Synthèse Combinatoire de Spinelles comme barrière à l'Hydrogène dans les Aciers
La couche d’oxyde croissant naturellement sur les aciers constitue une barrière ‘naturelle’ à l’entrée ou à la désorption d’hydrogène : pour le stockage et le transport de H2, l’effet barrière est bénéfique car il réduit les risques de fragilisation par l’hydrogène du métal sous-jacent ; pour les électrolyseurs, il permettrait de réduire les pertes en ligne par perméation (fuite) à travers les conduits en limitant la désorption ; dans les applications nucléaire de type fusion, ils formeraient une barrière radiologique pour le tritium. Or les valeurs des paramètres {diffusion ; solubilité ; perméabilité} pour l’hydrogène dans les nombreuses compositions et structures d’oxydes possibles, nécessaire pour quantifier cet effet barrière, sont quasi-inexistantes dans la littérature. L’objectif principal de la thèse sera de générer rapidement une base de données fiable sur un grand nombre de compositions et microstructures d’oxydes de fer. Le/la doctorant/e combinera des méthodes de synthèse et de screening rapides (synthèse combinatoire d’oxydes à base Fer de structures et compositions variables par HiPIMS, contrôle in situ et optimisation par IA, à consolider) à des techniques de caractérisation locales de la distribution d’hydrogène (SIMS, nanoSIMS) via l’usage de traceurs isotopiques (deutérium) après exposition gazeuse dans un dispositif maison. Les profils de concentration seront traités via une routine développée (Python) par le/la doctorant.e, prenant en compte la dualité composition chimique et microstructure des oxydes. L’attendu final est une cartographie ‘3D’ des paramètres de transport de l’hydrogène dans des quaternaires {Fe, O, Métal1, Métal2} incluant la notion de microstructure de l’oxyde. La démarche pourra être appliquée à d’autres systèmes, voire orientée vers la recherche de compositions de revêtements optimisées.
Méthode de simulation d’écoulements compressibles par des méthodes de discrétisation décalées
Les codes de thermohydraulique nécessitent des méthodes numériques robustes et précises, capables de traiter des écoulements multiphasiques couvrant une large gamme de nombres de Mach. Dans ce contexte, les méthodes sur maillage décalé offrent un cadre particulièrement intéressant. Cette thèse s’inscrit dans la continuité de travaux récents menés dans le cadre d’une thèse précédente, qui ont conduit au développement d’une nouvelle méthode présentant des propriétés théoriques et numériques prometteuses. L’objectif est de poursuivre ces travaux et d’en étendre le champ d’application. Une première partie sera consacrée à l’étude théorique de la version explicite du schéma appliqué au modèle de mélange à dérive, afin d’établir ses propriétés de conservation, son comportement dans la limite des faibles nombres de Mach et la convergence des solutions numériques. La méthode sera ensuite étendue au modèle diphasique de Baer-Nunziato, dans lequel les deux phases possèdent des vitesses et des pressions distinctes. Enfin, des techniques de reconstruction d’ordre élevé seront étudiées afin d’améliorer la précision du schéma en réduisant la dissipation numérique. Les résultats attendus sont une meilleure compréhension mathématique de ces schémas et le développement de méthodes numériques robustes et précises adaptées à un usage industriel. Ces méthodes seront tout d’abord validées dans un code de recherche en C++ et Python, puis intégrées et évaluées dans la plateforme open source TRUST dédiée aux simulations thermohydrauliques haute performance.
Investigation des Modes de Dégradation des modules PV pour les applications en Moyenne Tension
Afin de réduire les pertes énergétiques et les coûts, les centrales photovoltaïques ont vu leur niveau de tension augmenter, qui devrait dépasser les 1500 Vdc normatifs pour atteindre jusqu’à 3000 Vdc prochainement. Des tensions encore plus élevées, jusqu'à 9000 V, pourraient offrir des avantages économiques très significatifs.
L'augmentation de la tension pose des défis scientifiques majeurs car elle se retrouve à l’intérieur de certains modules PV entre le cadre métallique et les cellules. Cela entraîne des dégradations regroupées sous le terme de Potential-Induced Degradation (PID), entraînant des pertes de puissance significatives. Ces dégradations peuvent avoir plusieurs origines : un court-circuit de la jonction PN (PID-s), une dépolarisation de la couche de passivation de la cellule solaire (PID-p) ou une corrosion de la métallisation (PID-c). La compréhension des phénomènes de PID à tension moyenne reste limitée, et il manque des études complètes sur les matériaux des modules, l'interaction entre PID et vieillissement, ainsi que le comportement du PID dans des technologies de cellules avancées.
