AVANCÉES TECHNOLOGIQUES POUR LES RÉSERVOIRS DE VÉHICULES ÉLECTRIQUES À HYDROGÈNE Chocs Avancées 2021 / S. Villalonga, H. Mathis, C. Magnier (CEA – DAM Centre du Ripault)

Les véhicules électriques à hydrogène permettraient au transport de trouver une alternative à l’énergie fossile. Contrairement aux véhicules électriques à batterie, ils possèdent une autonomie et un temps de remplissage équivalents à ceux des véhicules thermiques actuels. Afin de limiter l’encombrement à bord du véhicule, l’hydrogène est stocké à 700 bar dans des réservoirs. Pour répondre au niveau élevé de sollicitation thermomécanique avec une masse réduite, des matériaux composites à fibres de carbone sont utilisés. Au travers de projets collaboratifs, le CEA – DAM travaille depuis de nombreuses années pour obtenir la meilleure
utilisation possible de cette fibre de carbone. Les contraintes du procédé de fabrication du réservoir limitent les degrés de liberté de conception des
structures composites. La qualité du matériau permet d’améliorer les performances des structures. La fabrication annuelle de millions de véhicules, et donc de réservoirs, annoncée par la Commission européenne
pour 2030 nécessite un procédé rapide de haute qualité. Pour cela le CEA – DAM a développé des outils numériques et un procédé permettant de réduire significativement la masse de fibres de carbone et la durée de fabrication de la coque composite.

MODÉLISATION DE BÉTONS ET DE CÉRAMIQUES DE BLINDAGE : COMPLÉMENTARITÉ DES ESSAIS À L’ÉCHELLE DU MATÉRIAU ET DE LA STRUCTURE Chocs Avancées 2018 / B. Erzar, C. Pontiroli, J.-L. Zinszner (CEA – Gramat), P. Forquin (Laboratoire Sols, solides, structures, risques (S3R), UMR 5521 CNRS – Université Grenoble-Alpes – Grenoble INP)

Le besoin de disposer de capacités prédictives pour répondre aux missions d’évaluation de la vulnérabilité des infrastructures ou des effets des armes conventionnelles nécessite la mise en place d’une démarche de simulation alliant modélisation physique, expérimentations et outils numériques. La maîtrise du comportement des matériaux constitutifs de l’arme (missile, charge explosive, etc.) et de la cible (structure en béton, aéronef, etc.) est de ce fait primordiale. Les exemples présentés dans cet article concernent, d’une part, l’amélioration d’un modèle d’endommagement dédié aux bétons à ultrahaute performance renforcés par des fibres métalliques et, d’autre part, les étapes d’identification des paramètres d’un modèle micromécanique décrivant la fragmentation des céramiques de blindage. Dans les deux cas, les modèles développés sont alimentés par des essais de caractérisation à l’échelle du matériau. La validation des capacités de simulation est ensuite obtenue grâce à des essais d’impact à l’échelle de la structure.

CARACTÉRISATION DES NANOCONTACTS D’UN REVÊTEMENT OPTIQUE DU LASER MÉGAJOULE Chocs Avancées 2018 /J. Avice, C. Boscher, P. Belleville, H. Piombini (CEA – Le Ripault), G. Vaudel, G. Brotons, V. Juvé, M. Edely, P. Ruello (Institut des molécules et des matériaux du Mans, UMR 6283 CNRS – Le Mans Université), V. Gusev (Laboratoire d’acoustique, UMR 6613 CNRS – Le Mans Université), C. Sanchez (Laboratoire de chimie de la matière condensée, Collège de France, Paris), C. Méthivier (Laboratoire de réactivité de surface, UMR 7197 CNRS – Sorbonne Université, Paris)

Les revêtements antireflet des composants optiques du Laser Mégajoule sont réalisés en utilisant le procédé solgel. Ces revêtements sont constitués d’un empilement aléatoire de nanoparticules de silice d’environ 10 nm de diamètre. L’article 1 décrit le suivi des propriétés physicochimiques de ces revêtements grâce à un ensemble de caractérisations allant de la solution sol-gel initiale jusqu’à la mesure des « forces de contact » entre nanoparticules dans la couche. Cette étude fondamentale d’un procédé très robuste permet d’avoir un contrôle total de l’ensemble du processus en termes de propriétés physiques et de reproductibilité, et de minimiser à terme les coûts de production et de maintenance des optiques du Laser Mégajoule.

