MATEIS UMR CNRS 5510 Matériaux : Ingénierie et Science - Lyonbiopole
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MATEIS
Matériaux : Ingénierie et Science
UMR CNRS 5510
MATEIS : Quelques chiffres
• 175 personnes (2009 : 146 personnes) dont :
– 60 enseignants-chercheurs (43 INSA, 5 UCB, 3 HU), 10 chercheurs CNRS, 1 PAST
– 25 ITA / IATSS (15 Insa, 5 CNRS, 2 UCB, 3 INSAVALOR)
– 61 doctorants, 20 post-doctorants, 5 ATER
• Budget (non consolidé) 2016 : environ 4,0 M€ HT (INSA + Insavalor + UCBL +
CNRS)
• 150 publications internationales par an et 20-30 conférences invitées / an (en
augmentation)
• 5 brevets par an
• 3 tutelles : INSA, UCBL, CNRS (INSIS 70 %, INC 30 %)
• sections CoNRS : 9 (11, 14, 15) ; CNU 28, 33 (60)
• 2 sites : La Doua (4 bâtiments) et Rockefeller Lyon 1 (ISPB : pharmacie)
MATEIS : Laboratoire de science des matériaux de structure, à l’intersection des champs disciplinaires physique, chimie, mécanique Spécificité : Étude des trois classes de matériaux : métaux, céramiques, polymères, et leurs composites (échange de concepts, partage de caractérisations, multi-matériaux) en intégrant volume, surface et interfaces. Approche globale : de l’élaboration (voire de la conception) au comportement en service (durée de vie) MATEIS s’attache à décrire les relations Elaboration-Microstructure- Propriétés, avec une approche expérimentale et/ou de modélisation. MATEIS intervient dans : - Les procédés avancés d ’élaboration, - La caractérisation microstructurale, souvent in situ et/ou 3D, - La caractérisation des propriétés d ’usage en relation avec la microstructure. - La modélisation à différentes échelles, Les matériaux multifonctionnels pour la santé, l’énergie et l’environnement, le transport ou le bâtiment font partie de nos préoccupations actuelles.
Notre approche : La ‘Boucle Matériaux’ intégrée
Conception
Procédés avancés
d’élaboration
Modélisation Evaluation des
performances
Caractérisation Multi-échelle
microstructurale Matériau
Multi-physique
(volume-surface)
3D et/ou in-situ
Multi-échelle
Environnement
(complexité)
Exemple I2B :
- Evaluation clinique (technique) et médico-
Conception économique des Dispositifs Médicaux,
- Analyse d’explants (retour sur conception)
Un fait marquant (illustratif) pour I2B : Céramiques et Composites à vocation
Biomédicale (FUI Hobbit)
Autre exemple : conception de prothèses intervertébrales mobiles en céramique
(projet européen LONGLIFE en coordination – fait marquant CERA)
- Conception du dispositif (prise en compte caractère fragile des céramiques)
- Conception de nouvelles nuances de matériaux plus résistants
MATEIS
Matériaux : Ingénierie et Science
UMR CNRS 5510
Contact:
Pr J. Chevalier
Jerome.chevalier@insa-lyon.fr
Conception
Nouvelles
microstructures
et architectures
Procédés avancés
d’élaboration
Un fait marquant (illustratif) CERA-METAL (collaboration S. Deville) : Conception ET
élaboration de matériaux bio-inspirés de la Nacre (publication Nature Materials 2014)
Mise en forme par dispersion-congélation-sublimation Frittage SPS
Procédés avancés
d’élaboration
Nouvelles
microstructures
et architectures
Nouvelles
fonctionnalités
Un fait marquant Laboratoire: CERA vers autres groupes
Le SPS (ou FAST) comme outil d’élaboration de nano- et multi-matériaux
- Installé en 2007 (2008)
- Premières publications en 2009
- Environ 45 publications SPS&MATEIS (h=11, 400 citations environ)
Intérêt d’investir de manière continue sur les procédés avancés d’élaboration
(durée de vie ‘limitée’ par l’engouement des nouvelles techniques)
Un fait marquant Laboratoire: CERA vers autres groupes
- Le SPS (ou FAST) comme outil d’élaboration de nano- et multi-matériaux
- Le SPS ou l’influence de champs multiples sur la genèse des microstructures
Céramique polycristalline transparente
Compaction gde vitesse PE haute masse Fer pur polycristallin fritté en SPS
(collab. CETIM)Synthèse / élaboration / assemblage – vers des multi-matériaux à la demande
Feuillet de BN
Alumine inspirée de la nacre
Mo2C
Densified Mo
AlN
Multi-couches Mo-AlN Frittage de billes métalliques
pour l'électronique de haute puissanceCollaboration
Objectif : Blocage bis-phénol A contenus dans polycarbonate B. Toury, N. Le Bail
Comment ? couche barrière constituée d’un revêtement
Précurseurs R
R
hybride à base d’oxyde Si/Zr élaboré par voie sol-gel
R
Problématique Mateis : caractérisation microstructurale et R
R
chimique des couches formées- Caractérisation fine des nano- et
Caractérisation microstructures des architectures et de leur
microstructurale évolution.
