Étude thermodynamique des matériaux à transition métal-isolant - Le cas du VO2 dopé pour les applications de fenêtres intelligentes
Ce post-doc vise à développer une base de données thermodynamiques spécifique sur le système V-O-TM (TM=Fe,Cr,W) en utilisant l'approche CALPHAD. Le candidat mènera des campagnes expérimentales afin d'obtenir des données pertinentes pour alimenter les modèles thermodynamiques. Le candidat utilisera principalement l'équipement expérimental disponible au laboratoire (DTA, fours de recuit, spectrométrie de masse à haute température, chauffage laser, SEM-EDS). En outre, le post-doc pourra participer à des activités combinatoires à haut débit menées par d'autres laboratoires du consortium Hiway-2-Mat (par exemple, ICMCB à Bordeaux), permettant une meilleure connexion entre les résultats de la simulation CALPHAD et la plateforme de caractérisation accélérée. La base de données thermodynamiques sera ensuite incluse dans la routine de recherche autonome mise en œuvre dans la voie d'exploration des matériaux.
Limitation de la réaction alcali-silice au sein de bétons formulés pour le conditionnement de concentrats d’évaporation
La production d’électricité d’origine nucléaire génère des déchets radioactifs dont la gestion constitue un enjeu industriel et environnemental de premier plan. Ainsi, les effluents aqueux de faible ou moyenne activité peuvent être concentrés par évaporation, puis immobilisés en matrice cimentaire avant d’être envoyés en stockage. Des interactions peuvent néanmoins se produire entre certains constituants du déchet et les phases cimentaires ou les granulats et affecter la stabilité du matériau obtenu. Ainsi, la formation d’une substance gélatineuse a-t-elle été observée à la surface de certains colis de concentrats d’évaporation cimentés, produits dans les années 1980 en Belgique. Elle résulte d’une réaction entre la silice des granulats et la solution interstitielle très alcaline du matériau cimentaire. Ses propriétés diffèrent cependant de celles des gels d’alcali-réaction classiquement décrits dans le génie civil. Un travail préliminaire a permis de mieux comprendre les processus impliqués dans la formation du gel au sein des enrobés de concentrats et de caractériser ses propriétés, en lien avec sa composition et sa structure. Le projet de post-doctorat s’appuiera sur les résultats obtenus pour étudier deux approches visant à limiter le développement de la réaction alcali-silice : la diminution du taux de saturation en eau des enrobés et/ou la réduction du pH de sa solution interstitielle par carbonatation en milieu supercritique.
Ce projet de recherche s'adresse à un post-doctorant souhaitant développer ses compétences en science des matériaux et ouvrir de nouvelles perspectives pour la gestion de déchets radioactifs. Il sera mené en partenariat avec l’ONDRAF, l’Agence en charge de la gestion des déchets radioactifs en Belgique, dans le cadre d’une collaboration entre deux laboratoires du CEA Marcoule, le Laboratoire d’Etude des Ciments et Bitumes pour le Conditionnement et le Laboratoire d’Etude des Procédés Supercritiques et de Décontamination.
Conception du packaging des modules PV de haute performance
La durée de vie de nouvelles générations de modules photovoltaïques est de 25-30 ans en conditions externes. Le packaging joue un rôle critique pour répondre à ses exigences de fiabilité et de durabilité. Les cellules solaires sont protégées par du verre en face avant et des couches plastiques complexes sont employées comme encapsulant en face avant et arrière, en contact avec la face arrière. Les encapsulants ont de multiples rôles; forment une couche barrière contre l’humidité, oxygène, radiation ultra-violet, assurent l’isolation électrique et la protection mécanique des plaquettes de silicium fragiles tout en gardant une transparence optique élevée. Le procédé de fabrication industriel des modules est la lamination, qui impose des exigences supplémentaires pour la formulation des encapsulants.
