Surfaces – Interfaces et Matériaux sous Contrainte – SIMAC

Chercheurs et enseignants-chercheurs

Pierre-Olivier Renault

Responsable d'équipe

Tél: +33 5 49 49 67 45

Doctorants :

(2016->) D. Chauraud, J. Drieu La Rochelle

(2017->) B. Bertin

(2018->) R. Gautier

(2019->) T. Chaummaux, E. Fodeke

 

Participation à des projets contractuels :

 

Activités de recherche

L’objectif principal de nos études est d’expliciter les propriétés macroscopiques des matériaux, à partir des défauts et micro(nano)structures qui les composent, tant du point de vue de leur comportement mécanique sous sollicitations diverses, que des propriétés fonctionnelles qui leur ont été spécifiquement conférées. Un accent est particulièrement mis sur les effets aux basses dimensionnalités. Les réductions d’échelles dans les matériaux peuvent en effet être à l’origine de phénomènes nouveaux concernant les propriétés physiques de ces matériaux en comparaison de leur état massif (silicium poreux luminescent par exemple), mais aussi de défaillances mécaniques comme dans les dispositifs intégrés M(N)EMS. La maîtrise de la synthèse de ces matériaux qui n’existent parfois qu’à l’état de films minces ou qui résultent uniquement de la mécanosynthèse ou de traitements spécifiques de surface par voie plasma, est l’un des aspects développé au sein de cet axe de recherche, associé à la compréhension des relations entre procédés d’élaboration, micro(nano)structures et propriétés physico-chimiques.

 

Démarche scientifique et points forts. Développement d’appareillages expérimentaux originaux, validation de modèles numériques ou analytiques par confrontation expérience/théorie, modélisation des phénomènes physiques observés à différentes échelles, ouverture vers les grands instruments nationaux et internationaux SOLEIL, ESRF et ALS.

 

Programmes nationaux ANR P2N COHEDIO (E. Le Bourhis), ANR Mat&Pro CHOCOCOMP (E. Le Bourhis), ANR CAPRICE (C. Coupeau), ANR HighS-Ti (P.-O. Renault), ANR MultiFerroFlex (E. Le Bourhis), LABEX INTERACTIFS (C. Coupeau).

Permanents : Eric Le Bourhis (PR UP), Pierre Godard (MdC UP), Philippe Goudeau (DR CNRS), Pierre-Olivier Renault (PR UP), Pascale Valat-Villain (MdC UP)

 

Contexte et objectifs :

L’utilisation de revêtements et films minces sur substrats souples  impose aux matériaux de supporter des déformations très importantes, dans des domaines applicatifs très larges allant de la micro-électronique étirable à la biologie-santé (via la notion de capteurs), en passant par l’emballage alimentaire. Les matériaux utilisés dans ce cadre présentent un très fort contraste mécanique qui peut engendrer des comportements subtils qu’il convient de mieux appréhender. Sont ainsi associés des matériaux mous (élastomères, polyimides ou polyamide) et durs (métaux, oxydes), des matériaux fragiles et ductiles… Les modules d’élasticité s’étalent sur plusieurs ordres de grandeurs (quelques centièmes de GPa pour les élastomères à quelques centaines de GPa pour les métaux ou oxydes) ; de même les coefficients de dilatation présentent des différences très importantes. En outre, la miniaturisation de ces dispositifs nécessite l’utilisation de polycristaux dont la taille de grains est très petite (de l’ordre de quelques nm, à quelques dizaines de nm). Ces matériaux dit nanocristallins présentent alors des comportements mécanique, électrique ou optique parfois différents de celui du même matériau polycristallin à l’état massif.