La thèse proposée vise à identifier les propriétés des matériaux nécessaires pour que les modules PV puissent supporter des tensions élevées, en combinant approche expérimentale et simulation.
Le doctorant devra caractériser les matériaux PV (verres, encapsulants) sous des tensions allant jusqu’à 9000 V, évaluer l'impact du vieillissement sur les propriétés de ces matériaux, étudier l'influence des conditions environnementales sur le PID, modéliser la distribution du champ électrique dans les modules PV, et développer des stratégies de mitigation du PID. Cette recherche sera réalisée en collaboration entre le G2Elab et le CEA, combinant expertise en caractérisation des matériaux sous moyenne tension et fabrication des modules photovoltaïques.
Nouvelles stratégie pour l'optimisation de modèles thermodynamiques prédictifs
Les modèles thermodynamiques prédictifs, développés par la méthode Calphad, sont essentiels pour concevoir de nouveaux matériaux en anticipant leur comportement sans recourir à des expériences coûteuses et longues. Ces modèles permettent d'extrapoler les propriétés de matériaux complexes, de prévoir leur comportement dans des environnements extrêmes et de lier les propriétés énergétiques aux performances en service. Cependant, les méthodes actuelles de développement de ces modèles sont complexes et les incertitudes ne sont pas quantifiées avec les logiciels existants. Les scientifiques doivent encore s'appuyer sur leur expertise pour ajuster et valider ces modèles, ce qui est chronophage et peu adapté à l'ère de l'automatisation.
Pour remédier à cela, il est proposé de développer un outil numérique fiable, autonome et rapide, capable d'optimiser les modèles thermodynamiques en se basant uniquement sur des données expérimentales fournies par les utilisateurs. L'objectif est de fournir des modèles simples, fiables, validés et modulaires, permettant aux utilisateurs de prendre des décisions stratégiques en toute confiance, comme évaluer de nouvelles conditions de procédé ou optimiser la fabrication sans risquer des extrapolations incertaines. Ce projet vise à combler le fossé entre les données expérimentales spécifiques et les méthodes modernes de programmation non linéaire, en utilisant des approches d'optimisation avancées.
Etude du comportement en fatigue à très grand nombre de cycles de l’acier inoxydable martensitique 13-4 élaboré par Laser Metal Deposition : influence de la microstructure, des post-traitements et de la température
Les recherches récentes sur l’acier inoxydable martensitique 13-4 fabriqué par impression 3D métallique, notamment par le procédé Laser Metal Deposition (LMD), ont permis d’obtenir des matériaux présentant de bonnes propriétés mécaniques. Après cette phase d’optimisation, les travaux se concentrent désormais sur l’étude de leur comportement en fatigue à très grand nombre de cycles (VHCF), un critère essentiel pour les pièces soumises à des sollicitations répétées en conditions sévères.
La fatigue est l’une des principales causes de rupture des composants métalliques en service. Cette thèse vise donc à comprendre et modéliser le comportement en fatigue de l’acier 13-4 élaboré par LMD. Les travaux menés viseront à étudier l’influence de la microstructure, des traitements thermomécaniques et des conditions d’essais sur l’initiation et la propagation des fissures au cours des sollicitations mécaniques.
Les essais expérimentaux seront réalisés à l’aide de dispositifs de fatigue ultrasonique. Les mécanismes de rupture seront analysés grâce à des techniques de caractérisation multi-échelles comme l’EBSD, le MEB et le TEM. L’objectif final est de développer un modèle prédictif capable de prédire la durée de vie des composants en conditions de fonctionnement.
Compréhension des évolutions microstructurales au cours des traitements thermiques pour les aimants SmCo riches en fer
Les performances magnétiques des aimants en SmCo (rémanence et coercitivité) sont liées à leur microstructure. La microstructure finale sera développée après frittage lors de traitements thermiques d’homogénéisation et de vieillissement. La température et/ou la durée optimales de ces traitements dépendent de la composition de l'aimant. L'un des axes de développement majeurs pour les aimants commerciaux Sm2Co17 consiste à obtenir à la fois des performances magnétiques élevées et une réduction des matières critiques (le cobalt notamment). Ceci est réalisé par substitution d’une partie de Co avec du Fe, ce qui permet également de réduire les couts des matières premières. Cependant, la littérature montre que lorsque la teneur en Fe dépasse 20 % en poids, la coercitivité des aimants est détériorée.
