Seminars at UMET

Les Alliages à Haute Entropie (AHEs ou HEAs en anglais) sont un nouveau type d'alliages multi-élémentaires. Ils contiennent au moins cinq éléments de teneur comprise entre 5 et 35 at %. L'entropie de configuration élevée, qui est une raison du nom de cette famille d'alliages, ainsi que d'autres paramètres, tels que l'enthalpie de mélange, la différence de taille atomique, la différence d'électronégativité ou la concentration d'électrons de valence, stabilisent une solution solide plutôt que des composés intermétalliques. L'attention de la communauté scientifique a été attirée par les propriétés prometteuses et les microstructures intéressantes des HEAs. Dans ce travail, une nouvelle famille de HEAs Al-Cr-Fe-Mn-Mo a été étudiée. Les analyses microstructurales et chimiques ont été menées par DRX, spectrométrie Mössbauer, MEB, MET, EDX, EBSD. Dans un premier temps, des calculs basés sur une approche paramétrique ont été réalisés pour optimiser la composition chimique. Les compositions sélectionnées ont été préparées par mécanosynthèse dans différents types broyeurs. Les conditions optimisées garantissant une homogénéité chimique maximale de la poudre et une faible contamination par les matériaux des billes et des jarres ont été déterminées. Deux phases cubique centrée (cc) se forment pendant la mécanosynthèse avec les paramètres de maille 3,13 Å (cc#1) et 2,93 Å (cc#2). Le traitement thermique de la poudre entraîne plusieurs transformations de phase (la formation de la phase χ). Le recuit à 950 °C/1 h favorise l'augmentation de la fraction volumique de la phase cc#2, tandis que les cc#1 et χ disparaissent. Néanmoins, de petites fractions de carbures et d'oxydes ont été trouvées. Les échantillons massifs ont été fabriqués par frittage à chaud des poudres mécanosynthétisées. Les conditions de consolidation ont été évaluées et optimisées pour favoriser la formation de la phase cc et réduire la formation de carbures et d'oxydes résultant de la contamination. Les échantillons massifs optimisés présentent une phase majoritaire cubique centrée (> 95 % volumique) avec un paramètre de maille de 2,92 Å et une très petite quantité de carbures (M6C, M23C6) et d'oxydes (Al2O3). La phase cc est stable après recuit à 950 °C pendant 10 h. De plus, l'alliage présente une dureté très élevée jusqu'à 950 HV2N. Les essais de compression de l'échantillon massif optimisé, entre la température ambiante et 800 °C, révèlent des propriétés prometteuses, en particulier entre 600 et 700 °C. L'alliage présente un comportement fragile entre la température ambiante et 400 °C. Cependant, l'alliage commence à démontrer un certain degré de plasticité à 500 °C. À 600 °C, la limite d'élasticité est de 1022 MPa, tandis que la déformation à la rupture est d'environ 22 %. 

In this thesis work, we have investigated the physical state of pharmaceutical multicomponent systems, co-crystalline and co-amorphous forms, from a joint computational and an experimental point of view. Our works mostly focused on the design of these materials, their specific modes of preparation, and analyses of their phase transformations based on combined structural-dynamical-thermodynamical physical characterizations. A detailed and critical analysis of the computational COSMO-RS approach usually used to predict cocrystallization tendencies was realized. The affinition prediction between carbamazepine and 75 different coformers was tested. This study demonstrated the possibility and limitation of the COSMO-RS numerical approach and some possible improvements based on the entropic contributions to the stability were successfully checked. The cocrystallization and physical properties of the carbamazepine+tartaric acid system at different molar ratio were completely revisited. Two different cocrystallization techniques were tested, liquid assisted grinding and solution evaporation in order to assess the impact of the preparation methods. Two different cocrystals were obtained: an ordered Form A and a dynamically disordered Form B with a peculiar channel-like structure of nanometer size in which tartaric acid molecules are confined. The nature of this peculiar dynamical disorder was investigated from dielectric dynamical spectrocopy experiments.  A very stable co-amorphous simvastatin-based multicomponent systems was designed. It was shown that recrystallization is inhibited over a period of 2 years under ambient conditions. The complex mobility dynamics of this system were analyzed including the molecular origin of the relaxational processes. This work has been performed in the framework of the IMODE (Innovative Multicomponent Drug Design) European project of the Interreg 2-Seas Programme.

