins spécifiques de chaque patient. Parmi ces méthodes, le robocasting se distingue par la fabrication de biocéramiques pour les applications osseuses, en utilisant l'extrusion de suspensions céramiques concentrées pour construire les pièces couche par couche. Cette méthode permet l'utilisation d'«encres» enrichies d'additifs qui améliorent à la fois la résistance mécanique et les fonctionnalités biologiques de la pièce finale, favorisant ainsi l'interaction avec le corps. Les phosphates de calcium (CaP) présentent d'importants avantages par rapport à d'autres biomatériaux en raison de leur similarité avec la phase minérale des os, permettant une intégration naturelle sans provoquer de réponses inflammatoires, et étant progressivement absorbés pendant le processus de régénération osseuse. Cela élimine le besoin d'opérations supplémentaires pour retirer les implants. Parmi les différentes formes de phosphate de calcium, les ciments de phosphate de calcium biphasique (BCPC) sont particulièrement avantageux, car ils combinent l'hydroxyapatite (HA), qui fournit un soutien structurel, et le 13-tricalcium phosphate (13- TCP), qui est résorbable et favorise la régénération osseuse. Cette combinaison permet l'absorption progressive du 13-TCP tout en maintenant une intégrité structurelle de l'HA, rendant le BCPC idéal pour les applications de guérison osseuse à long terme. Les ciments phosphocalciques (CPC) se distinguent par leur consolidation à des températures proches de l'ambiante par des réactions de prise, éliminant ainsi le besoin de frittage, ce qui facilite l'incorporation de substances bioactives et thermosensibles, essentielles pour accélérer la régénération. Les nanoplaquettes de graphène (GNP) sont des exemples d'additifs qui peuvent fournir à la fois des améliorations mécaniques et des fonctionnalités biologiques lorsqu'elles sont combinées avec des phosphates de calcium. Les ciments à base de CaP peuvent être mis en forme par robocasting, à condition que leurs propriétés rhéologiques soient optimisées pour garantir la formation de filaments homogènes qui s'écoulent lors de l'extrusion mais conservent leur forme immédiatement après le dépôt, permettant d'obtenir des pièces structurellement solides avec une faible concentration de défauts. Ce travail se concentre sur le développement et l'étude de structures imprimées en 3D à l'aide de la technique de robocasting à basse température, avec des ciments de phosphate de calcium biphasique renforcés de nanoplaquettes de graphène. L'objectif est d'améliorer les propriétés mécaniques et le potentiel biologique du produit final. L'étude a analysé les aspects rhéologiques des pâtes viscoélastiques, l'imprimabilité des pâtes avec et sans graphène, la résistance mécanique des pièces imprimées par des tests de flexion à trois points, ainsi que des évaluations biologiques concernant la cytotoxicité et l'activité métabolique associées aux pièces imprimées.

 

Contribution à l'étude de l'amorçage de fissures dans les matériaux fragiles

Maître de conférences : Aurélien André Marie Doitrand

Laboratoire INSA : MatéIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

Rapporteurs :
Djimédo Kondo (IJLRA, Sorbonne Université), Christophe Bois (I2M, Université de Bordeaux), Sylvain Drapier (LGF, Ecole des Mines de Saint-Etienne)

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Etablissement
Mr	Djimédo Kondo	Professeur des universités	IJLRA, Sorbonne Université
Mr	Christophe Bois	Professeur des universités	I2M, Université de Bordeaux
Mr	Sylvain Drapier	Professeur des universités	LGF, Ecole des Mines de Saint-Etienne
Mme	Thouraya Baranger	Professeure des universités	LMC2, Université Claude Bernard Lyon I
Mr	Julien Réthoré	Directeur de recherche	GeM, Universite de Nantes
Mme	Nathalie Godin	Maitre de conférences HDR	MATéIS, INSA de Lyon
Mr	Sylvain Meille	Professeur des universités	MATéIS, INSA de Lyon

 

