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Matériaux multifonctionnels

Responsable : D^r. M. Cherkaoui
Doctorant : Frédéric Pons
Doctorant : Muhammad Sadiq
Doctorant : Audric Saillard
Doctorant : David Swafford

Toujours plus léger, plus résistant, toujours moins cher

Voici les trois critères de choix de matériau qui reviennent le plus dans le monde industriel. Un compromis est d’ailleurs souvent nécessaire afin d’aboutir à une solution. Pour sélectionner le bon matériau, il faut tout d’abord s’attacher à identifier la ou les fonctions qu’il va devoir remplir. Celles-ci permettent de faire ressortir des propriétés, classées par ordre d’importance, que notre « matériau solution » doit avoir.

Le concept ‘Material-by-design’ pourrait être assimilé au concept du ‘Sur mesure’ du monde de la haute couture. En effet, après avoir clairement identifié un besoin, une fonction, l’objectif est de répondre au mieux aux critères établis, aux propriétés définies afin d’élaborer le matériau qui conviendra le plus justement à la demande formulée. Tout cela se traduit en règle générale par la création d’un modèle s’attachant à décrire les phénomènes à l’échelle atomistique, puis par transition d’échelle, à en tirer des conclusions à l’échelle macroscopique (échelle réelle). Cette démarche nécessite une bonne compréhension et maitrise de l’interaction entre le phénomène étudié et la réponse du matériau.

Par conséquent, mêlant travaux expérimentaux et modèles numériques, notre équipe de recherche, s’appuyant sur de gros moyens de calcul, travaille en coopération avec de nombreux industriels à l’échelle nationale et internationale afin de répondre à des problématiques d’actualité.

Ainsi :

Augmenter la durée de vie des piles à combustible par l’étude des phénomènes de dégradation dus à l’oxydation .

Augmenter les résistances acoustique et mécanique d’un pare-brise tout en diminuant son poids et son coût.

Réduire la sensibilité à la température, la taille, le poids des capteurs.

Remplacer les matériaux ne respectant pas les nouvelles normes environnementales européennes dans les équipements électriques et électroniques aussi bien dans l’aérospatiale, l’aéronautique, l’automobile ou le ferroviaire (Cadmium, Plomb, etc..)

sont des projets en cours.

Contact : D^r. M. Cherkaoui

1. Substitution du matériau de contact AgCdO dans les contacteurs et les relais (Frédéric Pons)

AgCdO est l’un des matériaux de contact les plus utilisés au monde du fait de ses très bonnes performances. Cependant, de nouvelles directives européennes vont interdire son utilisation, à l’exception de certaines dérogations dans le secteur aéronautique. Il devient donc urgent de trouver un matériau à la hauteur des performances de l’AgCdO. L’érosion faisant suite à l’impact d’un arc électrique joue un rôle important dans la fiabilité et la durée de vie du relais ou du contacteur.

Suivant le comportement du matériau de contact en réponse à l’impact d’un arc électrique, les dommages engendrés en surface peuvent induire de grands changements de propriétés du matériau de contact ; ce qui peut avoir comme conséquence d’altérer le bon fonctionnement du système. Par conséquent, les effets de l’arc électrique sur la surface du matériau de contact sont de premières importances. L’objectif final de ce projet est de développer un code de calcul permettant de déterminer les caractéristiques du matériau le plus à même de remplacer l’AgCdO

2. Soudures sans plomb en environnement sévère (Muhammad Sadiq)

Dans les assemblages électroniques, les joints de soudure servent a la fois de connexion électronique et de support mécanique pour les composants et les substrats. Les joints de soudures soumis à de nombreux stresses thermomécaniques constituent l’un des points les plus faibles des montages et déterminent traditionnellement leur durée de vie. La fiabilité des joints de soudure dépend des spécificités du conditionnement et de l’environnement d’utilisation. Dans les applications de haute fiabilité, les mécanismes de ruptures amenant a l’endommagement des joints de soudure sont principalement des phénomènes thermomécaniques. La fatigue, la diffusion thermique et les incompatibilités d’extension thermique conduisent à une diminution de la résistance des soudures.L’évaluation et le développement de matériaux permettant d’accroitre la fiabilité des équipements électroniques est une problématique constante pour satisfaire le besoin des marchés en extension. L’industrie électronique doit faire face à des pressions importantes provenant des législations internationales et des marchés en vue d’éliminer les soudures étain-plomb (SnPb) pour passer à des alternatives sans plomb. Un tel changement va nécessiter d’importantes dépenses en capitaux et pourrait avoir un large impact sur la santé publique et l’environnement. L’industrie électronique, ainsi que des organisations gouvernementales et d’intérêt publique, sont préoccupées par le manque de recherche jusqu’à présent sur les effets environnementaux potentiels des alternatives aux soudures étain-plomb.L’objectif de ce projet est d’étudier l’élaboration de nouvelles formulations de soudure sans plomb, afin de développer des alternatives potentielles aux soudures à haut point de fusion à base de plomb, en prenant en comptes les exigences de haute fiabilité et en accord avec les directives gouvernementales.

3. Modélisation et simulation de l’oxydation à haute-température des alliages métalliques (Audric Saillard)

Les métaux s’oxydent au contact de l’air, formant une couche de “rouille”. Ce phénomène est accru dans certaines machines industrielles fonctionnant à hautes températures, telles que les moteurs d’avion ou les piles à combustible, entrainant a moyen terme leur détérioration ou une dégradation de leur fonctionnement. Nous étudions et modélisons les mécanismes multi-physique et multi-échelles amenant à un endommagement mécanique et leur relation avec les propriétés et la composition de l’alliage métallique. Ainsi grâce à une meilleure compréhension et un outil de prédiction, il devient possible d’optimiser la structure et la constitution des matériaux en vue d’augmenter la durée de vie des systèmes.

4. Développent d’un capteur électrique de nouvelle génération (David Swafford)

Le but de ce projet est de concevoir la nouvelle génération de capteur de courant pour des courants continus et alternatifs. Tout le challenge réside dans la création d’un système petit, léger, capable de fonctionner dans des environnements sévères, et dont le fonctionnement ne soit pas altéré par des changements de températures et par des interférences électromagnétiques externes. Ceci est accompli à travers deux taches principales. La première est de concevoir un type de capteur novateur dépassant toutes les limitations existantes. Afin de réaliser cela, nous nous focaliserons sur les capteurs type MEMS, du fait de leur faible taille, poids, et couts de fabrication qui les rendent très désirable. La seconde tache est plus fondamentale que la première et correspond au cœur du projet. En effet, un modèle multi-physiques sera développé afin d’optimiser les matériaux utilisés pour fabriquer le capteur. Ce modèle tiendra compte des critères de conception tels que les comportements mécanique, électrique, thermique et magnétique.

En plus de concevoir un capteur de courant plus performant, ces travaux de recherche apportent de nombreuses contributions au domaine de l’ingénierie. Ce projet, multidisciplinaire, requiert des connaissances dans plusieurs domaines de l’ingénierie. Cet aspect en lui-même est bénéfique parce qu’il contribue à la distribution des connaissances. Un autre enjeu est l’intégration de matériaux intelligents dans les MEMS. Prises séparément, les deux technologies ont un gros potentiel, il reste cependant à voir ce qu’elles peuvent donner ensemble. En derniers lieu, ces travaux de recherche développent les capacités de modélisation matériaux en liant le comportement du matériau à l’échelle macroscopique à ses propriétés mécanique, électrique et magnétique à l’échelle microscopique.

Mots-clés

matériaux

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