Tribological Behaviour of Ti-Based Thin Films: A Small Scale In Situ Investigation

Doctorante : Aslihan SAYILAN

Laboratoire INSA : MATEIS
Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

The nature of contact interface of skin, clothes or joints is the prime interest with metallic biosensors can be enhanced through PVD processes in terms of chemistry and microstructure. Furthermore, dynamic evaluation of the contact at the early stage is essential to better understand the wear mechanism of the corresponding bio-device. Therefore, within this thesis, a laboratory- made micro-tribometer was developed. This particular reciprocating ball-on-disk stage is coupled with an environmental SEM (eSEM) to characterise the tribological behaviour of materials, at small scale in situ realistic conditions.
To express the proof of concept, a preliminary analysis was performed with TiN PVD coatings. The testing procedure for the dynamic approach during the run-in period was defined in controlled atmosphere in eSEM. When the tribological tests were performed, the films were examined in situ, while the ball track was analysed in post mortem mode. Once validated, the mini-tribometer was used for a metal preferred in biosensors: titanium. Titanium presents a biocompatible character, with interesting mechanical properties. The wear character of pure Ti-film can be enhanced with an addition of proper alloying elements. Here, silver is an outstanding material regarding its anti- bacterial character, ductility, and remarkable sliding behaviour. Thus, Ti-Ag films were deposited with magnetron sputtering PVD with several Ag contents. It was seen that with increasing Ag content, a denser microstructure with Ag-based clusters into the film was achieved with a slight improvement on mechanical and electrical behaviours. During in situ analysis, the small-scale strategy of characterization highlighted the influence of humidity on tribological behaviour of these films. Finally, the effect of Ag content was studied in humid conditions. While it is known that Ag performs good sliding behaviour in ambient air conditions, it was seen that increasing humidity affect the sliding behaviour of Ag-based clusters.

Fabrication et caractérisation de couches minces de l’alliage Si(1- x)Ge(x) pour les détecteurs d’image infra-rouge

Doctorant : Alestair WILSON

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

Le silicium-germanium microcristallin (µc-SiGe:H) est un matériau à faible bande interdite dont les propriétés optiques et électriques dépendent fortement des conditions de dépôt. Dans ce travail, un capteur proche infrarouge (NIR) compatible avec les circuits intégrés (above-IC), basé sur le silicium-germanium microcristallin, est produit et caractérisé. La photodiode N-I-P est obtenue par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à haute fréquence (RF-PECVD) à partir d'un mélange gazeux SiH4 + GeH4 + H2. Les mesures d'efficacité quantique révèlent qu'une fraction de Ge de 60 at.% est optimale pour une couche d'absorbeur intrinsèque µc-SiGe:H de 200 nm d'épaisseur. Au- delà de ce seuil, la dégradation des propriétés électriques prévaut sur le gain en absorption. L'application d'une polarisation inverse externe à la photodiode améliore encore l'efficacité quantique, en particulier dans la gamme spectrale de 800 à 1200 nm.

Gélification d’un solvant supramoléculaire par des polysaccharides et application aux extraits végétaux

Doctorant : Benoît CAPRIN

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED534 : Matériaux de Lyon

Les mélanges à transition de phase basse température d’origine naturelle (NaLTTM) sont des mélanges supramoléculaires qui répondent aux principes de la chimie verte. Gattefossé a développé un mélange composé de fructose, de glycérol et d’eau (noté FGE115) pour ses activités d’extraction végétale. Toutefois, la compréhension du mécanisme d’association des molécules constitutives de ce solvant restait insuffisante. Face à l’absence de consensus sur les méthodes de caractérisation de ce type de mélanges, une méthodologie de caractérisations physico-chimiques a été développée en s’inspirant des travaux disponibles dans la littérature. Cette stratégie basée sur la détermination des propriétés thermiques (ATG, DSC), des propriétés rhéologiques (viscosité, énergie d’activation) et sur la description des systèmes à l’échelle moléculaire (RMN 1D-1H, 13C, 2D 1H-1H NOESY), a permis d’identifier les mélanges FGE ayant les caractéristiques de NaLTTM. Comme tous les extraits végétaux liquides, les extraits obtenus avec le solvant FGE115 possèdent une durée de conservation limitée. La voie explorée pour répondre à cette problématique industrielle consiste à diminuer la mobilité des molécules en solution par le biais de la gélification. Pour ce faire, différents polysaccharides naturels (xanthane, alginates, carraghénanes) ont été sélectionnés en fonction de leur affinité avec le solvant FGE115. Une caractérisation fine des solutions viscoélastiques ou des matériaux de type gels obtenus est proposée dans ce manuscrit. Ces travaux démontrent la possibilité de concevoir et de caractériser des matériaux biosourcés aux propriétés rhéologiques modulables à base du solvant FGE115. Le potentiel applicatif industriel et les bénéfices apportés par la gélification sur la stabilité des extraits végétaux sont également discutés dans ce manuscrit.