- Compréhension des mécanismes
3D et/ou in-situ physiques mis en jeu lors des sollicitations
Multi-échelle (élaboration / usage), dans des
environnements représentatifs
Faits marquants (non exhaustif, détaillé plus tard):
- Arrivée du FIB et de l’EtTEM au Clym (sur CPER 2009-2014), du SUPRA à
MATEIS
- Arrivée nouveau tomographe de laboratoire 2013 (fonds propres METAL)
- Développement de nombreuses nouvelles méthodologies (nano-sollicitation,
t- EBSD, traction in-situ haute température…)3D et/ou in-situ
Multi-échelle
Motivations :
- Caractérisation 3D primordiale (10mm)3
dans certains cas pour analyser la
X-ray
microstructure et l'endommagement (1mm)3 tomography /
de matériaux complexes Mechanical
serial
- Laboratoire précurseur dans ce sectioning /
(100µm)3
domaine, 15 ans d'expérience des
Volume of
confocal
material
microscopy
essais ESRF
- Spécificité : techniques d’analyse, (10µm)3 FIB
essais in situ couplés à l'imagerie 3D tomograph
y
(1µm)3
Matériel: Electron
tomography
- Tomographe de laboratoire existant (100nm)3
depuis 2006
Atom probe Via METSA
- Nouveau tomographe de
(10nm)3
laboratoire 2013 1Å 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 1mm
- Tomographe ESRF (accès sur
proposal ou par achat de temps de Approximate Voxel dimensions
faisceau)
- FIB (nouveau, Clym)
- MEB (nouveau MATEIS)
- MET (arrivée METET Clym)Un fait marquant (illustratif) SNMS-CERA-METAL & LAMCOS :
loi de comportement de nano-objets et mécanismes de déformation plastique
Nanoparticule Al2O3Implications:
- lois de plasticité des céramiques à l’échelle nanométrique, ici :
- élaboration : limite de broyage, compactionVers une compréhension des mécanismes de plasticité des nano-objets Comment une céramique ‘fragile’ peut présenter une superplasticité à cette échelle? Elaboration de Nano-cubes de MgO Nano-compression et analyse Simulation (DD)
Tomographie aux Rayons X : De la DCT à l’ESRF vers la DCT sur un tomographe de laboratoire DCT : Diffraction Contrast Tomographie (‘EBSD 3D’). DCT développée à partir de 2008 (Article Science – W. Ludwig détaché à l’ESRF) DCT sur tomographe laboratoire 2013
Utilisation quantitative des images
- Utilisation des acquisitions DCT pour la création d’un modèle 3D (orientations)
- Déformation virtuelle du polycristal (plasticité cristalline)
Nouveau :
19Utilisation quantitative des images
Traitement d'image 3D (mesure de fraction taille forme, tortuosité, percolation...)
Mesures de champs Calcul de microstructure multi résolution
Coll. Lamcos, X, ENS cachan
Champs de déformation, suivi de fissuration,
calculs KI
Basse résolution
Haute résolutionEvaluation des - Prise en compte des interaction avec
performances l’environnement, dans le cadre d’une approche
holistique (systémique),
Matériau
(volume-surface) - Développement de dispositifs de plus en plus
complets et complexes, pour prendre en
compte les synergies de mécanismes de
dégradation,
Environnement
(complexité) - Vers une prédiction de la durée de vie.Environnement ET contraintes : cas de la corrosion sous contrainte (fragilisation par
l’hydrogène, propagation lente dans les céramiques, etc…)
Exemple d’un couplage mécano-électrochimique (CorrIS-METAL&LAMCOS) :
Corrosion sous contrainte par l’iode des alliages de zirconium pour le nucléaire.
- Nouvelles méthodologies,
- Nouvelles informations sur les mécanismes.
