De la recherche fondamentale au partenariat industriel

Bilan MINAMAS

Chapitres
  1. Bilan MINAMAS
  2. Projet MINAMAS

Bilan MINAMAS

Positionnement thématique

L'objectif général de l’équipe est de développer et d'apporter des connaissances sur les matériaux, les surfaces et les films minces structurés pour les micro et nano-systèmes ainsi que sur la mécanique et la physicochimie du contact. Ces activités de recherche s'appuient sur de solides compétences et savoir-faire propres :
• Maitrise des procédés d'élaboration et de structuration,
• la caractérisation des comportements multi-physiques
(mécaniques, nano-tribologiques,structuraux, électriques, forces de surfaces, adhésion, …) des films minces et des interfaces,
• la modélisation, la prévision et la compréhension des procédés d’élaboration et des comportements multi-physiques des matériaux fonctionnels.
L’ensemble peut se résumer par le schéma suivant :

minamas schema

Activités de recherche

Maitrise et optimisation de procédés d'élaboration de couches minces par pulvérisation : Technique par "gaz pulsés" (ou "RGPP") et celle par "GLAD" (GLancing Angle Deposition).

La première technique permet l'élaboration d'oxynitrures (par exemple FeNxOy, TiNxOy) -de composition et de propriétés intermédiaires entre l'oxyde (TiO2) et le métal (TiN)- avec une structuration perpendiculaire au substrat. Ceci permet d’obtenir aussi bien des nano-composites que des multicouches (23 ACL, 3 com. invitées, 1 brevet). La seconde technique d'élaboration permet de structurer le film dans les autres directions pour obtenir des colonnes orientées, des zigzags ou des spirales (2 ACL, 3 com. invitées, 1 ACTI). Ces deux approches ont non seulement permis une abondante dissémination des résultats scientifiques, mais elles ont également conduit à des collaborations avérées avec les milieux académiques (e.g. EPFL, INSP, Université de Minho et Université du Queens) et industriels (e.g. Jado Iberia et Mont Blanc) dans des projets nationaux et européens (e.g. projet HARDECOAT du FP6). Une partie de ce travail a été menée dans le cadre des thèses de C. Petitjean (18 déc. 07), A. Besnard (03 déc. 10) et C. Charles (en cours).
Voir les pages de l’activité : Multicouches / Structurer et architecturer / Gaz réactifs pulsés / Nanocomposites / Compositions ajustables / Propriétés de transport / Elasticité de structures orientés /Croissance de films GLAD

Caractérisation des propriétés mécaniques et de la réactivité des surfaces et des couches minces

(6 ACL, 1 com. invitée, 2 ACTI) - Des essais tribologiques à différentes échelles et sous atmosphères contrôlées (contact pion-disque, fretting, FFM), de la microscopie à sonde locale (SPM multimodes) et à sonde thermique (SThM), de la profilométrie interférométrique 3D, de la micro- et nano-indentation, du micro- et nano-scratch, des mesures AFM sont réalisés dans cette activité. Des simulations numériques multi-échelles avec un couplage entre milieu continu (méthodes FEM et BEM) et milieu discret (type automates cellulaires) sont menées par ailleurs. La confrontation entre ces expériences et ces simulations a permis une identification inverse de paramètres contrôlant l'agglomération des nano-débris dans le contact. Cette approche originale a aussi permis de prévoir la nanofissuration de la nacre (matériau bioprothétique) lors de frottement ainsi que d'isoler la composante thermique dans la dégradation de sa phase organique. Un important travail a également été réalisé dans le domaine de la tribocorrosion sur des biomatériaux (acier 316L, alliages de titane, polyéthylène haute densité). L’analyse des mécanismes élémentaires de dégradation de ces matériaux lorsqu’ils sont soumis à du frottement en milieu agressif chimiquement (acide ou NaCl) a été possible grâce au couplage entre les techniques de tribométrie classique et celles d'électrochimiques (contrôle du potentiel électrochimique de surface). Une partie de ce travail a concerné la thèse de P. Henry (17 déc. 09).
Voir les pages de l’activité : Mécanique et tribologie / Résistance à la corrosion / Force de surface et adhésion / Films de transfert / Modélisation multi-échelle et multi-physique des phénomènes d’usure