Towards an automated dislocation density measurement in the SEM: benefits and limits of the R-ECCI method

Doctorant : Julien GALLET

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Afin de prédire le comportement mécanique des matériaux métalliques, il est important de connaitre plusieurs grandeurs physiques, dont la densité de dislocations qui a un impact majeur sur les propriétés mécaniques. De récents travaux ont montré qu’il est possible de réaliser ces observations dans un Microscope Electronique à Balayage, cette méthode présentant l’avantage d’être appliquée sur des échantillons massifs et de permettre l’observation de plus larges zones. Cependant, une étape d’orientation de l’échantillon est nécessaire, et le traitement des images est réalisé manuellement. Cela rend l’approche longue et fastidieuse. La méthode R-ECCI est basée sur l’acquisition d‘une série d’images à différents angles de rotation et permet de s’affranchir de l’étape d’orientation de l’échantillon. Un profil d’intensité est obtenu, qui est représentatif de la nature du pixel considéré (dislocation, défaut ou matrice). L’objectif de ce projet de thèse était de développer une méthode de caractérisation automatique de la densité de dislocation, à l’aide d’un algorithme de type clustering appliqué sur les profils. Ainsi, les images sont traitées de manière automatisée, et la densité de dislocation est calculée. La première partie du projet a porté sur le développement de la méthodologie de l’acquisition des images et du logiciel de traitement des données, et a permis de déterminer les limites et les points forts de la méthode. Dans une seconde partie, une comparaison quantitative avec les méthodes de mesure existantes (MET, DRX, HR EBSD
…) a été réalisée. En plus du fait que chacune de ces méthodes ne détecte pas les mêmes populations de dislocations, des résultats complémentaires en termes de limites de détectabilité ont étés obtenus. Finalement, des résultats obtenus sur un alliage connu ont étés comparées à celles obtenues par un modèle de prédiction micro-mécaniques, et un bon accord a été trouvé, ce qui permet de valider l’approche globale de R-ECCI.

Stratégie d'optimisation de la résistance à la corrosion caverneuse de la nuance à base nickel 825

Doctorant : Hugo Klinklin

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les alliages à base de nickel sont utilisés dans divers domaines d’applications comme la pétrochimie, ou le nucléaire du fait de leur résistance mécanique et leur résistance à la corrosion à haute température. L’alliage 625 est utilisé pour le plaquage des aciers utilisés pour les pipelines car il est résistant à la corrosion sous H2S et en eau de mer. La nuance 825, moins coûteuse est candidate au remplacement de la nuance 625. Cependant, elle ne résiste pas à la corrosion caverneuse. L’objectif de cette thèse est double : (i) identifier l’origine de la sensibilité à la corrosion caverneuse de la nuance à partir des mécanismes électrochimiques mis en jeu. (ii) élaborer et caractériser des modifications de la nuance 825 pour améliorer sa résistance à la corrosion caverneuse. Le comportement électrochimique de la nuance 825 a été caractérisé en plein bain et dans une cellule à couche mince confinant un faible volume d’électrolyte à la surface de l’échantillon pour reproduire les phénomènes de corrosion caverneuse. Cette cellule a été développée et instrumentée pour suivre à la fois l’évolution de la chimie de l’électrolyte  et le comportement électrochimique du matériau. L’analyse des diagrammes d’impédance a permis la quantification des paramètres relatifs au suivi de la passivation lors des étapes de corrosion caverneuse et les modes de corrosion observés en eau de mer naturelle ont été reproduits en laboratoire. Des modifications du montage ont été effectuées pour diminuer significativement la période d’incubation de la corrosion caverneuse. Enfin, des modifications de la composition de la nuance 825 ont été  proposés pour maîtriser l’état de précipitation et modifier la chimie du film passif. L’enrichissement en azote est une voie prometteuse permettant l’amélioration de la résistance à la corrosion caverneuse par le contrôle de l’acidité de l’électrolyte et le renforcement de la passivation.

