Synthèse des matériaux

Simulation d’un mélange d’or-césium – crédit CEA

Les chercheurs en physico-chimie du pôle Défense s’intéressent à l’auto-assemblage de fibres supramoléculaires, dont les propriétés intrinsèques ouvrent des perspectives dans le domaine des cibles laser, de la catalyse et des biomatériaux.

La simulation numérique joue un rôle important, par exemple, dans la modélisation de matériaux énergétiques par une approche multi-échelle intégrant les lois de la chimie organique (logiciel Mateo). Le CEA s’intéresse également aux couches minces ferromagnétiques, aux matériaux hybrides nanostructurés et aux métamatériaux.

Pour en savoir plus

Édition 2014
Augmentation des capacités d’adsorption du xénon par dopage à l’argent d’une zéolithe – rôle des nanoparticules d’argent Chocs Avancées 2014 / L. DELIERE, S. TOPIN (CEA – DAM Île-de-France),
S. DE VITO (CEA – Le Ripault)

Le développement de matériaux fortement adsorbant pour la capture du xénon est un enjeu majeur pour la production industrielle de xénon ou pour les systèmes de surveillance des essais nucléaires. Le dopage à l’argent de zéolithes (matériaux adsorbants) leur confère des capacités d’adsorption du xénon, à hauteur des teneurs proches du xénon atmosphérique, de l’ordre du ppm, supérieures de deux ordres de grandeur à celles de leurs homologues non dopés. Le couplage expérience/simulation permet de caractériser les sites d’adsorption spécifiques du xénon à l’échelle moléculaire. Mise en évidence expérimentalement, la présence des nanoparticules en surface du matériau permet d’expliquer l’adsorption du xénon à basses concentrations. La simulation Monte Carlo a montré la forte interaction entre le xénon et les nanoparticules et a ainsi permis d’élucider le rôle des nanoparticules sur l’adsorption du xénon.

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Compositions énergétiques nanostructurées sûres Chocs Avancées 2014 / A. WUILLAUME, A. BEAUCAMP, F. DAVID-QUILLOT (CEA – Le Ripault), C. ERADÈS (ONERA, Palaiseau)

Afin d’améliorer la sûreté des compositions énergétiques, il est possible de jouer sur la qualité cristalline (pureté, microstructure) de molécules performantes comme les nitramines hexogène (RDX) et octogène (HMX). Une première voie consiste à effectuer une recristallisation contrôlée du matériau (cas du VI-RDX). Une seconde voie, choisie par le CEA – Le Ripault [1], cherche à diminuer la taille des cristaux en préparant des matériaux énergétiques nanostructurés. Pour éviter les risques de manipulation de nanoparticules, les matériaux préparés sont des matériaux macroscopiques tridimensionnels constitués en masse de 90 % de nanoparticules (150-300 nm) de RDX incorporées dans 10 % d’une matrice nanostructurante organique. La synthèse de telles compositions ainsi que les caractérisations réactives les plus démonstratives sont décrites dans cet article. En parallèle, des caractérisations structurales (MEB, DRX) et de sécurité (analyse thermique (DSC), sensibilité mécanique, comportement thermomécanique) ont été menées.

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Édition 2013
Explosifs comprimés : comportement plastique du HMX Chocs Avancées 2013 / J. VIAL, D. PICART (CEA − Le Ripault), P. BAILLY (PRISME, INSA Centre Val de Loire, Bourges), F. DELVARE (Université de Caen Basse-Normandie, UMR 6139, Caen)

L’allumage des explosifs soumis à une agression mécanique (chute, impact, choc) dépend fortement du comportement des constituants (cristaux énergétiques, liant) de ces matériaux composites. Cette étude est un premier pas vers une compréhension du comportement des cristaux de HMX (octogène) lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations quasi statiques. Nous nous appuyons sur (i) des observations expérimentales réalisées
en temps réel et à l’échelle de la microstructure lors d’un essai inversé de compression dans la tranche et (ii) des simulations numériques. Nous démontrons que la réponse du matériau composite enregistrée lors d’un essai macroscopique fortement confiné correspond au comportement «isotrope moyen» des cristaux de HMX.