L’objectif de la thèse sera de comprendre le rôle et la sensibilité des paramètres du procédé qui pilotent l’évolution de la microstructure au sein d’aimants Sm2Co17 riches en Fe et des propriétés qui en découlent. Ces évolutions seront suivies par différentes caractérisations (analyses chimiques, mesures magnétiques, observations MEB et MET, …) effectuées sur des échantillons prélevés lors des différentes étapes du procédé. L’objectif est de suivre de façon systématique (et pour la première fois sur ce type d’aimants) les transformations structurales (ségrégations chimiques, évolution de la teneur en Sm, présence de défauts, contamination en oxygène, etc…) intervenant, depuis la synthèse de l’alliage jusqu’à l’aimant final. Ces caractérisations doivent permettre d’aboutir à une description des mécanismes de formation de la microstructure attendue. Ces mécanismes sont activés lors des différents traitements thermiques mais l’influence de l’état métallurgique et chimique (par exemple la densité de défauts et l’inhomogénéité chimique) hérité des étapes précédentes du procédé est encore mal connu et devra être précisé.
Croissance de FAPbBr3 par CSS pour la détection des rayons X
Les pérovskites halogénées au plomb, et notamment les matériaux hybrides organiques-inorganiques à base de formamidinium possèdent des propriétés opto-électroniques exceptionnelles qui ont été intensivement exploitées pour les applications PV. Dans cette famille de matériaux, le FAPbBr3 est également particulièrement prometteurs pour la détection des rayons X pour les applications médicales. Mais cette technologie nécessite de savoir déposer des couches épaisses (>100 µm) sur de grandes surfaces. Le CEA-LITEN a développé pour les pérovskites inorganiques une approche innovante de dépôt par sublimation en espace proche (CSS) répondant à ces critères. Très récemment, il a été montré qu’il était possible de déposer également le FAPbBr3 par cette méthode, une première mondiale.
Mais les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et des pérovskites hybrides par CSS sont largement incompris, et les possibilités offertes par cette méthode de dépôt entièrement à explorer. Par ailleurs, ces résultats sont également extrêmement prometteurs pour les applications PV car une même croissance est attendue en substituant le Br pour former du FAPbI3.
Cette thèse vise à (i) déterminer et optimiser les conditions de croissance par CSS pour les couches de FAPbBr3, (ii) comprendre par des caractérisations avancées (in-situ et ex-situ) les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et (iii) optimiser les dispositifs pour la détection des rayons X. L’extension de ces travaux au FAPbI3 pour les applications PV est également attendue. La nouveauté de cette approche et la possibilité d’adresser plusieurs applications offre des perspectives de publications et brevets.
Vers une localisation robuste des séismes et une quantification réaliste des incertitudes associées: développements méthodologiques et applications à l'île de Céphalonie (Grèce occidentale) et à la moyenne Durance (France)
Cette thèse vise à développer un cadre méthodologique robuste pour la localisation des séismes et la quantification réaliste des incertitudes dans le contexte des réseaux sismologiques denses. Malgré les progrès récents en détection automatique, apprentissage profond et relocalisation des événements, les erreurs liées aux modèles de vitesse et à la géométrie des réseaux restent une source majeure d'incertitude, souvent sous-estimée par les approches classiques. Le projet comparera différentes méthodes de détection, de pointé des phases et de localisation afin d'identifier leurs performances et leurs limites respectives. Une attention particulière sera portée à la séparation et à la quantification des différentes sources d'incertitude (pointés, modèle de vitesse, configuration du réseau..). Les développements s'appuieront principalement sur les données enregistrées sur l'île de Céphalonie (Grèce). Dans un second temps, les méthodologies seront appliquées à la région de la Moyenne Durance (France) afin d'évaluer leur applicabilité dans un contexte de sismicité plus faible. Les résultats contribueront à l'amélioration des catalogues sismiques, à une meilleure compréhension des processus tectoniques.