Cellule électrochimie et
sollicita tion méca nique
Suivi propa ga tion fissure
CID, suivi évolution de KIEnvironnement ET contraintes : cas de la tribo-corrosion des matériaux métalliques
en milieu aqueux (application aux prothèses métalliques)
0.05 Volume chim - FM
Volume syn - FM
Volume effet H - FM
0.04 Volume meca - FM
Vusé (mm^3)
0.03
0.02
0.01
0.00
-1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0
Développement origina l : Cellule E (V/MSE)
électrochimie et tribologie
Qua ntifica tion des méca nismes
de dégra da tion et de la
synergie
- Développement de tests multi-physiques plus pertinents,
- Développement de nouveaux matériaux/revêtements multifonctionnels plus résistants
Un fait marquant démontrant la reconnaissance d’une communauté :
Médaille CEFRACOR Bernard Normand, 2013Un autre exemple marquant (illustratif) : dégradation des prothèses de hanche en
zircone : Usure et transformation de phase
Usure + Vieillissement
Vieillissement physique seulBilan : une spécificité de MATEIS
- Développement de bancs expérimentaux originaux avec analyse in-situ,
- Dans des conditions de chargement réalistes (donc complexes)
- Analyse des mécanismes physiques en jeu (au sens large)
- Prédiction du comportement (durée de vie) lors de l’utilisation.
Cristallisation des élastomères
Problématique industrielle : Problématiques scientifiques :
- Optimiser la dissipation d’énergie Influence de l’architecture moléculaire / formulation sur :
- Augmenter la durabilité - la dissipation d’énergie,
- Le comportement tribologique,
- La cristallisation du caoutchouc naturel
0.16
λa=6
0.14 λa=5.5
Cristallinity Index, CI
0.12 λa=5
λa=4.5
0.1 λa=4
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency (Hz)Modélisation Fait marquant ‘Modélisation’ : volonté affichée de présenter
une activité ‘simulation numérique’ croissante – recrutements
Multi-échelle et transferts.
Multi-physique Julien Morthomas, Sylvain Dancette, Christophe Le Bourlot,
Patrice Chantrenne (METAL), Claudio Fusco (PVMH), Jonhatan
Amodeo (CR CNRS 09)
Fait marquant : Prix FEMS Michel Perez, Prix Morlet SF2M 2013Illustration d’une simulation numérique avec transition d’échelle : prédiction de la
conductivité thermique de super-réseaux
Collaboration CETHIL (P. Chantrenne)Mobilité Loi de Calcul de
moléculaire comportement Structure
γ ne = f (σc , T, t )
LOAD (N) COMPRESSION
2500
2000
experiment 30°
1500
simulation 30°
1000 experiment 65°
simulation 65°
500
Displacement (mm)
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Projet scientifique MATEIS 2016-2020
Ingénierie des Matériaux sous Sollicitations Complexes
Elaboration
Comportement en service
Elaboration sous champs
multi-physiques Comportement sous champs
(synergie ‘positive’) complexes (T°, σi,j, σ°,Envt)
Développement de Synergie ‘négative’
matériaux multi-fonctionnels Implications sur la DDV
respectant des cahiers des Compréhension des mécanismes
charges complexes
(architectures à la demande)
(surface comme volume)Projet scientifique MATEIS 2016-2020
Transformation de la matière sous conditions complexes
nouveaux matériaux et procédés
Elaboration et transformation de la Nouveaux matériaux et
matière sous très haute pression et assemblages de matériaux
sous champs complexes. possédant des microstructures et
architectures nouvelles.
SPS Haute Pression (grandes tailles)
CIP haute pression Vers la fabrication additive :
Cold Spray (vitesses élevées) Frittage sélectif par laser (GISMA)
Robot-casting (achat en cours)
Nouveaux paradigmes dans Impression 3D
l’élaboration des matériaux
Modifications de surface :
Bio-minéralisation anti-corrosion, usure, etc…
Bactéries et consolidations
Assemblages complexesProjet scientifique MATEIS 2016-2020
Comportement de la matière sous Sollicitations Complexes :
optimisation de la durabilité et la multi-fonctionnalité des matériaux
Champs d’application, enjeux sociétaux adressés par MATEIS :
- matériaux pour le transport :
- Allègement des structures et des moteurs des véhicules routiers,
aériens, aérospatiaux,
- Durée de vie de pièces de plus en plus sollicités
- matériaux pour l’énergie :
- Production sûre (nucléaire, pétrochimie, piles), contraintes mécaniques
et chimiques très fortes
- Stockage et récupération (batteries) – couplages électro-mécaniques
- matériaux le bâtiment : contraintes hydro-thermo-mécaniques.
