AAP 2012

Ci-dessous les résumés des projets courts et longs  désormais clôturés sélectionnés dans le cadre de l’Appel à Projets 2012 du LabEx EMC3:

CAHAPS

Caractérisation en ligne de l’Adsorption des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques par les Suies

Axe 2 : Combustion propre – CIMAP/CORIA

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des molécules d’hydrocarbures générées lors des processus de combustion incomplète de la matière fossile (pétroles, fioul, charbon…) à haute température. Ces molécules sont produites en conditions déficientes en oxygène par combustion de carburant automobile (diesel…), domestique (bois…) ou industriel. Les HAP sont des composés très étudiés car leur caractère aromatique leur confèrent une activité biologique qui peut provoquer des dysfonctionnements cellulaires présentant un effet très toxique pour les organismes (cancérigène, mutagène). Les HAP sont ainsi listées parmi les polluants par l’OMS ou encore l’UE.

Par ailleurs les HAP jouent un rôle prépondérant dans la formation des particules de suie. Toutefois les diagnostics permettant de les caractériser sont difficilement quantitatifs et ne permettent pas de déceler la capacité de ces molécules à se fixer sur la suie au cours de leur croissance au sein des flammes de combustion.

Le projet CAHAPS (2013-2014) – « Caractérisation en ligne des d’Adsorption d’Hydrocarbures Polycycliques par les suies » porté par le Dr Jérôme Yon du CORIA propose la mise en œuvre d’un dispositif permettant de générer et quantifier l’adsorption de HAP par des agrégats de suie. Ce projet repose sur la mutualisation des savoir-faire de 2 laboratoires, l’un dans la génération et la caractérisation de suie (CORIA de l’INSA Rouen/Université de Rouen), l’autre dans la maitrise de la génération et de la caractérisation des HAP (CIMAP de l’ENSI Caen/Université de Caen).

En une année, l’équipe conjointe a mené à la fois des travaux d’ingénierie en adaptant différents appareillages pour générer des suies de taille contrôlée et les imbiber de HAP dans un environnement sous dépression et des travaux d’analyse, afin de caractériser différentes molécules d’hydrocarbures adsorbées sur la suie à l’aide de la spectroscopie de masse (TOF-MS).

Si dans cette approche les conditions de formation de la suie sont éloignées des conditions typiques de flammes, ces travaux ont permis de mettre en évidence l’adsorption spécifique de certains HAP sur la suie et de générer des agrégats de suie recouverts de HAP parfaitement identifiés (suie étalon). D’autres études doivent encore être menées pour permettre la quantification du taux de HAP adsorbés. Ces résultats laissent entrevoir la possibilité, d’ici quelques années, de pouvoir identifier quantitativement et de façon optique les polluants issus de la combustion de matière organique (biofuel comme carburant traditionnel) pour améliorer les systèmes de production d’énergie.

Porteur : Jérôme Yon (CORIA)

DYTHER

DYnamique des tourbillons de Görtler et impact sur les transferts THERmiques

Axe 2 : Combustion propre – CORIA/LOMC

Ce projet concerne la modélisation des phénomènes d’échange thermique qui surviennent dans un écoulement turbulent dominé par des tourbillons longitudinaux induits par la force centrifuge due à la courbure d’une paroi concave typiquement. Les équipes se partagent le travail entre les modélisations physiques menées par le LOMC et les simulations numériques avancées réalisées par le CORIA. Ces études théoriques s’inscrivent dans le cadre des efforts entrepris pour comprendre et améliorer les comportements thermodynamiques des matériaux soumis à de fortes sollicitations telles que ceux rencontrées dans les secteurs automobiles et aéronautiques mais aussi dans la production d’énergie (solaire, éolien, hydrolien, géothermie…).

Ces travaux ont permis de poser les premiers jalons en modélisation numérique pour comprendre ces phénomènes complexes et devraient servir d’état de l’art à la communauté scientifique. Ils ouvrent ainsi la voie vers de nouvelles investigations, en vue d’une prédiction fine des processus de transferts aux parois et de leur contrôle dans les systèmes industriels, tels que les micro-mélangeurs, les échangeurs thermiques, les aubes de turbine, ou les injecteurs aéronautiques.

tourbillons dyther simulation dyther

Représentation des tourbillons de Görtler et modélisation numérique.

Porteur : Abdellah Hadjadj (CORIA)

NANINOX

Influence de la NANostructure sur l’évolution sous irradiation de la microstructure et des propriétés des aciers austénitiques INOXydables.

