Soutenance de thèse : Zhixin DONG

Développement d'une méthode non invasive basée sur l'EIS pour l'analyse d'analogues archéologiques visant à évaluer le comportement à long terme de corrosion des conteneurs de déchets de haute activité.

Doctorant : Zhixin DONG 

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

Ecole doctorale : n°34 ML - Matériaux

La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) est une technique quantitative puissante pour l'étude de la corrosion des métaux. Dans les mesures EIS conventionnelles, le potentiostat nécessite un contact électrique direct avec le substrat métallique. Cela entraîne la destruction de la surface lorsque l'échantillon est entièrement recouvert de couches de revêtement ou de corrosion, limitant ainsi l'application aux essais non destructifs. De plus, l'utilisation d'électrolytes liquides pose d'importantes contraintes expérimentales, et les dispositifs traditionnels présentent souvent une compatibilité limitée avec des échantillons de formes et de tailles variées. Ces contraintes sont particulièrement problématiques pour les applications sur le terrain. Pour répondre à ces défis, cette thèse développe et valide une méthode EIS non invasive (NIV), facile à mettre en place, permettant des mesures rapides sans endommager l'échantillon. Une motivation majeure réside dans la caractérisation EIS d'artefacts archéologiques à base de fer, pouvant fournir des informations précieuses sur le vieillissement à long terme des surconteneurs en acier carbone utilisées pour le stockage profond de déchets nucléaires. La méthode repose sur un capteur constitué de deux cellules électrochimiques fabriquées par fabrication additive et remplies d'électrolytes solides à base d'agar. Les mesures d'impédance sont réalisées simplement en plaçant les cellules sur la surface de l'échantillon, sans contact direct avec le métal. L'électrolyte utilisé est facile à préparer et le capteur s'adapte à différentes géométries d'échantillons. Le potentiel du capteur a été évalué sur des systèmes modèles, allant de plaquettes de cuivre nues et revêtues, à des coupons d'acier carbone oxydés artificiellement à la vapeur, des plaques d'acier corrodées en atmosphère, et enfin des artefacts archéologiques japonais du VIII° siècle. Les spectres mesurés sur le cuivre nu ont révélé une contribution importante de l'impédance du capteur aux basses fréquences, pour laquelle une procédure de traitement des données a été développée afin de la soustraire. Après correction, les spectres NIV correspondaient bien à ceux obtenus par EIS conventionnelle. Les mesures sur le cuivre recouvert d'alumine ont montré des spectres caractéristiques d'un revêtement fin, avec une épaisseur déterminée à partir des résultats EIS en accord avec les spécifications des plaquettes. Les observations sur les aciers oxydés à la vapeur ont montré une diminution de l'impédance avec l'augmentation du temps d'oxydation et de l'épaisseur, validant le développement d'une couche de corrosion poreuse et conductrice typique de ces conditions. Pour les échantillons d'acier corrodés en atmosphère, la méthode a permis de distinguer avec succès les différences morphologiques des couches entre des échantillons de composition similaire et d'épaisseur comparable. Les mesures sur les artefacts archéologiques ont indiqué un système à faible impédance, avec des spectres présentant des caractéristiques contrôlées par la diffusion, suggérant une couche de corrosion très poreuse et faiblement adhérente. Ce manuscrit établit la méthodologie de mesure pour le capteur EIS non invasif et démontre sa capacité à fournir des spectres d'impédance fiables sur une gamme de systèmes corrodés. Bien que certaines difficultés d'interprétation des spectres aient été rencontrées, la validation comparative avec l'EIS conventionnelle a confirmé que ces difficultés proviennent de la complexité intrinsèque de la technique EIS elle-même et non de limitations de l'approche non invasive. La méthode est donc présentée comme un outil pratique, polyvalent et prometteur pour faire progresser l'application de l'EIS dans la caractérisation non invasive et les études de corrosion in situ.