Seminars at UMET

En fonctionnement, le combustible UO2 subit d'importants dégâts d'irradiation conduisant, en outre, à la formation de défauts ponctuels. Ces dégâts induisent un gonflement du matériau et peuvent modifier le comportement des produits de fission et de l'hélium issus des réactions nucléaires. Lorsque la température augmente, les défauts ponctuels deviennent mobiles et peuvent s'agréger. Ils deviennent alors susceptibles de constituer des pièges pour ces éléments ou contribuer à augmenter leur mobilité. Le calcul ab initio à l'échelle atomique constitue ici un outil de choix pour déterminer les mécanismes élémentaires de formation et de migration des défauts et de leurs énergies associées, difficilement accessibles par l'expérience.

Dans cette étude, nous proposons de calculer les énergies de formation et de migration des défauts ponctuels élémentaires. La détermination des chemins de migration les plus favorables pour les défauts ponctuels et le calcul des énergies de col associées permettront également de disposer de données de base sur les mécanismes de diffusion atomique dans le dioxyde d'uranium. Ces dernières sont utiles pour servir de données d'entrée (énergies d'activation de la diffusion) à des modèles macroscopiques permettant d'interpréter les résultats expérimentaux relatifs aux combustibles irradiés.

L’élaboration de films minces déposés sur un substrat induit de fortes contraintes internes. De tels niveaux de contraintes de compression sont à l’origine de l’endommagement du film : décohésion à l’interface film/substrat et cloquage. La théorie mécanique des plaques minces permet d’expliquer la majeure partie des motifs de cloquage induits volontairement dans des films minces et observés en microscopie par force atomique. Néanmoins, les modèles développés ne permettent pas encore de tenir compte de l’endommagement plastique causé par les forts niveaux de contrainte et se manifestant par la présence de pliures dans les films minces.

Une approche numérique à l’échelle atomique a donc récemment démarré dans le but de comprendre la compétition entre la relaxation des contraintes par instabilité morphologique (cloquage classique dans le cadre de l’élasticité linéaire) et par apparition de la plasticité dans les films minces. Ainsi dans une première étape, une simulation de dynamique moléculaire est utilisée pour modéliser la formation d’une ride dans un film mince d’aluminium monocristallin.

La fabrication de pièces composites à matrice organique chargée de particules par un procédé de type LCM (Liquid Composite Molding) soulève le problème de l’écoulement du mélange de la résine avec les charges à travers le renfort fibreux. L’augmentation de la viscosité due aux particules, d’une part, et la filtration éventuelle des charges par le réseau fibreux, d’autre part, sont deux phénomènes à considérer car ils peuvent engendrer d’importants défauts de fabrication. Cette étude, volontairement limitée à une géométrie 1D, comporte une phase expérimentale et une phase de modélisation à l’échelle macroscopique, complémentaires l’une de l’autre, et menées en parallèle. Un moyen simple de mesure de la quantité de charges présentes dans la pièce en fin d’injection a d’abord été mis au point. Des essais d’injection de pièces, menés dans différentes conditions expérimentales, ont mis en évidence l’existence de deux comportements de filtration distincts. La modélisation est basée sur une équation de conservation de la masse et trois équations constitutives. Le modèle de filtration proposé dépend de deux paramètres physiques et d’un seul paramètre numérique, qui ont été identifiés par méthode inverse à partir des résultats expérimentaux. Enfin, la résolution du modèle développé est couplée à celle de l’écoulement d’un fluide à travers un renfort fibreux. Les résultats de la simulation, tant pour le profil de concentration de charges dans la pièce que pour le temps d’injection, sont très satisfaisants et viennent valider la démarche générale de cette étude.

