Axes Transverses

Les collaborations inter équipe sont nombreuses et sur des problématiques très diversifiées, assez souvent ponctuelles, et dans le cadre des actions contractuelles de chacun.

Dès sa création le CIRIMAT a adopté une organisation conventionnelle en équipes de recherche. Des actions transverses ont été encouragées visant à mieux répondre à des problématiques fondamentales, à des besoins de ressourcement identifiés ou à des appels d’offres sur une thématique jugée stratégique, pour lesquels la complémentarité des connaissances, des compétences et savoir-faire des participants est une plus-value forte.
De plus, en favorisant la pluridisciplinarité, elles sont propices à l’émergence de nouvelles thématiques que souvent une équipe seule ne prendra pas le risque d’aborder.

Initiés par des chercheurs de plusieurs équipes s’organisant en projet, ces thèmes transverses restent ouverts à tous ceux qui sont susceptibles de contribuer à leurs développements.

Axe Transverse Hydrogène (2021-2025)

Coordination  : Pascal Lenormand

Le CIRIMAT est impliqué dans l’élaboration, la mise en forme et la caractérisation de matériaux pour la "filière hydrogène". L’Axe Transverse Hydrogène, initié au début de l’année 2021, concerne les équipes RTS, OVM, NNCED, MEMO.

Les thématiques de recherche actuelles sont :

* Les matériaux pour les systèmes de conversion de l’énergie haute température, piles à combustible et électrolyse de l’eau haute température (SOFC et SOEC).
* Matériaux pour la production de l’hydrogène par photoélectrolyse, électrocatalyse et photocatalyse
* Capteurs de gaz
* Fragilisation des matériaux par l’hydrogène

Le CIRIMAT est un des membres académiques fondateurs de la plateforme hydrogène de Toulouse localisée sur le campus de Toulouse INP.

Le CIRIMAT est également un membre actif de la Fédération de Recherche "Hydrogène" du CNRS (FR2044 appelée FRH2), qui rassemble au niveau national environ 300 chercheurs permanents issus de 29 laboratoires.


CIRIMAT is involved in the development, shaping and characterization of materials for the "hydrogen sector". The Transverse Axis Hydrogen, initiated at the start of 2021, concerns the RTS, OVM, NNCED, MEMO teams.

The current research themes are :

* Materials for high temperature energy conversion systems, fuel cells and high temperature water electrolysis (SOFC and SOEC).
* Materials for the production of hydrogen by photoelectrolysis, electrocatalysis and photocatalysis
* Gas sensors
* Embrittlement of materials by hydrogen

CIRIMAT is one of the founding academic members of the Toulouse hydrogen platform located on the Toulouse INP campus.

CIRIMAT is also an active member of the CNRS "Hydrogen" Research Federation (FR2044 called FRH2), which brings together around 300 permanent researchers from 29 laboratories nationwide.

Axe Transverse Matériaux thermoélectriques (2021-2025)

Coordination  : Yohann Thimont

Equipes  : OVM, MEMO, NNC

Cet axe transverse ouvert en 2021 consiste à regrouper et combiner l’expertise de différentes équipes du laboratoire autour de la thématique thermoélectricité dans des projets de recherche communs. La thermoélectricité permet la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique et vice-versa mais aussi dans le cadre de la mesure des températures. Cet axe se base sur l’élaboration et la caractérisation de pièces (massifs, couches minces, composites…) constituées de matériaux avec des propriétés thermoélectriques.

Les différents savoir faire des équipes concernées par cet axe sont :

* Le frittage de composés thermoélectriques via le Spark Plasma Sintering (SPS) de la plateforme PNF2

* Le dépôt de couches minces d’oxydes intéressants pour les applications TE avec la possibilité de mesurer le coefficient Seebeck en température de couches minces jusqu’à 250°C sous atmosphère

* La synthèse et mise en forme simultanée de pièces constituées de composés thermoélectriques via les procédés de fabrication additive

* L’ajout de charges au sein de matériaux TE (approche composites) dans le but d’accroitre les performances thermoélectriques

* La modélisation des propriétés thermoélectriques (en couches minces, massifs, composites)

Axe Transverse Biopolymères (2021-2025)

Référent CIRIMAT : V. Samouillan Référent CHU : Marie-Hélène Lacoste-Ferré
Equipes  : NNCED, PPB, PHYPOL

Le CIRIMAT est impliqué dans l’élaboration, la caractérisation et l’optimisation de biopolymères au sens large (issus du monde végétal, animal et humain). L’Axe Transverse Biopolymères concerne particulièrement les équipes NNCED, PPB, PHYPOL à son démarrage.