L’objectif de ce post-doc est d’établir une corrélation entre les propriétés des matériaux, leur mise en forme et le comportement thermo-mécanique des modules innovants avec des cellules hétérojonctions, back-contact ou silicium/pérovskite tandems. La caractérisation avancée des polymères sera étroitement déployée lors de cette étude utilisant notamment DSC, DMA, adhésion, ATG, WVTR, extraction Soxhlet etc. La corrélation entre les paramètres de la lamination et la tenue mécanique des panneaux constituera un des axes majeurs de recherche. Le choix des encapsulants et de tous les matériaux sera fortement guidé par l’éco-conception pour réduire l’impact environnementale du packaging et augmenter la recyclabilité, et renforcer le ré-emploi des plastiques. Ce post-doc s’inscrit dans une collaboration européenne sur le sujet.
Application de l’intelligence artificielle à l’identification d’objets dans des images de microscopie électronique en Transmission (TEM)
La caractérisation d’objets de taille nanométrique par microscopie électronique à transmission (MET) est essentielle pour évaluer le comportement mécanique des matériaux de structure des réacteurs nucléaires ou dans le domaine de la nanotechnologie. Ces objets, visibles par contraste de phase (nanobulles) ou contraste de diffraction (boucles de dislocation ou précipités cohérents), sont des candidats de choix à l'automatisation. L'analyse manuelle de ces micrographies est souvent chronophage et non reproductible. Dans ce projet, l'objectif est de développer des outils informatiques en Python basés sur des techniques d'apprentissage automatique pour traiter des images de MET. Pour cela, le travail se décompose en plusieurs tâches:
- Recueil d’une base de données conséquente, indispensable au succès de toute approche de ce type. Dans ce projet, quatre microscopistes sont impliqués et enrichiront en permanence la base de données avec des images contenant des caractéristiques facilement reconnaissables.
- Débruitage des images et recherche des contours des objects (défauts) à la fois grâce à des logiciels en libre accès existants et à des descripteurs développés en interne. Une région d'intérêt (ROI) représentative sera générée sur les images.
- Conception de l'architecture du réseau de neurones de type CNN et apprentissage du modèle: Une identification collective sera effectuée sur l'ensemble des images afin d'identifier certaines régions (ou objets) d’intérêt (ROI). Chaque ROI est ensuite superposé à l’image initiale et est transmise au réseau de neurones pour établir des identifications particulières. Par ailleurs, les avancées récentes en matière de segmentation d'images seront intégrées au processus.
- Appréciation de la performance du modèle
Le processus sera appliqué à des défauts nanométriques formés dans des matériaux nucléaires (alliages à haute entropie sans Co, UO2) ainsi qu’à des précipités dans des matériaux d'intérêt technologique (Cr dans Cu).
Aimants permanents pauvres en terres rares
La transition énergétique va entrainer une très forte croissance de la demande en terres rares (TR) au cours de cette décennie, notamment en ce qui concerne les éléments (Nd, Pr) et (Dy, Tb). Ces TR, classées comme matériaux critiques, sont utilisées de façon quasi exclusive pour produire des aimants permanents de type NdFeB dont ils constituent 30% de la masse.
Plusieurs études récentes, visant à identifier de nouveaux alliages pauvres en TR et présentant des performances comparables à la phase magnétique dense Nd2Fe14B, positionnent les composés ferromagnétiques durs de type TR-Fe12 comme des solutions de substitution crédibles, permettant d'économiser plus de 35% la quantité de TR tout en gardant des propriétés magnétiques intrinsèques proches de celles de la composition Nd2Fe14B. Cependant, les développements industriels de ces alliages ne peuvent pas encore être envisagés du fait de verrous technologiques et scientifiques importants qui restent à lever afin de pouvoir produire des aimants denses de type TR-Fe12 dont la résistance à la désaimantation serait suffisante pour les applications courantes (coercitivité Hc > 800 kA/m)..
Le but du projet post-doctoral proposé est de développer des alliages Nd-Fe12 avec des performances magnétiques intrinsèques optimales et de maitriser le frittage basse températures des poudres nitrurées pour obtenir des aimants denses, avec des coercitivités > 800 kA/m, pour répondre à des applications dans la mobilité électrique.