Les efforts pour coupler les modèles d'écoulement du manteau terrestre aux prédictions pour les déformations des minéraux ignorent classiquement les impacts de la rhéologie sur l'évolution de l'écoulement. Les cristaux d'olivine présentent seulement 3 systèmes de glissement indépendants pour les dislocations, de sorte que de fortes interactions mécaniques apparaissent entre les grains lors de la déformation. Ces interactions intergranulaires sont aussi responsables du développement d'une anisotropie viscoplastique marquée mise en évidence lorsque les polycristaux présentent une texture cristallographique prononcée. A l'aide d'un modèle en "champ complet" (full-field, qui procure des solutions de référence) appliqué au fluage de l'olivine dans des conditions thermomécaniques prévalant dans le manteau supérieur, on montre que de très fortes hétérogénéités de contrainte et de vitesse de déformation se développent à l'échelle des grains. Ces hétérogénéités augmentent avec la résistance du système dur, qui a dû être pris en compte dans la simulation pour permettre la déformation du matériau. Comparée à plusieurs approches en champ moyen (mean-field) pour la viscoplasticité (non-linéaire) des polycristaux, toutes basées sur le schéma auto-cohérent, seule la procédure dite du "Second Ordre" (SO) de P. Ponte Castañeda, qui s'appuie sur une approche variationelle, capture réellement l'impact des hétérogénéités intragranulaires sur le comportement de l'olivine. On montre que les résultats de cette approche sont en très bons accord avec ceux obtenus en champ complet, aussi bien pour le comportement effectif que pour les distributions intra- et inter-phase des champs, avec une résolution numérique simple, rapide, et ne nécessitant qu'une puissance numérique modeste. La procédure SO prédisant de plus correctement que l'olivine polycristalline peut se déformer avec 4 systèmes de glissement indépendants (mais pas 3), elle devient une méthode de choix pour un couplage futur avec les modèles de convection du manteau. Elle permet d'autre part une analyse physique du rôle des différents mécanismes de déformation activés dans le matériau. Les mécanismes d'accommodation (mécanismes aux joints de grains, montée des dislocations, ..) contrôlent la contrainte d'écoulement macroscopique. On montre d'autre part que les approches antérieures (modèle statique, modèle dit "VPSC" de Lebenshon-Tomé, ou modèle cinématique de Kaminski-Ribe), souvent utilisés en Géophysique, procurent des résultats qui s'éloignent significativement de la solution de référence. On finira par une première estimation de l'influence que pourrait avoir l'anisotropie viscoplastique (associée à la formation des textures cristallographiques) sur l'écoulement in situ.

Cette thèse entre dans le cadre du projet NANOSCOP visant à doper des fibres optiques amplificatrices (EDFA) par des nanoparticules semi-conductrices.

L'une des voies envisagées pour la réalisation des fibres optiques repose sur la technologie sol-gel. A partir de précurseurs métalliques en solution, un réseau tridimensionnel de silice est obtenu. Il peut conduire à un verre par un choix de traitements thermiques appropriés. Le passage par une phase liquide facilite l'insertion des nanoparticules, tandis que les températures de travail relativement basses devraient favoriser la préservation des nanoparticules. Une part importante de ce travail concerne la caractérisation physico-chimique des gels de silice de manière à optimiser l’obtention de verres massifs compatibles avec les applications envisagées. Cela nous a également permis d’étudier le phénomène de moussage de la silice et d’en définir les causes. Au terme de ce projet, des fibres optiques nanostructurées à cœur sol-gel ont pu être obtenues.

La seconde partie de cette thèse a été consacrée à la caractérisation de nanoparticules de silicium piégées dans une matrice de silice sol-gel. La microscopie électronique en transmission et l'imagerie filtrée ont permis de déterminer les paramètres influents pour la préservation des nanoparticules. Ainsi nous avons mis en évidence que les traitements thermiques sous différentes atmosphères peuvent soit provoquer une croissance des nanoparticules soit créer une couche de passivation favorable à un transfert radiatif silicium-erbium. Ce transfert permettra une amplification supplémentaire du signal dans les fibres optiques.