Les axes de recherche actuels concernent :

* l’optimisation des biomatériaux pour la médecine réparatrice de demain (PPB, PHYPOL)

* le développement de dispositifs médicaux et thérapeutiques innovants (PPB, NNCED, PHYPOL)

* les mécanismes physiopathologiques et le vieillissement (PHYPOL)

* le développement d’outils de diagnostic (PHYPOL) ou de screening de traitement (PPB)

* les polymères bio-sourcés pour l’éco-conception (NNCED, PHYPOL, PPB)

Tous ces axes sont abordés d’un point de vue expérimental grâce à un large éventail de techniques :

* d’élaboration pour réaliser des systèmes d’architecture controlée :
electro-spinning, spray-drying, extrudeuse bi-vis, presse à chaud, prilling, sécheur au CO2 supercritique, mélangeurs thermostatés et pressurisés, homogénéisateurs, machines à comprimés…

* de caractérisation pour sonder la structure et la dynamique des systèmes développés et les tissus biologiques depuis l’échelle nanométrique jusqu’à l’échelle macroscopique :
analyse thermogravimétrique, analyse calorimétrique diatherme, rhéométrie, analyse diélectrique dynamique, spectroscopie/microscopie infra-rouge et Raman confocal, texturométrie, diffraction de rayons X, diffusion de neutrons aux petits angles, AFM, MEB…

* de caractérisation biopharmaceutique en lien avec la mise en contact d’un produit de santé chargé en molécule active avec le vivant : appareils normés Pharmacopée

La thématique Santé, Vieillissement et amélioration de la qualité de vie est un défi sociétal majeur, reconnu comme prioritaire par l’UPS et soutenu par la région Occitanie. Le CIRIMAT développe actuellement des liens avec le CHU de Toulouse pour ouvrir les projets de recherche fondamentale vers la recherche clinique et ses applications dans le domaine de la santé.

L’axe transverse Biopolymères nécessite des collaborations à la fois avec des partenaires industriels et des partenaires institutionnels. Si les équipes du CIRIMAT sont largement impliquées dans ce type de collaborations (CHU de Toulouse, CRCT, I2MC, IIB Sant Pau Barcelone, ITHPP, Pierre Fabre dermo-cosmétique), la synergie de scientifiques issus de différentes communautés apparaît essentielle pour apporter des solutions innovantes d’un point de vue clinique.

Axe Transverse Adhérence (2016-2020)

Coordination : Maëlenn Aufray

Le développement de nouveaux matériaux à propriétés originales passe souvent par la synthèse et/ou mise en œuvre de multi-matériaux, que ce soient des substrats revêtus, des alliages, des composites ou des assemblages collés.

Les adhésifs sont très utilisés dans de nombreux domaines tels que l’automobile ou l’aéronautique : leur fonction est non seulement une fonction d’assemblage, mais également parfois d’étanchéité. Dans les deux cas, l’adhérence entre substrat et adhésif est primordiale. La caractérisation des joints de colles, mais aussi des interphases formées, est alors cruciale : si les techniques de caractérisation classiques permettent la caractérisation de polymères en volume, la caractérisation aux différentes échelles des interphases est souvent plus difficile. En effet, des interfaces sont créées et la mesure de l’adhérence, en plus de la caractérisation des interphases, est un critère de choix pour la valorisation de ces multi-matériaux (tous les couples support/revêtement sont concernés, chaque matériau pouvant être un métal, une céramique, un polymère ou un matériau composite).

L’Axe Transverse Adhérence concerne particulièrement les équipes MEMO, RTS et SURF à son démarrage.