Deux verrous technologiques et scientifiques ont été identifié:
- la compréhension du rôle des phases secondaires aux joint de grains sur la coercitivité. Ceci permettra d'implémenter le procédé d'ingénierie aux joints de grains, connu pour avoir apporté des améliorations significatives dans la coercitivité pour les aimants NdFeB
- la maitrise de l'étape de frittage des poudres à basses températures, pour éviter la décomposition de la phase magnétique, en utilisant les phases aux joints de grains
Soudage laser de matériaux hautement réfléchissants à l'échelle sub-millimétrique
Dans le cadre du programme "Simulation", le CEA réalise des expériences sur lasers de puissance mettant en œuvre des objets à forte valeur ajoutée. Ces objets, les microcibles, sont des assemblages complexes d'éléments variés, dont la fabrication requiert des procédés sophistiqués, à la limite de la rupture technologique. Parmi ces technologies, le CEA souhaite développer ses capacités de soudage par laser, à l'échelle sub-millimétrique. Un défi majeur réside dans le soudage de matériaux hautement réfléchissants (aluminium, cuivre, or,...), pour accéder à de nouvelles fonctionnalités (jonction métallurgique, étanchéité,....).
L'objectif de ce post-doctorat est de développer des solutions technologiques pour la réalisation d'assemblages soudés, et de comprendre l'interaction laser/matière associée. L'intérêt, mais aussi la difficulté, de l'étude réside dans les différents critères que doivent respecter les procédés : 1) être compatibles de matériaux hautement réfléchissants et de très faibles épaisseurs (< 0,2 mm) , 2) induire des effets collatéraux (thermiques notamment) extrêmement localisés, 3) fonctionnaliser le joint soudé (étanchéité par exemple).
Le postdoctorant(e) exploitera la dernière génération de source laser émettant dans des longueurs d'onde visibles (vert, bleu). Il/elle participera à la conception et aux tests de qualification de la station laser associée à cette nouvelle source. Après validation, il/elle réalisera l'étude de la soudabilité opératoire et métallurgique des sous-éléments. Il/elle comparera ses résultats avec l'utilisation d'un laser infrarouge impulsionnel. Il/elle expertisera les joints obtenus à l'aide de différentes approches et optimisera la conception des joints soudés. Son étude expérimentale ira jusqu'à la réalisation de tests fonctionnels sur prototypes. Des collaborations externes seront mises en place afin de confronter les résultats obtenus à des simulations afin d'en déduire un modèle phénoménologique.
Synthèse par fabrication additive de membrane de géopolymères fonctionnalisés à porosité hiérarchisée pour le traitement d’effluents radioactifs complexes
Dans le cadre du traitement de déchets liquides sur des supports solides, le développement et la mise en forme par impression 3D de nouveaux matériaux composites sous forme de filtre membranaire à porosité multiéchelle (du nm au micron) revêt une importance toute particulière pour la décontamination de ces effluents aqueux.
L’objectif de ce travail est de développer un module membranaire permettant de produire, à partir d’un effluent comportant des traces de matière en suspension (MES de taille supérieure au micron) et d’espèces ioniques, un effluent clarifié et compatible avec une filière de rejet ou un exutoire. L’enjeu est ainsi d’étudier la mise en forme d’un matériau sous la forme d’une membrane de filtration qui permettra de piéger en une seule étape des traces de matières en suspension (MES) et des espèces ioniques. Afin de permettre cette double fonction, des matériaux céramiques composites tels que les géopolymères fonctionnalisés avec des adsorbants sélectifs et possédant plusieurs échelles de porosité devront être mis en forme grâce à la fabrication additive. Le candidat, basé essentiellement au CEA/ISEC à Marcoule, devra dans un premier temps de formuler une pâte de géopolymère fonctionnalisée dont les propriétés rhéologiques sont compatibles avec les contraintes de fabrication additive. Une membrane de filtration tangentielle à macroporosité contrôlée sera alors imprimée en optimisant la géométrie du maillage. Enfin, des essais de filtration tangentielle et de sorption seront réalisés sur des effluents modèles, en présence de particules solides de taille adaptée et en présence d’ions d’intérêt tels que le césium et le strontium. La pertinence de l’architecture membranaire imprimée sera donc évaluée vis-à-vis des MES et des radioéléments à piéger.