Constructions modulaire 3D béton : Caractérisations d'un béton fibré et évaluations expérimentale et numérique des structures constitutives d'une cellule représentative

Doctorant : Sannem-Ahmed-Salim-Landry SAWADOGO

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED n°34 ML - Matériaux

Cette contribution vise la validation d'un concept de construction modulaire béton développé par Cubik Home et Francioli. L'approche couple une expérimentation à différentes échelles ainsi que la modélisation numérique. L'étude couvre un large spectre, depuis le matériau béton fibré à haut volume en fibres structurelles, avec sa caractérisation tout au long du processus de maturation, mais aussi l'étude de son comportement au feu, avec la gestion de son éclatement et d'un écaillage limité lors du test au feu réglementaire. Le comportement post-fissuration, avec l'énergie de fissuration Gf, est aussi étudié de façon approfondie au travers de tests réglementaires mais aussi sur la base d'essais plus représentatifs des structures minces ici visées. Une loi de comportement appropriée pour le béton fibré avec prise en compte du comportement post-fissuration a été recalée. Les paramètres du modèle élasto-plastique avec endommagement (CDP) du code Abaqus ainsi déterminés, ont permis de reproduire la réponse de divers éléments de structures constitutifs de ce concept modulaire (dalles et voiles minces nervurés). La problématique des liaisons entre les structures porteuses est aussi investiguée via l'expérimentation, et le dimensionnement des connexions sous traction et sous cisaillement validé. Des essais parfaitement représentatifs sont finalement menés au CSTB pour la partie comportement mécanique et au CERIB pour le comportement au feu selon la courbe normalisée 1S0-834. Ces derniers, réalisés sur des murs et des dalles, ont permis d'évaluer la capacité portante (R), l'étanchéité au feu (E) et l'isolation thermique (1). Les résultats sont concluants et confirment les études préliminaires en laboratoire. Pour finir, l'instrumentation par des accéléromètres d'un module complet et son suivi lors de son transport sur camion, a permis de quantifier les sollicitations induites et de vérifier l'absence de pathologies. Le concept a ainsi été validé en étudiant précisément toutes les étapes du process en ayant recours à une production en usine de préfabrication.

Contribution à l'étude de l'amorçage de fissures dans les matériaux fragiles

Maître de conférences : Aurélien Doitrand

Laboratoire INSA :  MatéIS

Rapporteurs :  Djimédo Kondo (IJLRA, Sorbonne Université), Christophe Bois (I2M, Université de Bordeaux) et Sylvain Drapier (LGF, École des Mines de Saint-Etienne)

Jury : 

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Établissement
Mr	Djimédo Kondo	Professeur des universités	IJLRA, Sorbonne Université
Mr	Christophe Bois	Professeur des universités	I2M, Université de Bordeaux
Mr	Sylvain Drapier	Professeur des universités	LGF, Ecole des Mines de Saint-Etienne
Mme	Thouraya Baranger	Professeure des universités	LMC2, Université Claude Bernard Lyon I
Mr	Julien Réthoré	Directeur de recherche	GeM, Universite de Nantes
Mme	Nathalie Godin	Maitre de conférences HDR	MATéIS, INSA de Lyon
Mr	Sylvain Meille	Professeur des universités	MATéIS, INSA de Lyon

Caractérisation expérimentale, modélisation et simulation de la rupture et de l'émission acoustique associée

Doctorant : Xi CHEN

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences
École Doctorale : n°34 ML - Matériaux