Elaboration de films minces aux propriétés d'Alliage à Mémoire de Forme (AMF)ferromagnétique

(8 ACL et 1 ACTI) - En reliant les variables du procédé d'élaboration aux propriétés obtenues, les paramètres de dépôt par pulvérisation magnétron sur substrat de silicium puis de recuit à basse température de films d'1 μm d'épaisseur de Ni-Mn-Ga ont été identifiés pour obtenir de la martensite ferromagnétique, à température ambiante, avec des propriétés d'alliages à mémoire de forme. Une très bonne adhérence du film sur son substrat en silicium (via une couche barrière de SiO2 natif), de bonnes propriétés ferromagnétiques (susceptibilité et Ms) et une grande amplitude de déformation (hyper-élasticité) ont été obtenues. L'élaboration sur substrat de Si, les relations paramètres
d'élaboration/propriétés incluant des caractérisations mécaniques (contraintes internes et nanoindentation) et une identification des déformations induites par le champ magnétique constituent l'originalité de cette étude. Une partie de ce travail a concerné la thèse de F. Bernard du Dpt Méca.
Appli. (avec co-encadrement à 70% de MN2S) et celle en cours de A. Souleiman.
Voir les pages de l’activité : Magnéto-mécanique des AMF

Elaboration de nanomatériaux par mécanosynthèse et caractérisations de leurs propriétés

(7 ACL) - (1) Des alliages NiTi pour leurs propriétés à mémoire de forme (thèse en cours de S. Tria).
Ces travaux concernent l’élaboration de films minces à partir de nanomatériaux mécano-élaborés en vue de leur intégration dans des microsystèmes. Leur mise en oeuvre, en couches minces, est réalisée par des techniques de dépôt physique en phase vapeur.
(2) Des alliages Mg2-xMxNi (avec M = Mn, Al ou Zr) pour leurs propriétés de stockage de l’hydrogène (thèse en cours de L. Huang). Leurs performances (capacité et restitution de l’hydrogène) sont évaluées dans des batteries de type Ni-MH.
Voir les pages de l’activité : Élaboration de films minces par mécanosynthèse

Caractérisation de la lumière diffusée par des grains de suies carbonées nanométriques

(2 ACL, 2 com. invitées) - L’effet de défauts topologiques dans la structure des grains, sur certaines de leurs caractéristiques de diffusion d’un rayonnement électromagnétique, a pu être étudié avec une description de type atomistique, ce qui constitue une première internationale. Les écarts provenant des différents choix de paramètres pour la polarisabilité d’un atome de carbone dans du graphite se révèlent prépondérantes et nécessiteraient de nouvelles mesures de la composante de la susceptibilité diélectrique perpendiculaire aux plans graphitiques.
Voir les pages de l’activité : Diffusion de la lumière par des nanoparticules

Propriétés électriques et mécaniques de nanotubes de carbone ; Nanosystèmes électromécaniques à base de nanotubes de carbone

(2 ACL, 1 com. invitée) - Cette activité a conduit à l'obtention de formules empiriques permettant de calculer la polarisabilité des nanotubes de carbone mono-paroi (SWCNT) ou multi-parois (MWCNT), de comprendre l'influence des différents paramètres structuraux et du champ électrostatique sur la flexion des nanotubes, de reproduire les résultats expérimentaux de répartition de charges électriques excédentaires sur un nanotube, et, de comprendre son comportement mécanique élastique fortement non-linéaire. Ces résultats pourraient permettre d’optimiser l’utilisation de nanotubes de carbone comme
nano-relais ou pour le stockage de l’information.
Voir les pages de l’activité : Propriétés électromécaniques de CNTs

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