- matériaux et santé : matériaux par définition soumis à des champs
complexes – rôle de l’environnement biologique, interactions matériaux-
environnement biologique.Projet scientifique MATEIS 2016-2020
- Procédés moins énergivores
Procédés avancés - Plasticité des matériaux lors de l’élaboration
d’élaboration - Architecturer des matériaux en volume et
surface, à la demande.
- modélisation des transformations des matériaux
pendant l’élaboration, en usage
Modélisation - Transitions entre échelles,
- Couplages (multi-physiques)
- modélisation de comportements non linéaires
(plasticité, rupture)
- Prise en compte des conditions complexes dans
Evaluation des les essais (HP, HT, biologiques, thermo-hydriques,
performances fortes vitesses…etc…)
- Métrologie à différentes échelles, fortes vitesses,
fortes déformations.
- De la surface vers le volume.
Caractérisation -Essais in situ sous conditions environnementales
à toutes les échelles
microstructurale (de l’EtTEM à la tomographie RX)MATEIS : Structuration
Une structuration matricielle ‘atypique’ avec des transferts de concepts d’un groupe à
l’autre, favorisés par de nombreuses bi-appartenances (12/58) :
- 3 équipes abordant des problématiques associées à une classe de matériaux (CERA,
METAL, PVMH),
- 3 équipes présentant une activité commune aux trois classes de matériaux (SNMS,
CorrIS, I2B),
Des actions transverses formalisant des actions fédératrices, mûres et d’intérêt
commun :
- Procédés avancés d’élaboration, genèse et modification des microstructures,
- Matériaux composites : Emission Acoustique et prévision de la durée de vie,
- Caractérisation microstructurale in situ et/ou 3D.
- Modélisation et simulation numérique.
Thèses Ministère fléchées sur des actions transverses
Financement de deux ATER par le laboratoire
2011 : création de l’équipe I2B (8 arrivées)
2012 : dissolution de l’équipe ENDV (3 départs, 5 redéploiements)
Emergence de nouvelles activités transversales : ex. verres métalliques, matériaux pour
33
le bâtimentMATEIS : Structuration en relation avec l’industrie
Deux faits marquants : création des laboratoires communs MATE’B (2013) et LEAD (2014)
- Matériaux architecturés et multifonctionnels pour
l'efficacité énergétique des bâtiments :
- Super Isolants à Pression Atmosphérique,
- Panneaux Isolant sous Vide,
- Stockage de l’énergie .
- Champs scientifiques :
- Matériaux poreux nanostructurés (silices, aérogels organiques), granulaires,
- Multi-matériaux (organo-minéraux),
- Vieillissement thermo-mécano-hydrique (couplages).
- Laboratoire d’Excellence en Application Dentaire :
- Implantologie dentaire (métaux, céramiques)
- Restauration dentaire (prothèses)
- Champs scientifiques :
- Nouveaux alliages de Titane, verres métalliques, céramiques,
- Modifications de surface (topographie, chimie),
- Nouveaux procédés (fabrication additive, frittage rapide).
34MATEIS : Implication dans les structures de la COMUE Ly-SE
• Centre Lyonnais de Microscopies (CLYM), fédération de recherche sur les
techniques de caractérisation électroniques pour l’ingénierie, la physique, la chimie, la
biologie
• Gère des microscopes achetés en commun :
– au sous-sol de B. Pascal : MEB environnemental, MET, FIB, AFM
– à Centrale Lyon : MET LEO
– à Ircelyon (200 m sud-est de B. Pascal) : MET environnemental
• Les personnels de SNMS consacrent une partie de leur temps à cette structure dirigée
par Th. Epicier, également en charge de la structure nationale Metsa
Congrès Européen de Microscopie EMC2016 à Lyon
35MATEIS : Implication dans les structures de la COMUE Ly-SE
• Communauté de 12 laboratoires lyonnais en ingénierie pour les
transports, l’énergie, les technologies pour la santé, avec les matériaux en
thème transverse.
• I@L : 13ème rang / 34, 32 M€ de recettes partenariales, 10 M€ de recettes
éligibles pour abondement.
• I@L reçoit de l’ANR un abondement proportionnel à nos contrats de
recherche.
• Usage :
– 20% : fonctionnement administratif, animations.
– 45% : Projets de recherche inter-labos (appel d’offres annuel). Polymems 2 (avec IMP)
terminé ; en cours SuMeCe (avec Ampère et LMI), TomoFretting (avec LTDS), Ardent (avec
Lagep)
– 35% : Retour direct au laboratoire pour financer des investissements (50 %
diffractomètre X SGM-Mateis ; MEB Zeiss ; nanoindenteur ; travaux sécurité et
aménagement de salles ; catharomètre, zeta-sizer).