Plusieurs tests (directs ou indirects) d’adhérence sont utilisés au CIRIMAT, entre autre :

  • l’analyse thermo-gravimétrique comme mesure d’adhérence lors d’écaillage à haute température (cyclage thermique)
  • la flexion trois-point comme mesure de l’adhérence de films minces et d’adhésifs (norme ISO 14679-1997)
  • la sclérométrie

Les caractérisations des surfaces et interfaces (faciès de rupture) sont aussi un enjeu important des recherches associées

L’Axe Transverse Adhérence est, entre autre, appuyé par l’enseignement de cette spécialité à l’ENSIACET, pour les ingénieurs Matériaux de 3ème année. Un résumé du cours (en français) est disponible à l’adresse suivante : http://maelenn.aufray.free.fr/teaching.php

Enfin, cette thématique est abordée en collaboration avec l’axe transverse Assemblage (ASM) de l’Institut Clément Ader (ICA).

Séminaire : Axe Transverse Adhérence 6 juillet 2018

Axe Transverse Graphène (2016-2020)

Coordination : Emmanuel Flahaut

Equipes : NNC, RTS, OVM, PHYPOL, MEMO.

Les compétences concernent toute la chaine allant de la synthèse (CCVD, exfoliation) à la dispersion (polymères, liquides ioniques, eau et autres solvants) en passant par la fonctionnalisation (réduction, greffage de molécules organiques) et la caractérisation grâce à la riche palette d’outils dont dispose le laboratoire, complétée par les plateformes Toulousaines (notamment l’UMS Castaing).

Les activités en cours à la création de l’Axe (2016) concernent essentiellement le graphène et ses dérivés (FLG, GO, rGO), mais aussi, plus largement, d’autres matériaux 2D :

  • Impact potentiel du Graphène et de ses dérivés (FLG, GO, rGO) sur la santé et sur l’environnement, dans le cadre du projet Flagship Graphene (E. Flahaut, NNC) : synthèse de FLG, réduction contrôlée du GO en rGO.
  • Graphène pour l’électronique de puissance. Collaboration entre NNC (E. Flahaut) et OVM (J.-Y. Chane-Ching).
  • Graphène (rGO) pour le stockage de l’énergie, en particulier la préparation d’ionogels pour les supercondensateurs. Collaboration entre RTS (P. Simon, P.-L. Taberna) et OVM (J.-Y. Chane-Ching).
  • Graphène (rGO) pour la photolyse de l’eau à l’aide d’architectures multicouches à base de TiO2, rGO et d’autres matériaux 2D (chalcogénures) développés par exfoliation. Collaboration entre OVM (J.-Y. Chane-Ching) et RTS (P. Simon, P.-L. Taberna).
  • Graphène sur acier : synthèse directe (CCVD) et en dispersion dans des revêtements nanocomposites en vue de l’amélioration des performances tribologiques. Ces travaux ont notamment lieu dans le cadre du laboratoire commun CETIMAT et du doctorat de K. Hentour. Collaboration entre RTS (V. Turq) et NNC (Ch. Laurent, A. Weibel).
  • Graphène (FLG - MLG commercial) dans des matériaux nanocomposites à matrice polymère dans le but de modifier leurs propriétés électriques (E. Dantras, PHYPOL).
  • Graphène dans les fontes avec des études concernant les équilibres entre "graphite lamellaire" (FLG) et graphite sphéroïdal (L. Laffont, MEMO).

Axe Transverse Thermodynamique des Matériaux (2016-2020)

Coordination : Christophe Drouet

Equipes : MEMO, PPB, OVM, PHYPOL, SURF

Le CIRIMAT élabore divers types de matériaux et étudie leurs propriétés. Leur caractérisation comporte notamment un volet thermodynamique afin de mieux appréhender leur stabilité et comportement. Diverses familles de matériaux sont considérées :

  • Des systèmes céramiques : oxyde/(hydroxy)sulfate/(hydroxy)phosphate/pyrophosphate, … Cela inclut diverses phases cristallines métastables.
  • Des systèmes polymères : dynamique des verres polymères.
  • Des systèmes métalliques : métaux/alliages (Fe, Ti, Ni, Al…) et produits de corrosion, notamment à haute température.
  • Des interphases polymères/métal.

