Les recherches de l’axe MSE ont pour objectifs la recherche de nouveaux (nano)matériaux et la compréhension de leurs propriétés ; elles se font souvent en lien étroit avec l’industrie.
Parmi ce riche ensemble, deux projets se singularisent par leur nouveauté et parce qu’ils s’appuient sur un financement ANR ou le recrutement d’un jeune chercheur.


Le premier concerne les micro-batteries Li-ion tout solide 3-D pour lequel les relations structure-performances électrochimiques de couches minces d’oxydes (TiO2, LiNi0.5Mn1.5O4) synthétisées par dépôt de couches atomiques (ALD) seront étudiées entre autres, par spectroscopie Raman « operando ».


Le deuxième concerne la recherche de nouveaux matériaux thermoélectriques pour laquelle une approche nouvelle est mise en oeuvre par une CRCN recrutée en 2016, combinant calculs « premiers principes » et expériences, sur un ensemble large de composés ternaires, de façon à faire émerger des matériaux semi-conducteurs à forte mobilité électronique et à faible conductivité thermique.

Matériaux pour le transport

La conception de turbines d’avion performantes nécessite la recherche constante de nouveaux matériaux comme les alliages à haute entropie (HEAs) ou les eutectiques oxyde-oxyde réfractaires. Des propriétés mécaniques prometteuses ont été révélées dans ces derniers, nécessitant l’étude des modes de déformation et la modélisation des interfaces.

Pour les HEAs, la métallurgie des poudres, qui permet de former des nanograins et des fluctuations de composition ou encore l’architecturation multi-échelle, grâce à la formation contrôlée par germination de précipités, sont mises en œuvre. 

Enfin, l’optimisation de matériaux destinés à l’aéronautique passe souvent par la détermination de diagrammes de phases. Dans ce cadre, les travaux sur les HEAs et le système ternaire Al-Ti-W étudié en collaboration avec l’ONERA bénéficient aussi de modélisations par la méthode Calphad. 

Par ailleurs ; l’industrie automobile requiert des aimants légers et performants sans terres rares. L’approche se concentre sur l’alliage MnAlC dont le potentiel a récemment été montré. Il est élaboré par des méthodes d’hypertrempe et d’atomisation suivies d’un frittage flash.

Matériaux pour les structures

Les alliages de verres métalliques massifs font l’objet de nombreuses études en raison de leur extrême résistance. L’étude de leurs propriétés mécaniques est poursuivie en collaboration avec l’ENSTA, le MSSMat-ECP et la DGA et porte en particulier sur la compréhension des mécanismes de déformation à haute vitesse de verres à base de Zr.

La compréhension des propriétés mécaniques singulières de nanomatériaux à grains ultrafins comme nano-Al ou nano-Cu, requiert l’analyse des mécanismes élémentaires opérant dans et à proximité de l’interface, comme le rôle des disconnections dans la plasticité liée aux joints de grains. 

Le développement des réacteurs nucléaires nécessite la recherche de matériaux résistants. En collaboration avec le CEA Saclay, un revêtement dur pour pièces de frottement d’un alliage à haute entropie sans cobalt est synthétisé par fabrication additive à partir d’un procédé de fusion de poudre par laser. L’étude de la cinétique de précipitation de carbures dans des alliages ferritiques modèles enrichis en carbone est entreprise dans le cadre d’un programme visant à justifier la ténacité suffisante d’éléments de cuve des EPR.

L’étude expérimentale et théorique d’une nouvelle famille d’alliages de titane, tolérants à l’oxygène, présentant une teneur très élevée en O (jusqu’à 1% en masse) et affichant un compromis résistance/ductilité sans précédent, a pour projet de fournir une carte des mécanismes reliant la chimie des alliages au développement de la structure à l’échelle atomique et aux mécanismes de déformation opérant à température ambiante et à haute température.

Matériaux pour le stockage de l’énergie

Le stockage efficace de l’hydrogène par absorption requiert l’étude de matériaux légers et nanostructurés pour répondre aux exigences des applications nomades et embarquées, notamment en termes de capacité et de cinétique. Les nanomatériaux métalliques (Pd, Ni, …) nanoconfinés dans des matrices poreuses, soit en carbone soit en MOFs, pour lesquels les effets de tailles sont dominants, sont ainsi étudiés.
Les composés intermétalliques réversibles à température ambiante et à forte teneur en Mg font aussi l’objet d’investigations. Des recherches sur la mécano-synthèse sous gaz réactif d’hydrures ultra-légers (Li, Na, Mg, Al, N, …) avec des cinétiques améliorées par ajout d’activateurs sont réalisées (collaboration UAM-Espagne, Centro Atómico Bariloche, Argentine).
Par ailleurs, le développement de ces matériaux nécessite des efforts constants de modélisation utilisant la méthode Calphad, les calculs DFT et les nouvelles techniques d’apprentissage automatique (Machine Learning) pour la recherche de nouvelles phases métal-hydrure (Projet Emergence@INC 2018).
Enfin, pour la plupart des matériaux de stockage de l’hydrogène, la durée de vie lors des cycles de sorption est aussi un sujet majeur : un banc automatique d’hydrogénation permettant d’évaluer in-situ la perte de capacité pendant des centaines de cycles est développé. 