Mesure de contraintes de couches minces par biréfringence Chocs Avancées 2016 / H. PIOMBINI, F. COMPOINT, C. AMBARD, D. PICART (CEA – Le Ripault), G. DAMAMME (CEA – Gramat), F. BRÉMAND (Université de Poitiers)

Les dépôts de couches minces sur des composants optiques permettent de réaliser différentes fonctions, dont les plus connues sont l’augmentation de la réflectivité (miroir) et l’antireflet (élimination d’image parasite). Malheureusement, ces couches minces induisent des tensions dues à l’adaptation aux interfaces des différents matériaux employés qui ont des propriétés thermomécaniques et des paramètres de mailles différents. L’équilibre de ces tensions ou contraintes s’effectue en partie par une modification de la forme de l’interface et de la densification du milieu. Dans le domaine des couches optiques, les contraintes sont évaluées généralement à partir d’une mesure de rayon de courbure (« mesure d’une flèche »), en supposant que l’épaisseur du substrat est très supérieure à l’épaisseur de la couche et que les matériaux sont isotropes (théorie de Stoney [1]). Pour des matériaux déposés à température ambiante, les dépôts peuvent être très faiblement contraints et leur déformation trop faible pour être mesurable précisément, même à l’aide d’un profilomètre ou d’un interféromètre. Dans cet article est présentée une méthode de photoélasticité qui mesure les contraintes par effet opto-mécanique induit. Pour remonter aux contraintes, la biréfringence induite par le dépôt d’une couche mince est mesurée. Préalablement, le banc expérimental est étalonné à partir d’un essai sur un disque et de sa modélisation opto-mécanique.

Étude des changements de phases dans un acier inoxydable 316Nb par diffraction de neutrons Chocs Avancées 2016 / W. JOLLY, C. TOFFOLON-MASCLET, B. MARINI (CEA – Saclay), J.-M. JOUBERT (Institut de chimie et des matériaux Paris-Est (ICMPE), UMR 7182 CNRS – Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne, Thiais), F. PORCHER, G. ANDRÉ (Laboratoire Léon-Brillouin, UMR 12 CNRS – CEA, Gif-sur-Yvette), F. CORTIAL (DCNS Research, Centre d’expertise des structures et matériaux navals (CESMAN), La Montagne), P. PETIT (Aubert&Duval, Usine des Ancizes, Les Ancizes), S. RINGEVAL (CEA – Valduc)

La technique de diffraction in situ de neutrons a été utilisée pour identifier les phases présentes dans un acier inoxydable 316 stabilisé au niobium et pour quantifier l’évolution de leur fraction massique pendant un maintien à 900 °C. Ce type d’analyse, couplé à des simulations ThermoCalc et à des caractérisations métallurgiques, permet d’avoir accès aux cinétiques d’apparition de la phase sigma, phase nocive vis-à-vis des propriétés mécaniques du matériau et de sa résistance à la corrosion, et de contribuer à la validation des gammes de fabrication.

Cinétique de la transformation martensitique d’un alliage de plutonium en phase δ Chocs Avancées 2016 / B. RAVAT, B. OUDOT, F. LALIRE, A. PERRON, F. DELAUNAY (CEA – Valduc), E. AEBY-GAUTIER (Institut Jean-Lamour – UMR 7198 CNRS – Université de Lorraine, Nancy), B. APPOLAIRE (Laboratoire d’étude des microstructures, UMR 104 CNRS – Onera, Châtillon)

Au regard du diagramme de phase à l’équilibre thermodynamique, les alliages PuGa en phase δ ne sont que métastables et une concentration proche de 1 % at. en Ga apparaît être expérimentalement comme une extrême limite. Ainsi, lors d’un refroidissement, une transformation martensitique de la phase δ cubique en phase α’ monoclinique se produit, provoquant une étonnante contraction en volume de l’alliage de l’ordre de 20 %. Caractériser et comprendre les cinétiques de cette transformation de phase dans cet alliage à basse température ont constitué l’objectif du travail réalisé.

Revêtements colonnaires par projection plasma de suspensions Chocs Avancées 2016 / B. BERNARD, A. QUET, E. HERVE (CEA – DAM Le Ripault), L. BIANCHI (Safran Tech, Magny-les-Hameaux)

L’augmentation des températures de fonctionnement des turboréacteurs est un axe de développement privilégié dans l’industrie aéronautique. Une solution est l’optimisation des couches isolantes appelées barrières thermiques. Le procédé de projection plasma de suspensions permet d’envisager une amélioration significative des performances pour les prochaines générations de barrières thermiques. Il a en effet montré des capacités à générer des microstructures colonnaires associant faible conductivité thermique et durée de vie élevée. Le procédé a par ailleurs été évalué pour la réalisation des revêtements sur des pièces fonctionnelles.