 

Multi-scale characterization of deformation mechanisms of poly- ether-ether-ketone (PEEK) under tensile stretching

Doctorante: Héloïse WILLEMAN

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

L’objectif de cette thèse est d’établir le scénario multi-échelles de déformation du PEEK lorsqu’il est sollicité en traction uniaxiale. Préalablement à la mise en œuvre d’échantillons de deux grades commerciaux de PEEK, les propriétés thermiques et mécaniques de ces matériaux ont été caractérisées. La température d’oubli thermodynamique ainsi que la sensibilité aux vitesses de refroidissement ont été établies. Des éprouvettes de traction ont été obtenues à partir de plaques thermocompressées, procédé choisi pour obtenir des morphologies les plus isotropes possibles.  Les propriétés mécaniques en traction ont ensuite été caractérisées au-dessus et au-dessous de la transition vitreuse de la phase amorphe (Tg). Grâce à un dispositif expérimental fabriqué sur mesure, des essais de traction à deux températures distinctes au-dessous et au-dessus de Tg ont été suivis par diffusion des rayons X aux petits (SAXS) et grands angles (WAXS) pour caractériser les déformations à l’échelle des empilements lamellaires et à l’échelle de la maille cristalline. Simultanément, le champ de déformation a été mesurée par corrélation d’images (DIC) afin de comparer la déformation macroscopique et microscopique. Pour les deux températures, les  lamelles tendent à s’orienter perpendiculairement à la direction de traction (TD). Ce mécanisme d’orientation local (que nous appelons « modèle de réseau de chaînes ») est induit par la transmission des contraintes par les chaînes amorphes reliant les lamelles cristallines adjacentes. Au-dessus de Tg, l’allongement local est plus faible que l’allongement macroscopique dans les lamelles perpendiculaire à TD, ce qui implique que les lamelles inclinées doivent être cisaillées. L’évolution de la distribution d’orientation des lamelles appuie ce résultat. Une morphologie fortement orientée est finalement obtenue quelle que soit la température. Cependant, le profil d’endommagement est différent. En-dessous de Tg, le profil de diffusion centrale indique l’existence de petites entités (lamelles ou crystallites) orientées aléatoirement. A hautes température, le matériau est fibrillaire et présente des cavités.

 

 

Structuration de revêtements polymère photopolymérisables pour de nouvelles surfaces glissantes

Doctorante : Amélie TEISSONNIERE

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED534 : Matériaux de Lyon

Dans les travaux présentés, des revêtements polymère photopolymérisés capables de réduire la traînée des coques de bateau d’aviron ont été développés pour améliorer les performances sportives de l’équipe de France lors des Jeux Olympiques de 2024. Pour répondre à cet objectif, nous nous sommes inspirés des surfaces issues de la Nature et plus particulièrement des surfaces superhydrophobes des feuilles de lotus. Un prépolymère de type silicone réactif (méthacrylate ou époxy cycloaliphatique) photoréticulable apportant un caractère hydrophobe au revêtement final a été considéré. Afin d’atteindre une structuration de surface multi-échelles similaire, nous avons eu recours à un procédé de dépôt par pulvérisation (spray-coating) d’une formulation incluant des nanoparticules de silice pyrogénée hydrophobe et des organosilanes. La polymérisation des formulations a été étudiée à l’aide de différents méthodes d’analyse spectroscopique (IR, Raman) et calorimétrique (DSC-UV) afin de déterminer les paramètres influençant la polymérisation et d’optimiser formulation et procédé. Les surfaces ont été caractérisées quant à leur microstructure ou topographie (microscopie électronique à balayage et profilométrie) et à leur mouillabilité avec l’eau (angle de contact à l’équilibre et angle de glissement). Ces revêtements ont été mis en œuvre par photopolymérisation, un procédé de choix pour sa simplicité, sa rapidité et sa faible empreinte environnementale (pas de solvant). Avec une telle nature de polymère et un tel type de procédé de mise en œuvre, il est alors possible d’envisager de projeter et réticuler cette formulation 