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Un mode de vortex dans des pétales ferromagnétiques Chocs Avancées 2013 / J. NEIGE, T. LEPETIT, N. MALLÉJAC, A. L. ADENOT ENGELVIN (CEA − Le Ripault), A. THIAVILLE (Laboratoire de physique des solides, CNRS UMR 8502, Université Paris-Sud, Orsay), N. VUKADINOVIC (Dassault Aviation, Saint-Cloud)

Les composites à base d’inclusions ferromagnétiques sont utilisés comme absorbants électromagnétiques dans de nombreuses applications de télécommunications (antennes, téléphones mobiles). Parmi les nombreuses charges envisageables, les pétales ferromagnétiques ont attiré l’attention de la communauté scientifique en raison de leur rapport de forme qui permet d’obtenir une perméabilité magnétique élevée. Étant donné leur taille, on pourrait s’attendre à ce que ces particules présentent une structure d’aimantation multi-domaines. On observe généralement deux résonances, couramment interprétées de la façon suivante : la résonance basse fréquence, attribuée aux parois de domaines, et la résonance haute fréquence assignée aux domaines. Aucune preuve expérimentale de cette interprétation n’avait toutefois été apportée. Dans ce travail, nous démontrons que la résonance basse fréquence peut être interprétée comme un mode de déplacement de vortex.

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Élaboration de composites carbone/carbone denses Chocs Avancées 2013 / A. ALLEMAND, P. DAVID (CEA − Le Ripault),
A. DEKEYREL, M-.A .DOURGES, R. PAILLER, A. ALLEMAND (Laboratoire des composites thermostructuraux - LCTS, UMR 5801 CNRS − Université de Bordeaux 1 − SNECMA − CEA, Pessac)

Des composites carbone/carbone (C/C) haute densité (>1,80) ont été élaborés grâce à un procédé multi-étapes. Celui-ci consiste à pré-densifier des préformes de fibres de carbone pour atteindre une densité élevée en seulement quatre cycles d’imprégnation/pyrolyse d’un précurseur de carbone liquide (le brai). L’influence du procédé sur la densité et la conductivité thermique est discutée, en prenant en compte les caractéristiques microstructurales des matrices de carbone à l’échelle submicronique.

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Nanoparticules de platine supportées sur carbone : catalyseur pour pile à combustible Chocs Avancées 2013 / P. BUVAT, J. BIGARRÉ, A. C. FERRANDEZ (CEA − Le Ripault), C. COUTANCEAU, S. BARENTON (Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers - IC2MP, UMR CNRS 7285, Université de Poitiers), D. DRU (ADEME, Angers)

Face à l’augmentation de la demande énergétique mondiale, aux problèmes environnementaux et à la diminution des réserves énergétiques d’origine fossile, l’émergence de sources d’énergie peu polluantes et renouvelables devient un enjeu économique majeur. L’hydrogène mis en oeuvre au sein de piles à combustible à membranes échangeuses de protons (PEMFC) est une voie particulièrement prometteuse pour les applications transports ou stationnaires. Les PEMFC sont des générateurs électriques à rendement élevé qui utilisent l’hydrogène comme combustible. Elles nécessitent néanmoins des catalyseurs pour accélérer les réactions d’oxydo-réduction qui produisent l’énergie électrique. Les électrodes actuellement utilisées sont très fortement chargées en platine. Le CEA − Le Ripault mène des études pour réduire le chargement en platine, voire s’affranchir de ce métal noble et cher.

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Édition 2012
Interaction élastique de nanoparticules Chocs Avancées 2012 / x. dieudonné, h. PioMbini, k. vaLLé, P. beLLeviLLe (CEA - Le Ripault), a. ayouCh, G. vaudeL, v. Gusev, P. rueLLo (Institut des molécules et de matériaux du mans - Immm, umr cnrs n°6283, université du maine, le mans)

Les propriétés physiques et chimiques des films colloïdaux, systèmes constitués de nanoparticules (NP) interconnectées en surface, dépendent de la fraction volumique des NP, de leurs propriétés intrinsèques et de la nature de leurs interconnexions. Les voies chimiques pour l’élaboration de ces nanocomposites sont diverses (précurseurs, solvants…) et engendrent différents types de contacts entre NP. La nature des liaisons chimiques au niveau des nanocontacts peut être établie par spectroscopie, mais cette technique ne permet pas de caractériser la cohésion/élasticité du solide qui est directement liée à la rigidité des nanoconnexions entre les NP. Nous utilisons ici une technique basée sur la génération et la détection par laser femtoseconde d'une onde acoustique à l'échelle nanométrique pour évaluer la rigidité des contacts entre NP. Nos mesures ont permis de mesurer la vitesse acoustique dans les matériaux étudiés et d'en déduire les modules élastiques et coefficients de rigidité des nanocontacts.

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Propriétés de couches magnétiques à anisotropie en hélice Chocs Avancées 2012 / M. GLoaneC, s. dubourG, F. duverGer, d. PLessis, a. bonneau-brauLT (CEA - Le Ripault)

Les couches minces magnétiques sont employées dans des dispositifs hyperfréquences pour les applications de télécommunications (substrats d’antennes, inductances planaires, filtres). Leurs performances sont intimement liées à l’homogénéité de leurs propriétés obtenues pendant la phase d’élaboration. Le cas typique d’une couche mince avec une anisotropie « en hélice » imposée pendant la fabrication est présenté ici. Une méthode originale d’évaluation de la dispersion d’aimantation générée a été développée. Elle démontre le très bon accord entre les cas expérimentaux et les cas calculés via un modèle micromagnétique 1D.