Porosité du TATB par spectrométrie RMN de diffusion et microscopie MEB-FIB Chocs Avancées 2016 / P. PALMAS, T. BOTZANOWSKI, M. GUERAIN, A. FORZY, É. BRUNETON, G. DEL RIO (CEA – Le Ripault)

Dans une composition énergétique, les performances détoniques et la sensibilité au choc sont des propriétés étroitement liées à la présence de pores au sein du matériau. La porosité du TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzène) a été étudiée par une approche originale en spectrométrie RMN (résonance magnétique nucléaire). Son principe repose sur la mesure du phénomène de diffusion restreinte de l’eau résiduelle piégée dans le matériau. Des cavités de plusieurs microns, fermées et contenant une solution NH4Cl/H2O ont été clairement mises en évidence. Ce résultat a été confirmé à l’échelle d’un grain de matière par nanotomographie MEB (microscope électronique à balayage)-FIB (ou SEM-FIB en anglais, Scanning Electron Microscope-Focused Ion Beam). Les caractéristiques géométriques et les tailles moyennes des porosités déduites des reconstructions d’image 3D sont cohérentes avec celles obtenues par RMN et montrent la bonne complémentarité entre les deux techniques.

Méthode quantitative et résolue en espace d’estimation de l’anisotropie optique des carbones graphitiques Chocs Avancées 2015 / A.-P. GILLARD, G. COUÉGNAT, O. CATY, A. ALLEMAND, P. WEISBECKER, G. L. VIGNOLES (Laboratoire des composites thermostructuraux (LCTS), Unité mixte de recherche 5801 CNRS – CEA – Université de Bordeaux – Safran Herakles)

Cet article présente une méthode de caractérisation quantitative des carbones graphitiques à l’aide de microscopie optique en lumière polarisée. Elle permet l’obtention de cartographies d’orientation locale et d’anisotropie. Elle peut être appliquée à toute région observable avec un microscope, quel que soit le grossissement, et nécessite seulement une série de quelques micrographies à différentes combinaisons d’angle du polariseur et de l’analyseur. Différentes applications sont présentées et discutées.

Élucidation du comportement en température d’un alliage de Pu en phase δ en limite de métastabilité Chocs Avancées 2013 / B. RAVAT, B. OUDOT, F. LALIRE, A. PERRON, F. DELAUNAY (cea – valduc)

Au regard du diagramme de phase à l’équilibre thermodynamique, les alliages PuGa en phase δ ne sont que métastables et une concentration proche de 1 at.% en Ga apparait être expérimentalement comme une extrême limite. Caractériser et comprendre le comportement de cet alliage en température fait l’objet du travail présenté ici. Ainsi, l’étude des nombreuses transitions de phases observées au cours de la réversion en température, après transformation martensitique à basse température, a été réalisée. Ce travail s’est appuyé sur des expériences in situ de diffraction des rayons X (DRX) et de dilatométrie couplées à une simulation thermodynamique.

Essai d’adhérence d'assemblages de composites à l’aide de rampes de compression dynamique Chocs Avancées 2013 / E. BUZAUD, P.-Y. CHANAL (CEA − Gramat), E. GAY, L. BERTHE (Laboratoire procédés et ingénierie en mécanique et matériaux CNRS , Arts et Métiers ParisTech, Paris), M. BOUSTIE (Département de physique et de mécanique des matériaux, Institut Pprime CNRS , ENSMA, Université de Poitiers), M. ARRIGONI (Laboratoire brestois de mécanique et des systèmes - LBMS, EA 4325, ENSTA-Bretagne, Brest)

La tenue des composites de type carbone/époxy et de leurs assemblages collés suscite un intérêt croissant dans le paysage industriel actuel, particulièrement dans le secteur aéronautique. L’adhérence est l'un des paramètres prépondérants de tenue aux sollicitations mécaniques, et détermine la durée de vie de la structure. Les techniques non destructives conventionnelles ne sont pas satisfaisantes pour mesurer la résistance des assemblages collés et détecter les joints faibles. En revanche, la calibration maîtrisée d’une rampe de compression dynamique à l’aide de la machine GEPI permet d’induire un endommagement plus ou moins prononcé dans le joint de colle et de caractériser ainsi les performances du procédé de collage.