Des approches expérimentales sont mises en œuvre, utilisant en particulier des méthodes calorimétriques (calorimétrie de mélange, calorimétrie de chute (en collaboration avec UC Davis, Etas-Unis), calorimétrie diatherme, DSC). Des approches théoriques/prédictives sont également développées (méthodes ab initio, modèles prédictifs pour systèmes oxydes, approche CALPHAD, …). Diverses bases de données thermodynamiques sont utilisées voire complétées par des études menées au CIRIMAT.

Certains membres de cet Axe Transverse sont directement impliqués dans des réseaux/sociétés savantes en lien avec la thématique de la Thermodynamique des Matériaux (GdR TherMatHT, GdR Solidification, GdR ModMat, AFCAT, Réseau de Chimie Théorique Français, …).

Au démarrage de cet Axe Transverse (2016), différents projets d’interaction inter-équipes sont initiés/envisagés, soit d’un point de vue expérimental, soit sur des aspects plus théoriques, dans le but d’explorer plus avant les propriétés thermodynamique des matériaux étudiés au CIRIMAT et de mieux comprendre leur comportement en conditions d’usage.

Séminaire : Axe Transverse Thermodynamique des Matériaux 15 juin

Axe Transverse Fabrication Additive (2016-2020)

Coordination : Ghislaine Bertrand

Equipes : MEMO, NNC, OVM, PPB, RTS, SURF

Les secteurs de développement de la fabrication additive pour la réalisation de pièces fonctionnelles concernent actuellement la santé, le transport, l’énergie, le luxe…

Le CIRIMAT, engagé dans ces domaines depuis de nombreuses années, explore le potentiel de la fabrication additive pour répondre aux nouveaux défis comme la personnalisation des dispositifs médicaux, l’allègement des structures, l’assemblage multimatériaux…

Doté de deux machines de fusion/frittage laser sur lit de poudre (SLM/S), une ProX_DM200 de la société Phenix Systems-3D Systems, une Creator R de Orlaser mais aussi de petites machines d’impression par extrusion d’un fil polymère ou d’une pâte, le CIRIMAT déploie ses compétences pour la maîtrise des microstructures, le développement de nouveaux précurseurs/alliages, la maîtrise des contraintes résiduelles, la finition des surfaces, la maîtrise des interfaces multimatériaux.

Les activités en cours au sein de l’Axe Fabrication Additive portent sur l’étude :

  • De la relation microstructure-propriétés mécaniques initiales et en service de pièces métalliques élaborées par SLM
  • Du comportement de poudres céramiques commerciales ou synthétisées au laboratoire sous faisceau laser et la modification de la chimie de ces précurseurs afin d’optimiser leur frittage
  • De l’adaptation mécanique et chimique des interfaces pour un système multi matériaux
  • Des contraintes générées dans une pièce métallique élaborée par SLM et de leur maîtrise
  • De la transformation des alliages métalliques et des précurseurs en général sous l’effet du laser et de l’implication sur les propriétés attendues
  • De la durabilité des pièces élaborées par SLM, des défauts et de la tolérance aux dommages.

Ces activités se déclinent notamment dans le cadre de travaux de thèse mais également dans le cadre de projets étudiants et travaux de recherche propre.

Revêtements de protection à haute température pour applications aéronautiques (2009-2015)

Revêtements de protection à haute température pour applications aéronautiques

Mise à jour : 5/06/2014

Equipes impliquées

Thème impliquant principalement les équipes MEMO, RTS et NNC

Coordinateurs

Daniel Monceau avec Florence Ansart et Claude Estournès

Bilan 2009-2014

Le CIRIMAT développe et caractérise de nouveaux revêtements pour des applications aéronautiques à haute température. En se chargeant de la formulation, de l’élaboration et de l’évaluation des propriétés de ces systèmes, le CIRIMAT peut développer des solutions innovantes et répondre à une problématique R&D industrielle, depuis l’analyse des sollicitations supportées par le matériau jusqu’au prototypage de systèmes.