Développement de matériaux piézoélectriques KNN durables et flexibles : vers une alternative aux céramiques à base de plomb et aux polymères fluorés
Le sujet vise à développer des films minces piézoélectriques à base de niobate de potassium et de sodium (KNN), sans plomb et sans PFAS (substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées), compatibles avec des substrats flexibles, en réponse directe aux contraintes réglementaires et environnementales croissantes pesant sur les matériaux piézoélectriques conventionnels. Les céramiques PZT (titano-zirconates de plomb) et les polymères PVDF (polyfluorure de vinylidène) , aujourd’hui majoritaires, présentent en effet des limitations majeures liées respectivement à la toxicité du plomb et à la persistance environnementale des PFAS. Dans ce contexte, l’identification de matériaux alternatifs durables et intégrables constitue un enjeu stratégique pour le CEA, notamment pour l’électronique flexible appliquée aux dispositifs médicaux, embarqués et responsables.
Les KNN figurent parmi les alternatives les plus prometteuses grâce à leurs propriétés piézoélectriques élevées et à leur température de Curie élevée. Leur intégration sous forme de couches minces reste toutefois fortement limitée par des températures de cristallisation supérieures à 600 °C, incompatibles avec les substrats polymères. L’objectif du projet est de lever ce verrou en développant un procédé innovant de dépôt par voie sol-gel combustion, permettant une cristallisation localisée ou globale à basse température (<350 °C), compatible avec des substrats flexibles. Au-delà du système KNN, cette approche pourrait constituer un levier méthodologique générique, transposable à une large gamme d’oxydes fonctionnels (semi-conducteurs, diélectriques, ferro- et magnéto-électriques), avec un impact transverse fort pour plusieurs thématiques du CEA.
Le projet se positionne de manière fortement différenciante par rapport à l’état de l’art, où peu de travaux démontrent une cristallisation fonctionnelle d’oxydes complexes à basse température sur substrats flexibles. Il contribuera à positionner les équipes du CEA comme acteurs pionniers, voire leaders, sur les matériaux oxydes post-PZT et post-PVDF-TrFE, et plus largement sur les procédés basse température pour l’électronique durable.
Le programme de travail repose sur une collaboration structurante entre les laboratoires du Liten et de l’IRIG, combinant synthèse chimique, ingénierie des précurseurs, procédés de dépôt et caractérisations structurales et électro-fonctionnelles avancées. Le financement permettra le recrutement d’un doctorant, acteur central de cette collaboration, qui développera une expertise transverse rare à l’interface entre chimie des matériaux, physique des couches minces et procédés basse température, contribuant durablement au renforcement des compétences du CEA.
Les résultats attendus incluent la démonstration de films minces KNN cristallisés à basse température sur substrats flexibles, la levée de verrous procédés majeurs, des publications de haut niveau, des brevets, et la consolidation d’un socle méthodologique exploitable à l’échelle du CEA pour le développement de matériaux oxydes fonctionnels innovants.
Caractérisation des propriétés physico-chimiques de résidus solides issus de carbonisation hydrothermale de biomasses
La carbonisation hydrothermale (HTC pour Hydrothermal Carbonisation) est un procédé de conversion thermochimique mené en milieu aqueux entre 180 et 260°C, à une pression de 2 à 6 MPa. Le produit principal issu de la biomasse est un résidu solide carboné (appelé hydrochar). Les applications envisagées pour l’hydrochar sont variées : combustion, gazéification, adsorption, catalyse, amendement des sols, carbone dur pour accumulateurs Na-ion, …, chacune nécessitant des propriétés spécifiques.
L’objectif de la thèse est de caractériser et mieux comprendre l’origine de différentes propriétés physico-chimiques des résidus carbonés issus de l’HTC de biomasses. L’attention sera portée en particulier à l’hydrophobicité et aux capacités de séchage, aux caractéristiques physiques et texturales des particules obtenues (porosité, granulométrie, surface spécifique) ainsi qu’aux caractéristiques chimiques (composition). L’influence du type de biomasse et des conditions de l’HTC sur ces propriétés sera évaluée.
La démarche s’appuiera sur : des expérimentations HTC en réacteurs batch sur différentes biomasses préalablement sélectionnées, ainsi que la mise en œuvre de différentes techniques de caractérisation des hydrochars ; une analyse des résultats visant à déterminer des corrélations entre les caractéristiques, en élucidant les liens entre la ressource et les propriétés de l’hydrochar en fonction des conditions opératoires.