Axe 1 : Matériaux pour l’énergie – GPM/CIMAP/CRISMAT

Dans les centrales nucléaires, les structures internes des réacteurs à eau pressurisée (REP) sont constituées d’aciers austénitiques inoxydables (AAI). Les conditions de fonctionnement (température, irradiation aux neutrons, milieu, contrainte mécanique) auxquelles sont soumises ces structures entrainent une dégradation des propriétés des aciers les constituant. Cette évolution peut conduire à la rupture de certaines pièces par un mécanisme de corrosion sous contrainte assistée par l’irradiation et ainsi limiter la durée de vie de ces REP.

L’irradiation subie par les aciers engendre des modifications au niveau microstructural par création de défauts ponctuels en surnombre. Ces derniers sont formés par collisions balistiques entre les neutrons issus des réactions de fission et les atomes des matériaux de structures.

Ce projet avait pour objectif d’élaborer un AAI à grains fins (quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres), par déformation plastique intense (HPT) d’un acier de type 316 puis d’étudier son comportement sous irradiation aux ions et de déterminer dans quelle mesure la nanostructuration améliore la résistance à l’irradiation.

En accord avec différentes études antérieures sur des matériaux à grains ultrafins, le nano-AAI élaboré en laboratoire présente des résistances à l’irradiation et à la corrosion (après irradiation) meilleures que l’acier conventionnel, et démontre ainsi le potentiel de la nanostructuration pour améliorer la tenue en milieu corrosif d’un acier irradié.

Ce projet a par ailleurs permis de renforcer les collaborations existantes entre le laboratoire GPM et l’IPAM (Russie) aboutissant à un projet européen (ERA.NET-RUS).

microgrpahie MET NaninoxMicrographies MET et clichés de diffraction associés pour les aciers 316 (a) « micro », (b) nanostructuré et (c) nanostructuré puis recuit.

Porteur : Bertrand Radiguet (GPM)

LUZ

Emission de LUmière « blanche » à partir de ZnO dopé terres rares et métaux.

Axe 1 : Matériaux pour l’énergie – CIMAP/CRISMAT/GPM

S’inscrivant dans l’axe Matériaux pour l’émission lumineuse, ce projet visait à réaliser un matériau électroluminescent original et simple, possédant une très bonne stabilité thermique et ne contenant pas d’éléments nocifs pour la santé.

Les structures de DEL les plus répandues pour produire de la lumière blanche sont à ce jour des jonctions P-N à base de GaN qui émettent dans le bleu ou l’UV et dont le rayonnement vient exciter des éléments phosphorescents situés sur la partie supérieure de la diode.

L’originalité de ces travaux est la réalisation d’un dispositif électroluminescent monolithique de type DEL à base de ZnO dopé par des Terres Rares de type Terbium et Europium en quantité inférieure à celle utilisée dans les DEL actuelles, diminuant ainsi le coût du dispositif et l’impact environnemental. Les concentrations respectives en terres rares permettent de contrôler l’indice de rendu de couleur (IRC).

En 18 mois, les équipes ont réussi à lever le verrou technologique en réalisant des dispositifs performants mais avec des intensités plus faibles que les standards actuels. Malgré cela et même si l’utilisation du dopage du ZnO avec du magnésium n’a pas pu se faire, le couplage des effets de l’europium et du terbium a bien été mis en évidence et des résultats très prometteurs ont été obtenus sur un des matériaux synthétisés. A la suite de ce projet et sur la base de ces résultats convaincants, il est envisagé la réalisation de structures pour des lasers à semi-conducteurs en usage dans les télécommunications par exemple. Les équipes du CIMAP explorent les principales pistes d’optimisation.

LUZ(a) Coupe schématique du dispositif électroluminescent ; (b) Signal électroluminescent montrant la faisabilité du dispositif proposé.

Porteur : Xavier Portier (CIMAP)

HELIOS

Hybrides ELectro-optiques Inorganiques Organiques Structurés

Axe 1 : Matériaux pour l’énergie – CRISMAT/CIMAP/LCMT

Le projet HELIOS (2013-2017) est un projet de recherche fondamentale qui visait 2 objectifs. D’une part, synthétiser des films hybrides organiques-inorganiques, originaux, auto-assemblés, électrodéposés, et avec des propriétés électro-optiques. D’autre part, élaborer des dispositifs photoconducteurs ou électroluminescents à partir des films précédents pour des applications de type LEDs ou cellules photovoltaïques. L’intérêt de tels dispositifs est d’allier les avantages des dispositifs tout inorganiques et de ceux tout organiques, à savoir une robustesse, un coût et des performances électriques et optiques intéressants.