Analyse du phénomène de striction en régime dynamique par stéréocorrélation Chocs Avancées 2012 / G. besnard, J.-M. LaGranGe (CEA – DAM ile-de-France), F. hiLd, s. roux (laboratoire de mécanique et technologie, ens cachan / cnrs / upmc, universud paris, cachan), P. MarTinuzzi (cea – valduc)

La compréhension physique des mécanismes de ruine, telle que la striction, implique la réalisation d’expériences élémentaires au cours desquelles les matériaux subissent de grandes déformations, pour différents types de géométrie et de trajets de chargement. Cet article illustre une telle situation dans le cas d’éprouvettes cylindriques en aluminium de différentes longueurs soumises à une sollicitation de traction rapide au moyen de barres de Hopkinson. Afin de caractériser le comportement des éprouvettes, un système d’imagerie numérique rapide est mis en oeuvre. Nous décrivons ici l’accès à l’évolution de l’état de surface au cours du temps par la mise en place d’un système d’acquisition stéréoscopique. Nous insistons sur les spécificités liées à la haute cadence des prises de vue et aux grandes déformations des objets analysés ce qui, dans le contexte de notre étude, nécessite l’emploi de techniques de dépouillement d’images complémentaires.

Fragmentation de céramiques de blindage Chocs Avancées 2012 / B. erzar, J.-L. zinszner, e. buzaud, P.-y. ChanaL (cea − Gramat), P. Forquin (laboratoire d’étude des microstructures et de mécanique des matériaux, université de lorraine, Île du saulcy, metz)

Les céramiques sont souvent employées dans les systèmes de protection malgré leur nature fragile qui les expose à une fragmentation intense en cas d’impact balistique. Les modèles couramment utilisés décrivent mal cet aspect du comportement. Dans cette étude, la machine GEPI du CEA−Gramat a été utilisée pour caractériser finement le comportement d’une alumine en traction à très haute vitesse de chargement. De plus, des simulations numériques ont été menées avec un modèle d’endommagement décrivant les mécanismes élémentaires activés au cours de la fragmentation des matériaux fragiles.

Les cibles cryogéniques destinées au Laser MégaJoule (LMJ) sont composées d’une cavité de conversion cylindrique en or de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur, pourvue de 2 ouvertures à ses extrémités pour le passage des faisceaux laser. Le mélange fusible de deutérium-tritium est contenu dans un microballon de polymère amorphe hydrocarboné (ou deutéré) d’environ 2 mm de diamètre et 0,2 mm d’épaisseur. Pour éviter le développement d’instabilités qui perturberaient la mise en condition du mélange fusible et l’amorçage de la réaction de fusion, il est indispensable de maîtriser avec une très grande précision certaines caractéristiques géométriques comme les épaisseurs du microballon et de la couche cryogénique ainsi que leur rugosité. En particulier, il est nécessaire de connaître avec précision le nombre et la taille des défauts présents à la surface externe du microballon (dôme, trou, rayure).

La microstructure en trois dimensions d’anodes de piles à combustible SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) a été obtenue en utilisant un faisceau d’ions focalisé couplé à un microscope électronique à balayage (FIB-SEM). Les paramètres de préparation des échantillons et les conditions opératoires ont été optimisés pour obtenir une reconstruction de très bonne qualité sans artefact. Les fractions volumiques des phases, la manière dont elles sont connectées, leur surface spécifique et les longueurs des lignes correspondant à l’intersection des trois phases analysées sont les paramètres étudiés. Des valeurs de conductivités électronique et ionique ont été calculées à partir du volume reconstruit en résolvant l’équation de transport diffusif par une méthode de différence finie implicite.

La compréhension physique des mécanismes de ruine (striction puis fragmentation d’un ensemble mécanique) implique la réalisation d’expériences élémentaires au cours desquelles les matériaux subissent de grandes déformations, pour différents types de géométrie et de trajets de chargement. Cet article illustre une telle situation dans le cas d’un cylindre en cuivre mis en expansion par explosif. Afin de caractériser le comportement de l’éprouvette, des systèmes d’imagerie ultra-rapide, grand champ et très résolus, analogiques aujourd’hui mais en mutation vers des solutions « tout numérique », sont mis en oeuvre. Nous décrivons ici l’accès à l’évolution de l’état de surface au cours du temps par la mise en place d’un système d’acquisitions stéréoscopiques en insistant sur les spécificités liées à la très haute cadence des prises de vue, aux grandes déformations des objets analysés et au contexte pyrotechnique.

Les études menées en collaboration entre nos différents laboratoires ont permis d’améliorer notre compréhension des mécanismes induits à l’échelle microscopique sous irradiation dans les fibres optiques dopées au phosphore. Les défauts ponctuels à l’origine de la forte dégradation de ces fibres sous irradiation ont été pour la plupart identifiés ainsi que leurs mécanismes de génération. À partir de ces études fondamentales, il a été possible de montrer la faisabilité de diverses applications utilisant ces fibres optiques dans différents domaines du nucléaire. La première, basée sur leur forte sensibilité aux radiations, concerne un outil de dosimétrie in situ résolu spatialement. La seconde, rendue possible par le contrôle de la génération de certains des défauts phosphore sous irradiation, concerne une fibre optique amplificatrice tolérante aux radiations rencontrées dans l’espace.