L'établissement d'une corrélation claire entre les caractéristiques du signal d'émission acoustique (EA) et les caractéristiques de la source qui induit la propagation de l'onde dans le matériau est un défi en contrôle non destructif de l'endommagement dans les matériaux. En effet, les caractéristiques du signal sont fortement influencées par le milieu de propagation, la détection du capteur et le système d'acquisition. Il est également difficile de généraliser la validation des approches de classification des signaux d'émission acoustique mesurés et de leur lien avec les différents mécanismes d'endommagement. Les relations établies sont donc principalement qualitatives. La modélisation numérique du processus d'EA permet d'envisager une analyse quantitative. La simulation permet aussi d'accroître la robustesse et la fiabilité de l'application de l'EA. Ce travail vise donc à établir un lien quantitatif entre un signal d'EA mesuré et la source correspondante. Il est basé, d'une part, sur la caractérisation expérimentale de l'EA en tenant compte de l'influence de la géométrie de l'échantillon et du type de capteur ; d'autre part, il se concentre également sur la simulation numérique de l'amorçage de la fissure, en tant que source d'émission acoustique, et de la propagation de l'onde dans l'échantillon. La simulation de la chaîne d'acquisition d'EA comprend la modélisation de la source d'EA, de la propagation de l'onde, de la détection du capteur et du système d'acquisition. Parmi ces parties de modélisation, ce travail se concentre sur (1) la simulation de la source d'EA résultant de l'amorçage de la fissure;
(2) l'étude de l'effet du capteur et de l'effet de l'épaisseur d'un point de vue expérimental ; (3) la simulation des signaux d'EA générés par une rupture de mine de crayon pour étudier l'influence des différentes conditions de simulation, y compris les dimensions de modélisation, les conditions aux limites et l'amortissement du matériau. L'amorçage de la tissure est considéré comme une source d'émission acoustique et modélisé sur la base du critère couplé dynamique. Le critère couplé dynamique est évalué en comparant la prédiction de l'amorçage de la fissure à partir d'un trou circulaire dans des plaques, numériquement et expérimentalement. Plusieurs facteurs, tels que le profil de vitesse de la fissure pendant l'amorçage et la propagation de la fissure, le comportement élastique linéaire ou non linéaire du matériau et la méthode de séparation progressive ou simultanée des nœuds, influencent l'énergie émise pendant la fissuration. Une description précise du processus amorçage et de propagation des fissures est donc importante pour une modélisation fiable des sources d'émission acoustique. Le capteur utilisé joue aussi un rôle clé, car il déforme les signaux dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel, ainsi que ses descripteurs. Une procédure axée sur une source unique générée par la rupture d'une mine de crayon est proposée pour réduire l'effet de capteur ainsi que l'effet d'épaisseur afin d'obtenir un ensemble de données générales provenant de plusieurs types de capteurs et de plaques d'épaisseurs différentes. La simulation correspondante est réalisée à l'aide de modèles 2D ou 3D. La simulation numérique nous permet de mettre en évidence l'importance des conditions aux limites et d'identifier le comportement d'amortissement du matériau en comparant les résultats numériques et expérimentaux. L'approche proposée permet de faire un pas en avant dans l'établissement d'un lien quantitatif entre la source d'EA et les caractéristiques du signal mesuré.
 

Étude électrochimique couplée à la tomographie à rayons X des impuretés dans les électrodes négatives de lithium­ métal.

Doctorant : Nathan REYDET

Laboratoire : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED 34 ML - Matériaux