L’EELS est depuis longtemps présentée comme une spectroscopie avec un fort potentiel d’applications dans les sciences du vivant (1). Toutefois les applications concrètes sont restées assez rares, si l’on excepte celles, parfois contestables, liées à la caractérisation des cellules ou des tissus par imagerie filtrée en énergie (EFTEM). L’analyse élémentaire par sonde électronique est le plus souvent associée à la spectroscopie de dispersion des photons X émis (EDXS) qui présente les avantages de la simplicité d’utilisation et d’interprétation ainsi que la possibilité de détection simultanée de tous les éléments. Ce dernier point est important pour des échantillons à la distribution élémentaire par nature complexe. Cependant plusieurs travaux récents montrent que l’EELS est bien un outil de choix voir unique pour un certain nombre d’applications (2,3). La démarche actuelle est bien l’addition des potentialités EELS/EDXS pour une optimisation de toutes les informations analytiques disponibles (4) Les développements qui rendent aujourd’hui la spectroscopie EELS attractive pour les sciences du vivant sont multiples: les cryométhodes associées à la préparation et à l’observation des échantillons, l’imagerie-spectrale, le traitement du signal, l’amélioration des détecteurs…Les domaines d’applications préférentielles de l’EELS sont eux aussi multiples et l’exposé essaiera de les présenter de façon non exhaustive. Ces applications préférentielles tiennent soit à la richesse d’information de l’EELS (signatures spectrales moléculaires ou d’environnements atomiques) soit à sa sensibilité de détection nettement supérieure pour un certain nombre d’éléments majeurs en biologie. Une liste non exhaustive des applications originales de l’EELS en biologie comprend : l’imagerie tissulaire/cellulaire de l’eau ; l’imagerie tissulaire/cellulaire du calcium (second messager crucial dans la transduction des signaux cellulaires), l’imagerie cellulaire du phosphore associé aux zones riches en acides nucléiques, l’imagerie des éléments légers tel le bore utilisé en « Boron Neutron Capture Therapy », la détection et le comptage d’atomes dans des macromolécules biologiques… (5,6). Il faut enfin noter l’émergence du couplage tomographie/EFTEM pour la cartographie 3D élémentaire de structures subcellulaires (7,8) qui ne sera toutefois pas abordé dans le cadre de cet exposé.

Après un bref rappel de la définition des différents coefficients de partage (D) trouvés dans la littérature, je vous introduirai des exemples de D entre différents minéraux, entre minéraux et silicate liquides, et finalement entre minéraux (ou silicate fondus) et métal. Ensuite, je vous présenterai:
(i) Deux modèles qui tentent d’expliquer l’évolution de certains D à hautes températures ainsi que leur importance pour la compréhension de la Terre primitive.
(ii) Deux études expérimentales récentes et similaires mais ayant des interprétations différentes des microstructures de leurs échantillons conduisant à des conclusions radicalement différentes pour l’accrétion terrestre.
(iii) Un test via de nouvelles données de partage du modèle d’accrétion terrestre proposé par Halliday et Wood (Nature, 2005).
(iv) Une nouvelle vision du noyau de Mercure.

Il est assez bien établi que le noyau externe terrestre est formé d’un alliage Fe-Ni auquel vient s’ajouter entre 5 et 10% pds d’éléments plus légers [1]. La proportion de ces éléments varie selon les modèles mais un large consensus est établit quant à leur nature : S, Si, O, C [2]. De façon générale, la prise en compte de ces éléments légers dans la phase métallique peut avoir des effets drastiques concernant la dynamique à l’intérieur des noyaux planétaires [3], l’équilibre géochimique globale des planètes [4, 5] ou bien les processus de différenciation lors de la formation des planètes du système solaire [6, 7].

De plus, l’assemblage de plusieurs de ces éléments légers provoque la formation de systèmes immiscibles ayant des propriétés physiques très différentes [8]. L’étude de l’évolution avec la pression et la température de ces systèmes est essentielle pour la bonne compréhension des phénomènes de ségrégation de la phase métallique à travers la matrice silicatée lors de la formation des noyaux planétaires.