La méthode special quasirandom structures (SQS) permet de désigner une maille raisonnable avec un arrangement pseudo-aléatoire d’atomes, ce qui la désigne comme une technique idéale pour décrire une solution solide désordonnée. Couplée aux calculs premiers principes (e.g. DFT), elle permet alors d’estimer des chaleurs de mélange.

Dans ce séminaire, nous tâcherons d’illustrer sa pratique à travers différents exemples dont les intermétalliques avec un domaine d’homogénéité (Laves) et les alliages concentrés (HEA) de type CFC, CC et leurs hydrures.

Après une introduction de quelques concepts nécessaires à l’étude théorique des milieux diélectriques, une formule intégrale pour le facteur de corrélation de Kirkwood des fluides polaires est obtenue à partir de la hiérarchie Yvon-Born-Green rotationnelle. Cette formule se prête aisément à toutes les grandes approximations usuellement faites dans le contexte de la théorie des liquides. Dans l’approximation de superposition de Kirkwood, ce facteur est évalué en fonction de la densité du fluide, du moment dipolaire moléculaire et de la température. Les résultats obtenus dans ce contexte permettent d’interpréter à l’aide d’un seul paramètre ajustable le comportement de la constante diélectrique expérimental en température d’un grand nombre de substances polaires, incluant l’eau, le Tributyl Phosphate, et toute une série de mono-alcools. Les résultats obtenus sont aussi comparés avec des simulations numériques pertinentes.

P.-M. Déjardin, Y. Cornaton, P. Ghesquière, C. Caliot , and R. Brouzet, J. Chem. Phys. 148, 044504 (2018)
P.-M. Déjardin, S. V. Titov, and Y. Cornaton, Phys. Rev. B, 99, 024304 (2019)

Scanning transmission electron microscopes (STEM) are routinely used for studying materials down to individual atomic columns. Scanning a convergent electron beam across a thinned material yields a rich diffraction pattern in the back focal plane. However, much of this rich information is lost when using standard STEM detectors, which integrate up a large fraction of these diffraction patterns into a single value for each position in the scan. With the recent advances in fast and robust direct electron detectors, it is now possible to acquire these diffraction patterns at 1000+ frames per second. This allows for one diffraction pattern to be acquired for every point in the scan.

This seminar will focus on how this technique works, practical aspects, and applications such as structural characterization using higher order Laue zones and magnetic imaging.

8h25 - 8h50 Coffee and welcome

8h50 - 8h55 Introduction Dr. DELAPLACE Guillaume, Directeur Adj. UMET / Dr. Rajashekhara SHABADI
Session-Procédés, Chairman : Dr. Jonathan Poitier

8h55 - 9h00 Session-Procédés BARRERA Ana Revalorisation de matière issue du traitement des écrans plats LCD
9h00 - 9h05 Session-Procédés NAZÉ Thomas Fabrication additive de matériaux polymères à faible réaction au feu
9h05 - 9h10 Session-Procédés SOW Mourtada Alliages à haute entropie pour revêtements hautes performances
9h10 - 9h15 Session-Procédés ALDOORI Hussam Incorporation des matériaux de type HDL dans des sytèmes à base de polymères et cristaux liquides
9h15 - 9h20 Session-Procédés DALLAGI Heni Stratégies innovantes et éco-efficientes pour la conception et le netoyage des équipements industriels : appliction à la filière de transformation des légumes et pommes de terre
9h20 - 9h35 Session-Procédés Questions

Session-Deformation, Chairman : Dr. Gang Ji
9h35 - 9h40 Session-Deformation AVILA DE OLIVEIRA SILVA Lais The effect of microstructural gradients generated during patenting on their final mechanical properties
9h40 - 9h45 Session-Deformation COTA ARAUJO Mahira Critère d'amorçage de micro fissure de fatigue dans de aciers inoxydables
9h45 - 9h50 Session-Deformation GOSSIAUX Alexandre Thermal and fire degradation of rigid polyurethane foam
9h50 - 9h55 Session-Deformation MANDOLINI Tommaso Déformation de roches de zones de subduction sous hautes pressions
9h55 - 10h10 Session-Deformation Questions

10h10 - 10h25 10 Flash Presentations Doctorants 1A (suivi d'une photo de groupe)

10h25 - 11h00 Pause café et session Poster

11h00 - 12h15 Conférence Invité - Edition scientifique : un rapide survol des évolutions en cours par Dr. Karim Ramadani, Université Lorraine, Nancy.