Le projet HELIOS comportait 3 axes de recherche principaux  :

  • La synthèse de nouvelles molécules organiques absorbant ou émettant dans le visible utilisables au sein des films et dispositifs hybrides
  • La mise au point de nouveaux films hybrides par une technique peu coûteuse et non polluante, l’électrodéposition à partir de solution aqueuse
  • La réalisation de dispositifs à partir des films hybrides en vue d’applications photovoltaïques et électroluminescentes (par enrobage, gravure et métallisation).

Fig. 1: Principe d’élaboration d’un dispositif hybride à partir d’un film hybride composé de molécules luminescentes et d’oxyde de zinc ZnO.

 

Ce projet a permis de mettre à jour des nouvelles molécules, colorantes et photoluminescentes, et des nouveaux films et dispositifs hybrides, photoluminescents et semi-conducteurs. Les études réalisées au cours de ce projet ont permis d’apporter des précisions sur les compositions chimiques, les stabilités thermiques, les microstructures, les structures cristallines, la conduction électrique, la photoluminescence et la photoconduction des films et dispositifs. Toutes ces caractérisations fondamentales constituent une étape indispensable et nécessaire pour mettre au point des nouveaux dispositifs hybrides performants, bon marché et peu toxiques pour le photovoltaïque ou les LEDs. Ces derniers pourraient être une alternative intéressante aux dispositifs à base de perovskites hybrides, très étudiés récemment dans la littérature en raison de leur performance et de leur coût minime, mais présentant une certaine toxicité.

Le projet HELIOS a permis d’initier des nouvelles collaborations nationales et internationales (Université d’Hanoi, ICMCB, INSA Rennes) notamment dans le domaine de la synthèse et des caractérisations physiques. Il a par ailleurs permis l’acquisition de nouvelles techniques et compétences au sein du Labex EMC3, notamment dans l’élaboration et l’étude des films et dispositifs hybrides.

Porteur : Sophie Boudin (CRISMAT)

3D

Développement de techniques optiques 3D pour écoulements complexes

Axe 3 : Recherches transversales – CORIA/LOMC

Le projet 3D (2013-2017) porte sur le développement de techniques  interférométriques pour la caractérisation d’écoulements 3D. Trois techniques différentes ont été développées dans le cadre du projet.

D’une part l’holographie numérique a été transférée au LOMC et adaptée à l’étude de la dynamique tourbillonnaire générée par interaction houle/structure. L’utilisation de l’holographie en multi-exposition permet de suivre les positions successives des bulles au cours du temps et d’en déduire le champ de vitesses 3D dans un volume de plusieurs cm3.

Par ailleurs, l’holographie numérique avec deux longueurs d’onde d’enregistrement a été mise au point. Cette nouvelle méthode innovante permet de résoudre les difficultés liés à la mesure de différentes échelles de vitesses utilisées lors des méthodes de vélocimétrie de particules au sein d’un écoulement tourbillonnaire. Un dispositif embarqué comprenant deux diodes lasers fibrées associées à un coupleur ont permis d’effectuer des mesures à différentes échelles de vitesse et donc de caractériser aussi bien le cœur du tourbillon que la périphérie.

D’autre part, l’imagerie interférométrique en défaut de mise au point a été étendue à des configurations qui permettent une localisation 3D de bulles dans un écoulement, ainsi qu’une mesure de leur taille. La technique a été étendue à la caractérisation de particules irrégulières, permettant l’étude de milieux triphasiques (écoulement liquide avec présence de bulles d’air et de particules solides).

Fig. 1: Caractérisation de la dynamique de tourbillon par la méthode d’holographie numérique (Lebon et. al., Exp. Fluids 57(6), 2016)

Ce projet, qui a donc permis de confronter les calculs théoriques de modélisation du CORIA aux expériences dans le canal à houle du LOMC ont consolidé les relations entre les deux laboratoires, la méthode d’holographie numérique, développée au CORIA, étant à présent opérationnelle au LOMC. De plus, cette technique l’holographie numérique est particulièrement bien adaptée au suivi 3D des trajectoires de particules, ce qui offre des perspectives importantes pour l’étude d’écoulements complexes (milieu marin et comportement dynamique de  filaments viscoélastiques). Ainsi, la collaboration entre le CORIA et le LOMC, initiée par ce projet, sera poursuivie dans le cadre du projet CPER-FEDER NEPTUNE, par un postdoctorat sur l’étude d’écoulements à l’interface fluide-sédiments, par holographie numérique.

A la suite de ce projet, la start-up RainbowVision a été créée en 2017 par la post-doc recrutée au CORIA sur ce projet. Une très forte production scientifique en est également issue avec pas moins de 17 publications multipartenariales, 15 communications en congrès internationaux ainsi qu’un brevet et un logiciel.

Porteur : Gérard Gréhan (CORIA)