Le développement des véhicules électriques (VE) nécessite des batteries avec une densité énergétique accrue. Bien que les batteries Li-ion dominent le marché, elles atteignent progressivement leurs limites chimiques. Le lithium métal à l'électrode négative représente une alternative de choix pour augmenter significativement la densité énergétique. Cependant, son utilisation reste complexe en raison de son comportement encore mal compris, notamment la formation d'inhomogénéités de dépôt et d'oxydation, qui déstabilisent l'interface électrolyte/lithium au cours du cyclage. Cette thèse s'appuie sur un couplage entre une analyse détaillée de la microstructure du lithium métal et une étude électrochimique réalisée sur des cellules symétriques Li/Electrolyte/Li et des batteries Li/Electrolyte/LFP en configuration pouch-cell. L'objectif est de mieux comprendre les mécanismes de dégradation du lithium qui limitent la durée de vie des batteries. Une attention particulière a été portée à la population des inclusions et des précipités dans la microstructure du lithium. En combinant tomographie X et microscopie optique, cette thèse a caractérisé en détail ces microstructures, notamment les inclusions identifiées comme des cristaux d'hydrure de lithium (LiH). Ces analyses ont révélé un phénomène de fracturation des inclusions au cours du laminage, selon le rapport entre la taille moyenne des inclusions et l'épaisseur du laminé. Une évolution significative de la taille et de la fraction volumique de LiH a également été mise en évidence au cours du vieillissement du lithium métal, selon les conditions de stockage. Un modèle de maturation et d'absorption d'hydrogène est proposé. Les différents lots de lithium, présentant une microstructure différente et bien caractérisée, ont été testés dans des batteries en conservant systématiquement le même électrolyte et la même positive. Ces études ont mis en lumière les liens entre la taille, la densité volumique et la fraction volumique des inclusions, et la dynamique des mécanismes de dégradation. Il a été démontré que la taille des inclusions à l'interface Li/électrolyte est le facteur le plus critique, présentant une corrélation directe avec l'intensité des courants de courts-circuits. Un procédé de purification a également été développé pour réduire la présence des inclusions. Ce procédé a permis de réduire partiellement ces inclusions, mais a également modifié profondément la microstructure du lithium, affectant notablement la distribution des précipités et des inclusions. Les résultats de cette thèse amènent une compréhension approfondie des mécanismes de dégradation du lithium métal dus aux inclusions de LiH et mettent en lumière des perspectives pour optimiser la qualité de ce métal utilisé dans les batteries. Ces travaux soulignent également les défis à relever pour son utilisation généralisée et optimisée dans des systèmes électrochimiques avancés avec de faibles épaisseurs d'électrode.

Impression 3D de Batteries Lithium-ion par Direct lnk Writing

Doctorant : Samuel SIMAGA

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 Matériaux

La demande croissante en sources d'énergie électrique autonomes pousse à repenser les méthodes de stockage de l'énergie. Parmi les différentes technologies disponibles, le stockage électrochimique en batterie lithium-ion se distingue par sa densité énergétique élevée. Toutefois, la conception des cellules Li-ion et le processus d'enduction des électrodes n'ont pas fait l'objet de changements significatifs depuis l'émergence des premières batteries commerciales de ce type. Dans ce contexte, la fabrication additive apparaît comme une approche prometteuse permettant l'accès à des assemblages au design complexe, inaccessibles avec les méthodes de fabrication traditionnelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit couvrent le développement de formulations d'électrodes à faible empreinte environnementale, compatibles avec la technique de fabrication additive Direct lnk Writing (DIW). Cette technique permet d'imprimer des matériaux couche par couche en 3D avec, dans le cas présent, une résolution de 200 micromètres. Des formulations d'encres aqueuses d'électrodes de batterie lithium-ion à base de graphite et de LiFePO. ont été développées, dans ce travail. Les propriétés rhéologiques des encres ont été optimisées pour permettre une impression par DIW avec des taux de matière active élevés (près de 90 %) tout en présentant après séchages des propriétés électriques et mécaniques appropriées pour leur utilisation en tant qu'électrodes. Ces électrodes imprimées affichent des performances électrochimiques remarquables en offrant une capacité similaire à celle des électrodes enduites de manière traditionnelle. Ces électrodes imprimables amènent à un changement de paradigme concernant la cellule, notamment la prise de contact électriques et l'encapsulation. Ces travaux ont également permis de proposer des pistes de recherche et de présenter des premiers résultats concernant des cellules conçues pour des structures complexes, telles que des motifs cathodes/anodes interdigités. En conclusion, l'impression 3D par DIW apparaît comme une méthode prometteuse pour la conception de microbatteries lithium-ion, offrant une voie attractive
pour répondre à la demande croissante de dispositifs portables ou de batteries lithium-ion architecturées. L'impact environnemental a été considéré dans ces travaux en sélectionnant des matériaux dont la mise en œuvre peut être réalisée dans l'eau et qui sont abondants.