12h30 - 13h30 Repas et Session Poster

Session - Modélisation, Chairman : Dr. Karine Gouriet
13h30 - 13h35 Session-Modélisation LAPOINTE Clovis Modélisation multi-échelle des défauts d'irradiation dans les métaux cubiques centrés
13h35 - 13h40 Session-Modélisation MACALUSO Sabrina Interfaces dans Al / TiB2 / Mg(Zn,Cu)2 : étude atomique, influence sur les morphologies et propriétés
13h40 - 13h45 Session-Modélisation THOMAIDIS Konstantino Do mantle xenoliths preserved water signature from the lithospheric mantle and how ? An experimental et numerical approach
13h45 - 13h50 Session-Modélisation WANG Yimi Modélisation multi échelles des ma diffusion et de la ségrégation dans les alliages Fe-Ni-Cr sous irradiation
13h50 - 14h05 Session-Modélisation Questions
14h05 - 14h20 9 flash Presentations Doctorants 1A

Session - Synthese, Chairman : Dr. Natalia Correia
14h20 - 14h25 Session-Synthése BENATMANE Missipssa Polymères à UCST à base de pillararènes modifiés pour la catalyse supramoléculaire
14h25 - 14h30 Session-Synthése PATUREL Angéline Amélioration du comportement au feu des gazons artificiels
14h30 - 14h35 Session-Synthése PELLERIN Solène Développement de formulations accylates à haute teneur en solide polymérisés sous ultraviolets
14h35 - 14h40 Session-Synthése VEBR Aurélien Smart supramolecular hydrogels
14h40 - 14h45 Session-Synthése XIAO Fei Flame Redardancy of bioplastics
14h45 - 15h00 Session-Synthése Questions

15h10 - 15h40 Pause café et Session Poster

Session - Transformation, Chairman : Francisco De La Peña
15h40 - 15h45 Session-Transformation BOUAD Vincent
15h45 - 15h50 Session-Transformation DUPONT Anthony Investigations cinétiques des transformations de phases des matériaux pharmaceutiques sous broyage
15h50 - 15h55 Session-Transformation GAY Jeffrey Microstructures induced by phase transformations at the 650km discontinuity
15h55 - 16h00 Session-Transformation LEDOUX Estelle Microstructures de transformation dans l'olivine
16h00 - 16h05 Session-Transformation Questions

Session Bio/Surfaces, Chairman : Dr. Paulo Peres De Sa Peixoto Jr
16h05 - 16h10 Session-Bio/Surfaces Marie SOULA Développement de systèmes ignifugeants pour le bois d’intérieur
16h10 - 16h15 Session-Bio/Surfaces HAGE Mayssane Compréhension des mécanismes d'intéraction aux interfaces entre bactéries et matériaux : élaboration de surfaces anti-adhésion et anti-biofilm
16h15 - 16h20 Session-Bio/Surfaces HAMIOT Audrey Structure et fonction des glycanes de la couche muqueuse des spores des bactéries du genre bacillus
16h20 - 16h25 Session-Bio/Surfaces SAGET Manon Design biometric surfaces for food antifooling
16h25 - 16h45 Session-Bio/Surfaces Questions

La prévision de l'évolution de la microstructure au cours du vieillissement par irradiation des matériaux de structure des réacteurs nucléaires est une question clé pour l'industrie du nucléaire. Dans ce travail, une approche par champ de phase est utilisée pour simuler l'évolution de la microstructure de matériaux dans des conditions d'irradiation à l'échelle mésoscopique. Nous nous intéressons tout d’abord aux calculs de la force de puits, c'est-à-dire la capacité des défauts de la microstructure (dislocations, cavités, etc) à absorber les défauts ponctuels (DPs). Ces calculs prennent en compte les interactions élastiques entre les défauts ponctuels et les puits et sont réalisés dans les métaux purs d' Al, Ni et Fe. Une précision supplémentaire dans ces calculs est fournie en incorporant dans le modèle le changement de l'énergie de migration des DPs en raison du champ de déformation dû au puits, encore appelé élastodiffusion. Les DPs sont modélisés élastiquement par leurs tenseurs dipolaires élastiques et le rôle de l'anisotropie de ces tenseurs dipolaires au point de col est étudié. Les résultats montrent que l’anisotropie du tenseur dipolaire au point col est un paramètre clé dans les calculs précis de la force de puits. Par la suite, notre intérêt est centré sur le développement d’un modèle champ de phase de montée de dislocation sous irradiation. Le modèle permet de simuler la croissance ou le retrait d'une boucle de dislocation par absorption des deux DPs (lacunes et atomes auto-interstitiels). L'analyse des tests de validation montre la limite du modèle et des ajustements sont effectués. Ce nouveau modèle est appliqué pour simuler la croissance d’une boucle interstitielle dans le Fer pur. Les effets de la température, de la densité de dislocations, de l’orientation de la boucle et de l’élastodiffusion sur le taux de croissance de la boucle sont étudiés. Les résultats montrent notamment une augmentation du taux de croissance de la boucle avec les effets combinés de l’augmentation de la température et de la diminution de la densité de dislocations. Le nouveau modèle de montée de dislocation sous irradiation développé est également utilisé pour simuler le phénomène de ségrégation induite par irradiation (SII) près d’une boucle de dislocation interstitielle au cours de sa croissance, dans des alliages Fe-Cr. Nous montrons que la prédiction de la SII dépend de la mobilité du puits et de la microstructure environnante (effets multi-puits).