36MATEIS : Implication dans les structures de la COMUE Ly-SE
Engineering Lyon Tohoku laboratory
• Laboratoire international associé CNRS / INSA / Ecole Centrale / UCB Lyon 1 et
Université du Tohoku à Sendai, créé en 2008.
• Codirecteur JY Cavaillé ; gestion par nos secrétaires
• Abondé par les établissements, l’université de Lyon, la région Rhône-Alpes pour
financer la mobilité entre France et Japon (réunion annuelle vers mars par
alternance), écoles d’été annuelles.
• Présence Mateis dans 3 des 5 thèmes : matériaux + microélectronique ; fiabilité
des transports et de la production d’énergie ; bioingénierie.
• 20 projets sont actifs dans le cadre de ELyT lab, et 8 étudiants sont inscrits en
thèses en cotutelle (Double PhD degree, dont 4 à MATEIS) entre les universités
de Lyon et du Tohoku.
• Création de l’UMI ELYT-MAX (2016)
37MATEIS : Implication dans les structures de la COMUE Ly-SE
Fédérations, EQUIPEX et LABEX
• Institut de Chimie de Lyon
• Fédération de l’ingénierie lyonnaise - INSA, UCBL1 – CII@L
• Fédération Lyonnaise de Modélisation et Sciences Numériques
• Equipex Phare, plate-forme machines tournantes pour la maîtrise des
risques environnementaux,
• Equipex IVTV, ingénierie et vieillissement des tissus vivants,
• Labex iMUST, Institute for Multiscale Science and Technology,
impliquant laboratoires en physique, chimie, ingénierie.
38MATEIS : Structuration régionale et nationale GIS Multimatériaux architecturés avec Grenoble INP (http://www.materiauxarchitectures.fr/ ARC Energie (co-responsabilité) Pôles de compétitivité Axelera, Techtera (conseil scientifique), ViaMéca (conseil d’administration), Plastipolis Présence au CNU : 3 nommés et 3 élus en 28e s ou 33e s Présence au CoNRS (section 09) : 2 nommées Institut Universitaire de France : 2 membres juniors (2010-2014) Direction du réseau national de microscopies et caractérisation de pointe (METSA) ANR : présence aux comités de programme et d’évaluation Sociétés savantes : CA de SF2M, GFC, AMAC, CEFRACOR, MECAMAT 39
MATEIS : collaborations académiques internationales
Collaborations académiques en Europe
Univ. Polytech. Freiburg Univ Mons
Univ. Stuttgart UC Louvain
Univ. Nuremberg-Erlangen BCRC
TU Vienne
Imperial College London
University of Manchester Univ. Groningen
University of Southampton
IMR SAS Slovaquie
Univ. Genève
EPFL DTU Risoe
AO et RMS fundation
TU Budapest
TU Tampere
Polytechnique de Turin
IOR Bologne Swerea Göteborg
Univ. Padova
CSIC Oviedo
CSIC Madrid
UPC Barcelone
San Sebastian
Liste prenant en compte collaborations avec publications / projets EU
40MATEIS : collaborations académiques internationales
Collaborations académiques hors Europe
Indicateur : 25% de nos publications avec partenaires internationaux
Attractivité : 40% de nos étudiants sont étrangers 41MATEIS : Une participation actives aux projets collaboratifs
juin 2009- juin 2014 :
- Participation à 23 projets ANR (18 soumis en 2013, 19 soumis en 2014 !)
- Participation à 5 projets européens
NEWGEN
Partenaires dans le cadre des projets européens
(hors COST NEWGEN)
42MATEIS : Interaction avec l’environnement social et économique
Une tradition de collaboration avec les industriels : leurs questions sont sources
de problématiques scientifiques pertinentes. Nos questions scientifiques leur sont
sources d’innovation.
Chaire en cours de montage
Chaire INSA Chaire en cours de signature
Labo. commun
Chaire INSA
43MATEIS : Interaction avec l’environnement social et économique
Nombreuses collaborations avec PME notamment dans le domaine de la santé
• PME
Labcom LEAD
• Start-ups
44MATEIS : Interaction avec l’environnement social et économique
Collaborations industrielles internationales actuelles
Ces collaborations industrielles internationales sont générées par une reconnaissance et une
forte visibilité dans certains domaines de nos recherches appliquées 45Vous pouvez aussi lire