In situ compression of cerium oxides in environmental transmission electron microscopy

Doctorante : Rongrong ZHANG

Laboratoire INSA : MatéIS

Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

Ceramic materials present excellent mechanical strength and are used in many fields. However, the most detrimental characteristic of ceramics is their brittleness, which restricts their application. Recent investigations have shown that nanoscale ceramic materials display superior plastic deformation than their bulk counterparts. This plastic behavior at the nanoscale might be interesting to improve the ceramic processing either by decreasing the energy needed during the process or by optimizing the microstructure obtained. However, few studies on plastic behavior of ceramic materials have been reported so far.
This study deals with cerium oxides nanocubes with sizes ranging between 20 and 130 nm. We use in-situ nanocompression tests in Environmental Transmission Electron Microscopy (ETEM) on isolated nanocubes. The cube geometry assures to test the cube along a known crystallographic direction <001>. During the test, stress/strain curves  are obtained from the sensor of the sample holder and coupled with video of the compressed nanoparticle.
Due to a reduction effect of the electron beam in the TEM, different structures are tested, from CeO2 to Ce2O3 depending on the experimental conditions (electron dose or presence of gas around the sample).
We conduct compression tests on bixbyite Ce2O3 and on fluorite CeO2. During compression of bixbyite, we observe the formation of perfect dislocations followed by their dissociation into partials with the formation of stacking faults. This mechanism can be compared to what is observed in FCC structures.
On fluorite CeO2, dislocations appear but rarely dissociate. By using several zone axes, dislocations can be indexed. With our results, the main slip system is identified as
<110>{111}. CeO2 also shows a strong size effect on strength. This size effect is found to depend on the electron dose rate and is reversible. It is discussed by using models from the literature and by considering the deformation mechanism.

Après deux années de pause, en raison de la situation sanitaire, les partenaires d’Initiative 3D vous donnent rendez-vous le 22 septembre prochain à Grenoble INP pour la 6e Journée Initiative 3D, entièrement dédiée à la fabrication additive métallique.

Seront abordées les dernières avancées en R&D sur les nouveautés technologiques (moyens d’élaborations et conception) en fabrication additive, ainsi que les développements récents des matériaux. Ces sujets seront illustrés par des projets collaboratifs avec des industriels des secteurs de l’aéronautique, de l’énergie. Un focus sera également réalisé sur les offres de formations (initiale et continue) aussi bien techniciens, qu’ingénieurs.

La journée se concluera par le lancement du partenariat « France/Salon Formnext 2022 » dans lequel la France sera le pays mis à l’honneur sur la prochaine édition de ce salon mondial dédié à la fabrication additive Formnext – International exhibition and conference on the next generation of manufacturing technologies

Un évènement organisé par trois laboratoires INSA Lyon à l'interface entre les matériaux et la thermique : le CETHIL, l'INL et Mateis.

L’objectif de ces journées est de faciliter et d’encourager les contacts et échanges d'information entre tous les membres de la Communauté des Matériaux et des Transferts radiatifs et de permettre aux acteurs de demain de se rencontrer, de se former et de partager leurs expériences mais aussi de se structurer pour répondre à des appels à projets. 

S'adressant à tous les membres de notre communauté (ingénieurs, enseignants, chercheurs, étudiants, industriels, laboratoires publics et privés, centres de recherches) le programme proposera : des exposés oraux et par affiches sur les résultats de recherche. Les industriels membres du club des partenaires CNRS : MERSEN, Solvay, TOTAL, ENGIE, CEA, CNES seront présents et fortement impliqués en particulier dans les ateliers thématiques ainsi que les industriels associés par le biais de laboratoires communs comme par exemple Saint Gobain et Wiessmann.

Au programme notamment 5 conférenciers invités de renom et des interventions orales « courtes » dédiées à la présentation des chercheurs, doctorants et masters et remise du "Prix du club des partenaires du GDR Tamarys", décerné à l'auteur d'un poster sur une activité de recherche transverse impliquant des matériaux et de la thermique radiative.