Mots-clés : modélisation et simulation, alliages métalliques, irradiation, défauts ponctuels, force de puits, montée de dislocation, segregation induite par irradiation, champ de phase, élastodiffusion

Les matériaux polymères nanostructurés trouvent leurs applications dans des domaines très variés comme les pneumatiques, les batteries, le bâtiment, les dispositifs biomédicaux, les emballages etc... De plus en plus, ces applications exigent un couplage entre performances mécaniques et propriétés physiques (optique, magnétique, conductivité électrique et/ou thermique, cyclabilité…). Cette multifonctionnalité des matériaux polymères s’obtient le plus souvent par une combinaison de différents matériaux dans des systèmes multiphasiques (alliage de polymères, copolymères à blocs, hybrides, nanocomposites…) pour lesquelles la maîtrise de la morphologie des différentes phases (taille, géométrie, qualité de la dispersion spatiale…) est capitale.
La caractérisation de ces microstructures implique un certain nombre de contraintes et demeure parfois un enjeu. Les échelles de taille impliquées exigent généralement l’utilisation de la microscopie électronique (en complément très souvent de la microscopie à champ proche et de techniques indirectes comme la diffusion de rayonnement). Cependant, les effets de charge (ces matériaux sont dans la plupart des cas isolants), les faibles contrastes mis en jeu entre les différentes phases organiques et leur sensibilité au faisceau d’électrons rendent très souvent l’application de la microscopie électronique aux matériaux polymères délicate [1].
Le laboratoire MATEIS aborde cette problématique depuis un certain nombre d’années. Au-delà des aspects purement imagerie, nous nous sommes intéressés aux observations tomographiques en TEM et FIB-SEM [2-3] des matériaux polymères et nous dirigeons de plus en plus vers l’étude de ces matériaux « operando » (contrôle de la température, de la sollicitation mécanique et/ou de l’environnement lors des observations [4]). Au travers de différents exemples de systèmes polymères étudiés, de propriétés visées et de techniques de microscopie électroniques employées (au sein du laboratoire mais aussi du CLyM, le Consortium Lyon Saint-Etienne de Microscopie) cette présentation propose un état des lieux de la microscopie électronique sur les matériaux polymères et discutera les perspectives et enjeux à venir afin d’ouvrir la discussion.

[1] Michler, G. H., Electron microscopy of polymers. (Springer, 2008).
[2] Koneti, S. L. Roiban, F. Dalmas, C. Langlois, A.-S. Gay, A. Cabiac, T. Grenier, H. Banjak, V. Maxim, T. Epicier, Fast electron tomography: Applications to beam sensitive samples and in situ TEM or operando environmental TEM studies. Mater. Charact. 151, 480–495 (2019).
[3] Dalmas, F., N. Genevaz, M. Roth, J. Jestin & E. Leroy, 3D dispersion of spherical silica nanoparticles in polymer nanocomposites: A quantitative study by electron tomography. Macromolecules 47, 2044–2051 (2014).
[4] Xiao, J., L. Roiban, G. Foray & K. Masenelli-Varlot, Characterization of Liquid Suspensions in 3D using Environmental Scanning Electron Microscopy in Transmission. Microsc. Microanal. 24, 350–351 (2018).

Michael Luksin: Investigation of halogen-free flame retardant mechanisms in polystyrene foams

Sabine Fuchs: From synthesis to application: Substituted cyclotriphosphazenes as flame retardants in HIPS