Trois familles de revêtements sont actuellement en cours d’étude ou de développement :

  • Systèmes de barrières thermiques et environnementales pour aubes et chambres de combustion de turbines à gaz, partie sous-couche et partie céramique isolante ;
  • Revêtements abradables, abrasifs et revêtements anti-usure pour hautes températures ;
  • Revêtements anti-corrosion et oxydation pour alliages à base de nickel.

L’association des compétences des trois équipes concernées a permis :

  • D’optimiser l’élaboration de nouvelles barrières thermiques par voie sol-gel et électrophorèse ainsi que leur mise en forme (dip-coating ou spray-coating) afin d’obtenir de bonnes performances en cyclage thermique et/ou aux agressions environnementales (1 brevet) ;
  • De tester la réparation localisée de barrière thermique après endommagement partiel de pièces rebutées, grâce au procédé sol-gel ou par le procédé de frittage flash (2 brevets) ;
  • D’élaborer de nouvelles compositions de sous-couches de systèmes barrière thermique de type aluminiure de nickel enrichi en platine et dopé en éléments réactifs ou de type NiCoCrAlY modifiés Pt et/ou Al, voire même de réaliser des systèmes barrière thermique complets en une seule opération grâce à l’élaboration rapide permise par le procédé SPS (Spark Plasma Sintering) : 2 brevets. La réalisation de barrière thermique complète (superalliage/sous-couche métallique/alumine/zircone yttriée poreuse) en une seule étape a été une première mondiale (2 brevets). L’étude des caractéristiques de ses systèmes va continuer à être étudiée ainsi que la possibilité de revêtir des formes de complexité croissante ;
  • De tester la durabilité (cyclage thermique, érosion) des nouveaux revêtements élaborés qui ont pu être comparés aux revêtements actuellement utilisés dans l’industrie ;
  • De réaliser des composites métal/céramique par mélange de poudres et frittage SPS, avec différents taux de porosité, et de tester leur stabilité thermique et leur réactivité à haute température. Des revêtements de même nature ont été élaborés sur des superalliages de formes simples (pions cylindriques) afin de sélectionner des compositions de revêtements abradables pour anneaux de turbines à gaz. Des revêtements abradables parmi les plus performants ont également été élaborés sur des formes complexes de type secteurs ;
  • D’élaborer par Frittage Flash des dépôts ultra-réfractaires denses sur des substrats composites de type barreaux cylindriques, fournis par le partenaire industriel ;
  • De réaliser des barrières thermiques auto-cicatrisantes (composites zircone stabilisée à l’yttrine – MoSi2) dans le cadre du projet européen SAMBA du FP7 (http://www.sambaproject.eu/index.php?option=com_content&view=article&id=13&Itemid=115)
  • De réaliser des « smart TBCs », c’est-à-dire des systèmes barrière thermique multicouches et multifonctions (anti-CMAS, anti-erosion, luminophores - en utilisant la durée de vie de luminescence …), à partir du procédé sol-gel (1 brevet) ou du frittage flash (1 brevet).

Ce travail est réalisé dans le cadre de plusieurs thèses (Justine Fenech, Lisa Pin, Guillaume Pujol, Fabien Blas, Mathieu Boidot, Serge Selezneff, Franck Nozahic), de post docs et d’ingénieurs (Aude Paillassa, Nicolas Ratel (post-doc), Romain Epherre (post-doc), Yannick Beynet (IE)). Il est ou a été financé par divers contrats directs avec nos partenaires industriels (Turboméca, Snecma, Herakles), par des projets soutenus par la DGA et l’ANR inter-Carnot CISBAT (coll. ENSTIMAC-ICA). Les tests d’érosion de barrières thermiques ont été réalisés à l’Université de Cranfield. Des travaux sur les revêtements photoluminescents ont été menés avec succès en collaboration avec l’ICA du site d’Albi et avec STS à l’Imperial College à partir de zircones dopées par des terres rares (Sm, Er, Dy).