L’étude chimique de l’évolution du système ternaire Fe-S-Si avec la pression et la température en corrélation avec la détermination de la structure des liquides par diffraction des rayons X dans le système Fe-FeS a permis de mettre en évidence une corrélation entre la fermeture du fossé de miscibilité et un changement vers une structure plus compacte du liquide eutectique Fe-FeS. En effet, la structure du liquide Fe-20%pds S à 17 GPa est très proche de celle du liquide Fe-20%pds Si à 2GPa. Nous avons pu également conclure que l’évolution structurale du liquide eutectique Fe-FeS pourrait avoir une implication directe sur l’extrapolation des vitesses sismiques aux pressions du noyau terrestre.

A l'heure actuelle il y a beaucoup d'interêt dans le comportement des materiaux à l'échelle nanométrique. Ceci étant dû au fait que les industries de la microélectronique commencent à briguer la taille du nanomètre dans les objets des circuits electroniques. Si les propriétés varient avec la taille, il faut bien comprendre comment. Dans ce séminaire je parlerai du comportement des systèmes organiques (polymères et liquides moléculaires) dont on observe des changements de comportement a l'échelle nanométrique. On commencera avec les effets sur des transitions de phase de premier ordre et terminera avec la transition vitreuse dans les films ultraminces et polymèriques. Dans les deux cas il y a des effets thermodynamiques et des effets mécaniques. On en considera les deux en faisant appel aux expériences soit de calorimétrie classique soit d'une nouvelle expérience mécanique où le gonflement des nanobulles sert comme mésure des propriétés viscoélastiques des films ultraminces. Nous nous considérons aussi le foncement des nanosphères dans les surfaces polymèriques qui ont été interprété a vouloir dire que la surface du polymère est dans un état liquide. Notre analyse suggère que les résultats sont cohérents avec l'hypothèse que la surface a les même propri étés que l'état macroscopique.

Les polymères nanocomposites sont très étudiés depuis le début des années 1990. Cet engouement est notamment dû aux augmentations remarquables des propriétés mécaniques, imperméabilité aux gaz et résistance au feu. De nombreuses matrices polymériques ont été testées (PA, PP, PET, …), il est donc normal que l’intérêt se porte aujourd’hui sur les polymères biodégradables tel que le Polylactide (PLA). Pour parer à la faible affinité entre les argiles et les chaînes de polymère, les travaux publiés jusqu’à présent utilisent des argiles modifiées qui sont ainsi organophiles. Nous avons souhaité disperser une argile non modifiée dans une matrice PLA en utilisant un procédé qui a déjà fait ses preuves dans le cas du Polyamide 6. Ce procédé consiste à injecter de l’eau sous haute pression lors de l’étape d’extrusion. Cette présentation sera divisée en 3 parties. La première sera consacrée à la mise en œuvre des échantillons. Les paramètres machines seront analysés et les problèmes liés à la dégradation seront abordés. La seconde étudiera la dispersion de l’argile et les avantages du procédé d’injection d’eau. Enfin, la dernière partie traitera des propriétés de cristallisation des matériaux élaborés.

Dislocation Dynamics simulations (DD) are one of the computational methods to study dynamic collective evolution of dislocations in a solid under an external loading. In this method, dislocations are considered as entities and the interaction with an external loading and between them is treated according to elasticity theory. I will present a model to couple DD simulations with diffusion theory of vacancies, which allows us to incorporate the diffusional climb of dislocations within the conventional DD method. In this work we make use of a 3-dimensional Discrete Dislocation Dynamics (DDD) simulation, in which each dislocation is represented by pure edge and screw dislocation segments. The DDD was used to study the activation of Bardeen-Herring climb dislocation sources upon the application of an external stress or under superconcentration of vacancies, as well as loop shrinkage and expansion due to vacancies emission or absorption. Our calculations of the loop shrinkage rate and its temperature dependency agree with experimental observations. Additionally, the evolution in the population of dislocation loops was studied in this method, and the expansion of large loops, on the expense of small ones, was observed.