La candidat devra présenter des compétences en rhéologie, en procédés et en modélisation.
Développement de substrats grande surface pour l’électronique de puissance
L’amélioration des performances des composants en électronique de puissance constitue un enjeu majeur pour la réduction de notre consommation d’énergie. Le diamant apparaît comme le candidat ultime pour l’électronique de puissance. Cependant les petites dimensions et le prix des substrats sont des freins à l’utilisation de ce matériau. L’objectif principal du travail est de dépasser ces deux difficultés en découpant les échantillons en couches minces par SmartCut™ et en réalisant un pavage de ces couches minces pour obtenir des substrats compatibles avec la microélectronique.
Pour cela, différentes expériences seront réalisées en salle blanche. Dans un premier temps, il faudra fiabiliser le procédé SmartCut™. Des caractérisations du type microscopie optique, AFM, MEB, Raman, XPS, électriques… seront réalisées afin de mieux comprendre les mécanismes qui entrent en jeu dans ce procédé.
Le candidat pourra être amené à travailler sur les autres matériaux grand gap étudiés au laboratoire comme le GaN et le SiC ce qui lui permettra d’avoir une vision élargie sur les substrats pour l’électronique de puissance.
Construction d'un modèle numérique à l'échelle mésoscopique de pièces composites macroscopiques
La modélisation des matériaux composites à renfort fibreux à fibres continues (préforme) peut être réalisée à l’échelle mésoscopique par éléments finis en maillant la préforme tissée ainsi que la matrice. La géométrie de ces constituants peut être générée à partir d’une géométrie idéale ou issue d’imagerie par tomographie X (jumeau numérique). Une limite reste cependant le volume de matériau pouvant être représenté. Si le calcul classique par éléments finis est envisageable pour le matériau moyen, au point courant, les singularités géométriques (renfort, liaison, etc.) sont difficiles à prendre en compte (nombre de mailles important). Il est alors nécessaire de recourir à un calcul multi-échelle méso-macro. De récents développements en calcul par éléments finis montrent que la résolution du problème posé par le calcul sur modèle numérique d’une structure macroscopique décrite à l’échelle méso est possible en découpant ce calcul macros en une série de calculs mésos ("décomposition en sous-domaines"). Il faut alors disposer d’une description numérique macroscopique du composite, y compris dans les zones de singularités. L’objectif du stage post-doctoral proposé est de construire un outil logiciel permettant de reproduire une architecture composite (renfort à fibres continues) d’une pièce de forme donnée. Une attention particulière sera portée aux géométries de renfort possibles (tissés, rapportés, ...). Le choix des outils utilisés (mailleur, langage, …) sera étudié au début du stage.
Description de l’évolution de la taille de grain et des densités de dislocations lors de la consolidation des aciers ODS
Les aciers renforcés par une dispersion d’oxydes nanométriques (généralement désignés aciers ODS) sont envisagés notamment comme matériau de gainage combustible des réacteurs de 4ème génération. Ces matériaux sont à l’heure actuelle élaborée classiquement par métallurgie des poudres. L‘évolution de la microstructure lors de l’élaboration n’est pas encore bien décrite. Des travaux récents menés au laboratoire ont porté sur l’évolution de la nano-précipitation lors de l’élaboration. L’objectif du post-doctorat est donc d’affiner la description de cette évolution, plus particulièrement vis-à-vis de la taille de grain et de la densité de dislocations. Ce sujet couple une approche expérimentale, aux travers d’analyses en microscopie électronique et en diffraction des rayons X, et une approche numérique, visant à définir une méthode optimisée pour le traitement de l’évolution des dislocations.