Depuis 2005, le volume de publications concernant le béryllium n'a cessé d'augmenter, en particulier dans le domaine des équations d’état et de la détermination des constantes d’élasticité [1,2]. Dans ce contexte, nous proposons la détermination des modules d’élasticité de polycristaux de béryllium par une méthode ultrasonore dans la gamme de température T ∈ [300-1 000] K. Du fait du comportement atypique du béryllium (coefficient de Poisson très faible), l’approche et l’interprétation des résultats sont globales afin de proposer des tendances d’évolution cohérentes des modules d’élasticité en fonction de la température.

La projection plasma de suspension de particules nanométriques permet d’obtenir des dépôts nanostructurés de faible épaisseur permettant d’améliorer les fonctions des pièces revêtues. Cette technique utilise une veine gazeuse à haute vitesse et haute température, générée par une torche plasma, dans laquelle est injectée une suspension du matériau fonctionnel. Les interactions entre le gaz à haute température et le liquide chargé sont nombreuses (fragmentation, évaporation du liquide, traitement thermique des particules) et complexes à analyser du fait des vitesses et du fort rayonnement lumineux généré par le plasma. En simulation numérique directe et sans hypothèse réductrice, les premières images de modélisation d’un train de gouttes et d’un jet continu d’eau pénétrant dans un jet plasma restituent complètement les séquences de fractionnement visualisées en caméra rapide au Laboratoire de projection thermique. Cette étape ouvre des voies prometteuses d’analyse de l’influence des différents paramètres intervenant dans le procédé.

L’alliage d'aluminium 7020 à durcissement structural est particulièrement bien adapté à la réalisation de pièces soudées du fait de sa composition sans cuivre. Le soudage de cet alliage par faisceau d’électrons (FE) sous-entend de bien connaître l’impact du procédé sur les propriétés mécaniques du matériau. Cet article présente quelques résultats obtenus lors d’études menées sur la caractérisation des nanostructures en relation avec les propriétés de la liaison soudée.

Les moyens de description de la microstructure de matériaux complexes par tomographie X ou par des algorithmes adaptés ont ouvert la voie au calcul des propriétés thermiques de ces milieux. À partir de ces descriptions, nous avons développé une démarche originale de modélisation multi-échelle des transferts par conduction et rayonnement. Cette démarche a pu être appliquée à des matériaux de types composites, alvéolaires, multicouches, superisolants nanoporeux, conçus et élaborés par le CEA pour être utilisés, par exemple, pour leurs propriétés de tenue à une rentrée atmosphérique, de diffuseur de gaz à haute température, d’isolation thermique... Dans cet article, nous illustrons cette approche par deux exemples traitant l’un de la conduction et l’autre du rayonnement.

L’ablation de matériaux composites carbone/carbone est étudiée expérimentalement, analytiquement et numériquement du point de vue du matériau. Les résultats montrent que les rugosités obtenues sont fonction des contrastes de réactivité entre constituants et de la compétition diffusion/réac- tion hétérogène. Nous évaluons les morphologies et les vitesses effectives de recul dans toutes sortes de situations.

Les mécanismes complexes mis en jeu lors d’un usinage affectent l’état mécanique, microstructural et topographique des métaux. De nombreux développements technologiques et scientifiques permettent de minimiser l'amplitude des défauts de type géométrique. Toutefois, ces modifications ont également une influence sur la réactivité des surfaces usinées. Le projet présenté, relatif au tournage de superfinition du cuivre, permet de caractériser l'influence de paramètres d'usinage sur le matériau, de dégager des réponses significatives telles que des mesures de rugosité, de contraintes ou de réactivité de la surface, mais également d'extraire trois domaines dans la zone affectée, correspondant à des phénoménologies différentes. Une telle analyse permettra d’approfondir la connaissance du procédé d’usinage et d’améliorer l’intégrité des pièces usinées.

Depuis 40 ans, les techniques de chauffage impulsionnel ont été largement utilisées pour étudier les propriétés thermophysiques des métaux à l’état solide et surtout liquide. Celles-ci viennent en complément des techniques de chauffage statique limitées par leur domaine de température (T < 2 000 K) et par la réactivité chimique des métaux liquides. Nous décrivons ici quelques avancées récentes en termes de développements technologiques et de nouvelles données expérimentales obtenues à l’aide de ces techniques de chauffage dynamique.