Polymer films used for food packaging applications have to fulfill a broad range of property requirements (including mechanical, optical, gas permeability, processability…), and in this respect multilayer films are often good candidates. In the meantime, biaxial stretching is largely used in the packaging industry for improving both mechanical and barrier properties of films, and there is a specific challenge related to its application to multicomponent materials.

Polyamide 6 (PA6) is an excellent candidate for food packaging applications owing to its good performances such as chemical and mechanical resistance, barrier properties to aromas and oxygen. However, oxygen permeability of this polymer increases significantly in the presence of water. Moreover, PA6 displays a rather poor ability for biaxial orientation. Only simultaneous biaxial stretching with low extension ratio may be achieved in a narrow temperature range around 120°C.

By contrast, polyolefins such as polyethylene (PE) may easily undergo biaxial orientation at temperatures close to their melting point and they exhibit good barrier properties to water. As a consequence, a possible strategy to improve the oxygen barrier properties of PA6 under wet conditions is to coextrude PA6 with PE. Since polyamide 6 does not adhere to polyethylene, an adhesive tie-layer is needed to provide the cohesion between the two polymers.

In the present project, we have investigated the structure-mechanical property relationships of PA6/PEgMAH/PE multilayer blown films in relation to the behavior of the pure components. The mechanical properties are studied both in uniaxial and biaxial tension between 70 and 110°C. The structural evolution, including mechanically induced crystal phase transformation in the PA6 layer and chain orientation, is analyzed as a function of testing conditions using X-ray diffraction combined with FTIR spectroscopy.

Les fibres optiques sont utilisées pour les télécommunications longues distances. En raison des pertes intrinsèques aux fibres optiques de ligne, des amplificateurs à fibres dopées Erbium (EDFA) re-génèrent régulièrement le signal. Les limites de la technologie ont été atteintes dans ce domaine, d'où la naissance du projet Nanoscop, pour tester la faisabilité de nouveaux amplificateurs à fibres, dopés par des nanoparticules semi-conductrices.

Pour faciliter le dopage des fibres optiques par les nanoparticules, le recours au procédé sol-gel a été envisagé. Les nanoparticules peuvent ainsi être introduites directement dans le sol et les températures de travail plus basses, inhérentes au procédé sol-gel, faciliteraient leur conservation. La principale difficulté réside dans l'obtention de monolithes de verre de silice compatibles avec les applications télécoms. En collaboration avec le PhLAM, nous avons travaillé à l'optimisation du procédé sol-gel pour aboutir à des préformes de fibres optiques, et à la compréhension d'un phénomène particulier, le moussage de la silice. Les verres de silice obtenus par voie sol-gel ont ensuite été comparés avec des verres industriels de concentrations en groupements OH connues. Enfin, l'imagerie filtrée sur le MET nous a permis d'étudier des nanoparticules de silicium insérées dans une matrice de silice.

Les études sismiques indiquent la présence d'une anisotropie importante dans plusieurs régions de la Terre profonde comme le noyau interne où la frontière noyau-manteau. La source de cette anisotropie reste encore mal définie mais elle pourrait correspondre à un alignement de minéraux anisotropes dans un champ de convection. Comprendre et interpréter les mesures d'anisotropie demande donc une bonne compréhension du comportement plastique des minéraux présents, dans des conditions de très hautes pressions et températures (140 GPa – 3500 K à la frontière noyau-manteau). Dans ce but, nous avons développé une technique expérimentale nous permettant de déformer des polycristaux jusqu'à des pressions de l'ordre de 150 GPa (1,5 mégabar).

Les échantillons polycristallins sont placés au sein d'une cellule diamant. Ils subissent une déformation de type axiale, in situ, sous très haute pression et sont étudiés en direct sur synchrotron par diffraction de rayons X radiale, avec le faisceau incident orthogonal à la direction de compression. Les images de diffraction présentent des variations d'intensité fonctions de l'orientation qui permettent de déduire les orientations préférentielles au sein de l'échantillon. Ces orientations préférentielles mesurées expérimentalement sont ensuite comparées à des modèles numériques de type VPSC afin d'identifier les mécanismes contrôlant la déformation plastique, et en particulier les systèmes de glissement actifs.