 

Dans ce cadre scientifique, ce groupe de recherche travaille sur la compréhension des différents modes de déformation de films minces nanostructurés sur substrats polymères, dans l’optique d’en limiter l’endommagement en cours de fonctionnement. Il est impliqué dans le développement et la mise au point d’une machine originale de déformation biaxiale. Ce dispositif embarqué de mise sous contrainte est installé sur la ligne de lumière DiffAbs au synchrotron SOLEIL et permet notamment de contrôler le champ de déformation appliqué sur un composite film mince-substrat étirable. Il est donc possible d’appliquer sur le composite film/substrat des chemins de déformation ou chargements identiques à ceux subis lors de la réalisation ou l’utilisation de ces matériaux en conditions réelles. Cet appareillage permet de réaliser des mesures in situ de champ de déformation de façon relativement précises (incertitude en déformation de l’ordre de 5x10-5), et ce à l’aide de 2 techniques complémentaires : une mesure du champ de déformation macroscopique par corrélation d’image numérique (CIN) et mesure microscopique du champ de déformation dans les parties cristallines du matériau par diffraction des rayons X (DRX). La corrélation des mesures macroscopique CIN/microscopique DRX (cf fig. 1) permet d’obtenir des informations pertinentes sur le comportement mécanique de ces composites : entre autres, la transmission des déformations à l’interface ou aux interfaces dans le cas de films empilés, les incompatibilités de déformation, les transferts de charge, la limite d’élasticité, la résistance maximum à la traction, l’apparition de fissures, les phénomènes de relaxation, …

 

Enfin, d’un point de vue fondamental, la corrélation CIN-DRX permet d’analyser finement des problèmes de changement d’échelle (micro-macro) et ainsi de mettre en évidence des problèmes spécifiques aux films minces, à intégrer dans les modèles mécaniques d’interaction granulaire associés aux matériaux polycristallins. Enfin, l’étude des surfaces de charge (fig. 2) permet une étude fine des effets de taille et de microstructure sur le comportement fragile / ductile de films nano-structurés.

 

Ces activités sur synchrotron se sont développées dans le cadre d’une ANR Pnano Cmonano qui associait Soleil et le LSPM (ex-LPMTM) de Villetaneuse pour la modélisation polycristalline. Elles rentrent dans le cadre du GDRi Mecano.

Permanents : J. Colin (PR), C. Coupeau (PR), J. Grilhé (Emerite), J. Durinck (MdC), A. Cimetière (Emerite), L. Vernisse (MdC)

 

Contexte et objectifs :

 

Meilleure compréhension du phénomène de cloquage des revêtements et films minces, afin de l’inhiber (perte des propriétés fonctionnelles) ou de le contrôler (estimation de l’énergie d’adhésion film/substrat)

Recherche de nouvelles voies de nanostructuration de surfaces, du micro au nano (instabilité de nano-objets, gabarits de surface pour l’organisation de nanoparticules…)

Compréhension des mécanismes élémentaires de déformation plastique à partir de l’analyse fine des nano-traces laissées en surface

 

  • Points forts :

Développements expérimentaux originaux

Analyse multi-échelle (du macro au nano) par FEM, DM et modélisation analytique

Confrontation expérience/théorie

 

Permanents :

L. Pichon (Pr), J.B. Dubois (MCF), M. Drouet (IR)

Coll. DPMM-axe ENDO: P. Villechaise, J. Cormier

 

Contexte et objectifs :

 

La thématique s'intéresse à la compréhension des modifications structurales induites par différents traitements de surface (plasma, implantation ionique en immersion plasma (PBII), faisceau d'ions) dans le but d'améliorer les propriétés d'usage d'alliages métalliques.

 

Après les alliages à base Fe et base Co, ce sont les effets des traitements des superalliages à base Ni qui sont au cœur de la thématique. Les modifications structurales sont reliées aux modifications de la composition (par nitruration par exemple) conduisant à des changements de phase ou à des solutions solides. L'influence des différents paramètres du procédé et les différents mécanismes mis en jeu (réactivité, diffusion, implantation, irradiation aux ions, pulvérisation,…) sont étudiés pour maîtriser les compositions et les microstructures finales. Les effets du traitement dépendent aussi de l'état microstructural initial (orientation, état de contraintes, défauts,…) et de son évolution (plasticité, rotation cristallographique,…).

 

S'inspirant des modèles existant dans la littérature, nous simulons numériquement les phénomènes de diffusion de matière en prenant en compte les différents mécanismes mis en évidence expérimentalement (piégeage, gonflement, …). Les propriétés d'usage obtenues (dureté, tenue mécanique, tribologique,…) sont enfin mises en relation avec les compositions et microstructures obtenues par SDL, SEM, TEM, DRX, EBSD, WLI,...