Concernant l’utilisation d’hydrures métalliques comme matière active d’électrodes négatives de batteries Ni-MH, nous nous intéressons d’abord à des composés d’inter-croissance de type (TR,Mg)5Ni19 (TR : terre rare) afin de coupler l’amélioration, par rapport aux composés TR2Ni7, de la capacité massique à la résistance à la corrosion en milieu alcalin.
Pour augmenter encore la capacité massique et diminuer la teneur en métaux critiques (terres rares), l’étude de nouvelles compositions dérivées du composé TiNi, résistantes à la corrosion et aux propriétés flexibles par rapport au jeu des substitutions chimiques, est poursuivie, en mettant en œuvre des méthodes de synthèse hors-équilibre. 

L’élaboration de nouveaux matériaux d’électrodes positive et négative pour batteries Li-ion est poursuivie. Elle porte, côté électrode positive, sur les oxydes de manganèse spinelles substituées au nickel fonctionnant à haut potentiel et les oxydes fluorés à base de fer, molybdène et vanadium (Fe, Mo, V).
Un projet ANR consiste à effectuer une caractérisation avancée de films minces d’oxydes pour micro-batteries Li-ion tout-solide 3-D. Côté électrode négative, nous travaillons sur les nitrures métalliques lithiés et des matériaux à base de silicium (nanofils, couches minces, composites Si-intermétallique).
Toujours sur l’électrode négative, les hydrures métalliques présentent eux aussi de très hautes capacités de stockage, mais leurs performances et leur réversibilité restent à améliorer. Des batteries solides complètes peuvent être assemblées dans ce cas en utilisant des hydrures à la fois en tant que matériau d’électrode négative (e.g. MgH2) et d’électrolyte (e.g. LiBH4). Nous nous intéressons à la compatibilité de cette association, l’amélioration des propriétés en fonction de la composition et microstructure des matériaux (collaboration Université de Reno et Utrecht).

capacité de stockage de l'hydrogène dans le magnésium
capacité de stockage de l’hydrogène dans les alliages de magnésium

Nous travaillons aussi sur des alternatives au système Li-ion par la recherche de nouveaux matériaux d’intercalation notamment du sodium, du magnésium, du calcium tels que des oxydes et phosphates de V, Fe, Mn, Ni, ainsi que des hydrures métalliques. Ces nouvelles batteries peuvent travailler avec des électrolytes liquides et/ou solides.
Enfin, un autre concept est développé avec la mise au point de nouvelles batteries rechargeables en milieu aqueux compatibles avec l’environnement (collaboration avec l’Université Kazakh d’Astana).

Matériaux pour la conversion de l’énergie

Les cellules solaires à base de silicium nécessitent que leur surface soit structurée. Un nouveau procédé de gravure électrochimique par contact, utilisant des électrodes en métal nanoporeux, est développé dans ce but à travers des collaborations inter/nationales (GEEPS, IEMN, Université de Cagliari, Italie). 

Nous poursuivons aussi l’objectif d’amélioration de matériaux thermoélectriques connus par la diminution de leur conductivité thermique phononique. Dans l’alliage d’Heusler Fe2VAl, des joints de grains ou des nanoprécipités (< 50 nm) sont ainsi insérés pour gêner le transport des phonons à plusieurs échelles et augmenter le facteur de mérite. 

La réfrigération magnétique nécessite la mise en œuvre de matériaux à fort pouvoir magnétocalorique. Une étude systématique de nouvelles compositions La-Fe-Co-Si, Mn-Fe-P-Z, (Z=Si, B, As) et Y1-xGdxFe2Hy est ainsi menée. De façon symétrique, les composés AlFe2B2 et Mn1-x(Fe,Co)B sont étudiés pour la conversion de la chaleur thermomagnétique en énergie électrique ou mécanique. 

L’allongement de la durée de vie des réacteurs nucléaires nécessitent, par exemple, la modélisation des matériaux de gainage du combustible nucléaire. En collaboration avec le CEA Saclay, la méthode Calphad est mise en œuvre pour atteindre cet objectif en ajoutant les éléments interstitiels H et O à la base de données thermodynamiques actuellement développée.