Dans ce séminaire, je présenterai les techniques expérimentales permettant d'aborder les problèmes de plasticité sous très haute une pression, une application à un minéral du manteau profond, la post-perovskite silicatée, ainsi que mes projets pour mon installation au LSPES.

Le carbure de silicium (SiC) est connu pour sa très grande dureté et ses très bonnes propriétés mécaniques. Il possède également de très bonnes propriétés électriques, thermiques et une excellente résistance à la corrosion et aux chocs thermiques.

En plus de ces caractéristiques thermomécaniques performantes, le SiC est un semi-conducteur à large bande interdite, qui fait l’objet d’une attention particulière de la part de la communauté scientifique. L’amélioration de la qualité cristallographique de ce matériau a permis de fabriquer des composants réellement fonctionnels. Les premiers résultats ont fait espérer l’avènement rapide de dispositifs aux performances prometteuses pour des applications en forte puissance, haute fréquence et haute température. Le SiC a en effet la particularité de posséder l’essentiel des propriétés physiques du semi-conducteur idéal dans ce domaine.

Cependant, l’exploitation du SiC dans le domaine de l’électronique est toujours freinée par la présence des défauts de structure qui nuisent au fonctionnement des composants et dégradent leur qualité. Les plus connus parmi ces défauts sont les dislocations et les fautes d’empilement, issus de l’élaboration du matériau et/ou développés durant les opérations de fabrication des composants électroniques. En conséquence, il était important d’étudier les propriétés structurales et dynamiques de ces deux types de défauts afin de remonter aux paramètres physiques qui gèrent leur formation et leur mouvement.

Dans la littérature, plusieurs essais de déformation mécanique ont été réalisés sur le carbure de silicium sous sa forme monocristalline, et particulièrement les deux polytypes SiC-4H et 6H. Ces études ont permis de déterminer indirectement les paramètres dynamiques liés aux dislocations, suite à des déformations macroscopiques du matériau, et ceci dans le domaine ductile. Les difficultés liées à la déformation du SiC dans le domaine fragile a cependant empêché une détermination précise des paramètres dynamiques des dislocations à plus basses températures. Dans ce travail, nous avons donc décidé d’introduire par flexion une population de dislocations bien contrôlée dans le SiC-4H orienté [11-20] à basse température (400°C<T<700°C). Le but de cette opération était de mesurer directement et pour la première fois, le déplacement des dislocations sous l’effet de la contrainte et de la température à l’aide de techniques de caractérisation mésoscopiques (Topographie aux rayons X en transmission, et révélation des émergences des dislocations par attaque chimique). Ceci a permis de remonter à l’énergie d’activation Q des dislocations ainsi qu’à l’exposant de contrainte m. D’autre part, le caractère et la morphologie des dislocations introduites par déformation ont été analysés localement par microscopie électronique en transmission grâce à la technique dite « faisceau faible ». Le cœur des dislocations fraîches de déformation quant a lui a été déduit des observations réalisées par microscopie électronique en transmission à haute résolution, et en utilisant une méthode originale, basée sur une analyse d’image pour localiser les atomes et sur une reconstruction des unités structurales des dislocations.

Les résultats obtenus montrent que les défauts développés par notre procédure de déformation consistent majoritairement en des « doubles fautes d’empilement » créant des bandes du polytype SiC-3C dans la matrice SiC-4H. Ces défauts ont été très récemment observés dans le SiC-4H et 6H fortement dopé n, durant la fabrication des composants électroniques. Ils font l’objet de plusieurs études à cause de leur effet néfaste sur les composants. Nous essayerons dans ce travail de discuter l’implication de la contrainte mécanique ainsi que d’autres mécanismes proposés actuellement dans la littérature, dans la formation et l’expansion des défauts observés.