Procédés, Surfaces, Fonctionnalités – PSF

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    Domaines de recherche

    -Procédés de génération et de modification des surfaces et interfaces
    -Tribologie et dynamique des interfaces
    -Micromécanique des matériaux et des surfaces
    -Impression 3D des polymères fonctionnels

    Applications

    -Revêtements et traitements de surface de pièces de structure
    -Collage structural : de la physico-chimie à la tenue mécanique
    -Frottement, lubrification et usure en mise en forme des métaux : de la mesure au modèle

    L’équipe PSF a pour objectif de développer des approches microscopiques d’interaction d’une surface ou d’une interface avec son environnement afin d’apporter des solutions permettant un contrôle de la durabilité d’un système donné: optimisation des matériaux de surface, traitement de surface, revêtement, lubrification..

    Axes de recherche

    Structures et interfaces dans l'impression 3D des polymères fonctionnels

    En impression 3D de polymères par FDM, les phénomènes interfaciaux conditionnent le succès des procédés et la qualité des produits sur des points comme l'adhésion entre filaments voisins, l'adhésion de la base de l'impression avec le plateau-support, l'usure des buses par les polymères chargés... Au-delà de ces sujets et conformément à sa tradition, l'équipe SPF ne se limite pas aux matériaux de structure et à leurs propriétés mécaniques mais entend aborder les matériaux fonctionnels, comme le montre l'exemple de l'impression 3D sous champ électrique orientant des films de PVDF pour maximiser leurs coefficients piézoélectriques.

    Ingénierie des surfaces et interfaces, tribologie

    C'est aussi dans une approche multiphysique plurifonctionnelle que se positionne cette activité, dans laquelle s'inscrit la tribologie des procédés de mise en forme et d'assemblage(dont le collage), sans exclusive sur les matériaux, mais aussi les procédés de finition destinés à leur conférer une ou plusieurs fonctionnalités, tribologique, optique, électrique… : "les surfaces dans les procédés, les procédés pour les surfaces".

    Exemple de projets

    Thèse Hutchinson
    Thèse Hutchinson
    Thèse Vishay
    Thèse Vishay
    Thèse Safran
    Thèse Safran
    Thèse Tarkett
    Thèse Tarkett
    Thèse Tarkett
    Thèse Tarkett
    Thèse Tarkett
    Thèse Tarkett

    Moyens expérimentaux

    Microscopie électronique

    La plateforme microscopie au CEMEF compte 3 Microscopes Electroniques à Balayage ‘MEB’ pour l’observation et l’analyse de divers types de matériaux. Ils sont équipés de détecteurs EDS et EBSD, de colonne ionique (Préparations FIB), d’essais mécaniques et traitements thermiques in situ.

    Accès à la plateforme ACT-M (https://www.crhea.cnrs.fr/act-m.htm) pour l’utilisation d’un microscope électronique à balayage et à transmission STEM ‘Thermo Fishers Spectra 200’

    Analyse des phases cristallines et des contraintes résiduelles

    Déterminer les contraintes résiduelles, identifier les différentes et quantifier les orientations cristallographiques
    Développement des méthodes pour les polycristaux à grains fins, à gros grains ainsi que pour les monocristaux.

    Equipement doté d’un four permettant de suivre les transformations et les évolutions de contraintes :
    • lors de cycles thermiques pouvant atteindre 1100°C,
    • ou lors de sollicitation mécanique à l’aide d’une mini-machine de traction développé par notre bureau d’études MEA.
    Applications à la mise en forme et à la tenue en service de pièces à fonctionnalités diverses, en alliages métalliques, céramiques et polymères.

    Tribomètres

    Tribomètres pion-disque pour mesure de frottement et d’usure. Mesure in situ de température proche du contact. Essais à T° imposée (< 150°C) en configuration roulement-glissement.
    Banc d’étirage plan et BUT ‘Bending Under Tension’, mesure tribologique dans les procédés de mise en forme des tôles métalliques : frottement, lubrification, usure des outils, revêtements de surface.

    Caractérisation mécanique de surface

    Micro-indenteur à chaud
    L’équipe PSF dispose de plusieurs essais mécaniques qui permettent de solliciter la matière à différentes échelles (macro, micro et nano) et en différents modes (quasi-statique, dynamique et fatigue) :
    • Une plateforme d’essais mécaniques in situ MEB: indentation, rayage, compression sur piliers et µ-objets.
    • Une mini-machine de traction in situ DRX.
    • Un nano-indenteur instrumenté/ nano-rayure.
    • Un micro-indenteur à chaud (850°C).

    Caractérisation chimique de surface

    La spectrométrie de photoélectrons XPS donne la composition élémentaire de surface sur une épaisseur de 10 nanomètres. Réalisation de profils de composition par érosion. Détection de tous les éléments (sauf H et He) avec une concentration minimale de 0.1 à 0.3 % at. - Modèle K-ALPHA ThermoFisher.

    La spectrométrie infrarouge mesure de l'énergie absorbée en fonction de la longueur d’onde pour identifier les liaison chimique et la composition de matériaux solides, liquides ou de poudres. Modèle AVATAR 370 ThermoFisher.

    Le goniomètre de mouillage mesure l’angle de contact d’un liquide sur un matériau solide, ou le profil d’un goutte pendante, pour calculer l’énergie de surface ou. Modèle DSA100 KRUSS.

    Caractérisation topographique

    Le rugosimètre optique confocal chromatique mesure la topographie des surfaces avec une résolution en Z de la dizaine de nanomètre et une résolution micrométrique en X-Y. Modèle Micromesure 2 CCS PRIMA - STIL.

    Le microscope à force atomique AFM mesure de topographie de surface par contact d’une pointe avec une résolution spatiale de l’ordre du nm. Modèle 5500 LS Agilent.

    Optimiser les matériaux et la structure d'un revêtement de sol pour augmenter sa résistance à la rayure, c’est le défi de ma thèse. Je suis fasciné par les thèmes scientifiques de haut niveau en oeuvre pour l’étude d’un objet aussi banal qu'un revêtement de sol.

    Benoît WITTMANN, Doctorant dans l'équipe PSF

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    Thèses en cours

    • Victor CLAVERIE-BURGUE : Etude du comportement thermo-mécanique d’oxydes de fer à haute température. Promotion 2019
    • Emile HAZEMANN : Contraintes résiduelles et recristallisation dans les alliages monocristallins base nickel. Promotion 2018 + Equipe 2MS
    • Larissa PINHEIRO DE BRITO : Étude microscopique du comportement des matériaux issus des procédés de fabrication. Promotion 2018
    • Corentin PERDERISET : Etude des mécanismes d’adhésion dans un assemblage collé titane/composite avec prise en compte du vieillissement environnemental. Promotion 2017 + Equipe MPI
    • Laura MONTALBAN : Etude des mécanismes d’usure d’elastomeres. Application a l’entrainement par courroies. Promotion 2016