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Édition 2009
Synthèse de nouveaux matériaux supramoléculaires par auto-assemblage Chocs Avancées 2009 / A. Balland-Longeau, L. Moreau (CEA - Le Ripault), J. Thibonnet (Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux et des Biomolécules (PCMB), Université François Rabelais, Tours)

Dans le cadre du programme Simulation, et en particulier du Projet Cibles Laser, les chercheurs du CEA - Le Ripault, en collaboration avec l’Université de Tours, ont décrit la synthèse de matériaux innovants par auto-assemblage moléculaire non covalent. De tels matériaux supramoléculaires présentent des propriétés chimiques et mécaniques très intéressantes. Leur fonctionnalisation ouvre de belles perspectives dans des domaines allant de la catalyse aux biomatériaux.

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MATEO : logiciel intégré pour déterminer les propriétés de matériaux énergétiques par une approche multi-échelles Chocs Avancées 2009 / D. Mathieu (CEA - Le Ripault)

MATEO est un ensemble de codes permettant de calculer les propriétés de matériaux organiques à partir d'un minimum de données d'entrée. Initialement développé pour les propergols et explosifs, il permet de calculer a priori leurs propriétés fondamentales (densité, enthalpies de formation, de sublimation...) ainsi que leurs caractéristiques d'usage (chaleur d'explosion, puissance explosive, impulsion spécifique, température de décomposition, sensibilité à l'impact...). Il se distingue des logiciels décrits dans la littérature par une grande simplicité d'emploi obtenue sans compromis sur la fiabilité, grâce à des modèles développés sur des bases physiques et combinés au sein d'une approche multiéchelles.

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Édition 2007
Conception et réalisation de métamatériaux Chocs Avancées 2007 / O. ACHER, J.-M. LERAT, N. MALLÉJAC, M. LEDIEU, J.-H. LE GALLOU (CEA - Le Ripault)

Depuis une décennie, le domaine des matériaux connaît un essor considérable dans la communauté de l’électromagnétisme. Le CEA - DAM a apporté plusieurs contributions significatives à ce domaine, en particulier en mettant au point une méthode de calcul des propriétés des métamatériaux. Cette méthode permet d’appréhender visuellement leur comportement, et se révèle particulièrement efficace pour aider à leur conception. Nous donnons un exemple particulier de métamatériau conçu par cette méthode. Nous observons un excellent accord entre les propriétés mesurées, et celles prédites à l’aide de notre modèle.

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Édition 2006
De remarquables couches minces nanostructurées Chocs Avancées 2006 / P. BELLEVILLE, K. VALLÉ, P. PRENÉ (CEA - Le Ripault)

Depuis plusieurs années, le CEA - DAM développe des nanomatériaux hybrides, par synthèse chimique sol-gel pour la mise au point des revêtements optiques des lasers de puissance comme la Ligne d’Intégration Laser (LIL) et le Laser MégaJoule (LMJ).
Récemment, nous avons créé de nouveaux matériaux hybrides dont la porosité, de dimension nanométrique, est organisée. Cette nanostructuration s’obtient par utilisation de molécules qui servent d’empreintes lors de la construction du matériau en solution. Les molécules-empreintes sont ensuite éliminées par voie chimique. La porosité résultante est alors caractérisée par une taille de pores calibrée, voire par une structure cristalline. Ces nanomatériaux d’un nouveau genre sont dits “mésostructurés”. Ce concept a été mis à profit pour développer des nanomatériaux hybrides, inédits et originaux, par croissance in situ de phases nanostructurées hybrides au sein d’un polymére. Leur utilisation comme membrane pour les piles à combustibles basse température est aujourd’hui prometteuse puisqu’elle améliore la conductivité de la membrane par rapport au matériau de référence (Nafion®). Par ailleurs, un autre revêtement méso- structuré “sol-gel” se révèle être particulièrement adapté pour la détection chimique de gaz nitro-aromatiques. Dans ces deux exemples, la structuration du matériau à l’échelle nanométrique améliore ses propriétés fonctionnelles par rapport à la même composition exempte de porosité organisée.
En utilisant la voie d’élaboration sol-gel, nous diminuons les risques associés à l’élaboration et à l’utilisation des nanomatériaux, car le procédé de synthèse se fait en milieu liquide, ce qui permet de répondre à certaines inquiétudes associées aux nanomatériaux.

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Mise à jour : 22/09/2016