Equipe Plasmas - Procédés - Surfaces

Décharges haute pression, incluant les décharges à la PA et les décharges dans ou en contact avec des liquides

Depuis plusieurs années, l'équipe PPS s'intéresse aux décharges à la pression atmosphérique ou sus-atmosphérique. C'est notamment le cas dans les décharges dans les liquides où la pression peut atteindre plusieurs centaines de bars. Dans ces conditions de haute pression, les processus collisionnels modifient fortement le comportement des plasmas dont l'étude nécessite alors de développer des outils de diagnostic et des théories adaptés.

Les plasmas générés dans les liquides sont des décharges impulsionnelles de courte durée (typ. < 100 ns) et de petite taille (<< 1 mm). Il en résulte de forts gradients spatiaux et temporels de température, de pression et donc de densité, ainsi que la génération d'ondes de choc et de bulles de gaz. La description de ces plasmas nécessite alors de prendre en compte la dynamique du liquide sous l'effet du plasma. Du fait des fortes vitesses d'échauffement et de refroidissement (> 10⁷ K/s), la température des matériaux d'électrode soumis à ces plasmas peut atteindre localement plusieurs milliers de degrés sur des intervalles de temps très courts. Les modifications locales qui en résultent sont alors mises à profit pour réaliser des traitements de surface spécifiques :

• l’oxydation micro-arc (OMA) est un procédé propre, alternatif à l’anodisation, destiné à élaborer des couches céramiques (e. g. Al2O3, MgO, TiO2) protectrices sur des alliages légers. Les micro-décharges qui se développent à la surface des pièces plongées dans un électrolyte alcalin résultent du claquage de la couche diélectrique en croissance et favorisent ainsi la réaction d’oxydation en profondeur. L’incorporation de nanoparticules dans les couches via l’électrolyte permet d’étendre l’éventail des propriétés fonctionnelles finales. Procédé innovant, l’oxydation micro-arc trouve ses applications dans le domaine des transports (allègement des structures, propriétés tribologiques et anticorrosion) ou du biomédical (traitement biocompatible des implants et des prothèses orthopédiques).
  Similairement, le polissage plasma électrolytique (PPE) s’appuie sur le développement de micro-décharges sous l’effet du fort champ électrique au voisinage des aspérités de surface (effet de pointe) d’une pièce immergée dans un électrolyte conducteur. 
  Qu’il s’agisse d’OMA ou de PPE, les études menées dans l’équipe visent à décrire la physique de ces décharges aléatoires et non localisées dans des milieux multiphasiques, en lien avec la caractérisation structurale et fonctionnelle des matériaux ainsi traités.
  
   

• la synthèse de nanomatériaux est réalisée par décharges impulsionnelles amorcées entre des électrodes plongées dans un liquide diélectrique. Le choix judicieux des matériaux d’électrode et du liquide, couplé aux conditions d’amorçage des décharges permet de synthétiser de nouveaux matériaux à l’échelle nanométrique présentant des propriétés nouvelles pour des applications à la catalyse ou la photonique

Les décharges à barrière diélectrique (DBD) sont étudiées pour leurs potentialités à fonctionnaliser des surfaces. Dans ce cadre, le travail porte plus particulièrement sur l'hybridation et la fonctionnalisation de matériaux de type MOF (metal organic framework) pour des applications au stockage de l'hydrogène.

L’accent est également mis sur la compréhension des mécanismes physico-chimiques qui se produisent lors des phases de décharge et de post-décharge temporelle entre le plasma généré et les matériaux sous forme de poudre à traiter. L’étude des interactions de décharges à barrière diélectrique, en l’occurrence avec les MOFs, est aujourd’hui indispensable pour proposer un contrôle fin et efficace de ce type de procédé plasma à pression atmosphérique.

Projets :

• ANR CAMFRE (2021-2025)
• ANR SYNERGY (2021-2024)
• ICEEL Soprodsyse (2019-2022)
• ICEEL MATITHY (2023-2026)
• Collaboration de recherche IJL/SERMATEC (2023-2024)

Thèses :

• Corentin Tousch (2020-2023)
• Anna Nominé (2020-2023)
• Ronny Jean-Marie Désirée (2021-2024)
• Lucas Magniez (2022-2025)

Post-doctorants :

• Benjamin Dufour (2022-2024)
• Truong Son Nguyen (2023-2024)

Paternariats et collaborations :

• Amphenol-Socapex,
• CEA Valduc
• CIRIMAT
• CRITT TJFU,
• GéoRessources
• ICSM,
• IRT M2P,
• ITMO University St Petersbourg (Russie),
• LABEX DAMAS,
• LEM3,
• LGC
• Radiall
• SAKOWIN
• SERMATEC
• Souriau-Eaton
• SYMBIO
• TE-connectivity

Traitements de surface assistés par plasmas froids pour les transports et l'énergie

L’équipe PPS s’intéresse aux enjeux sociétaux et économiques que sont : la production et le stockage d'hydrogène, la réduction de la consommation énergétique dans les transports (aéronautique, automobile), la durabilité des matériaux et le développement de procédés propres et sûrs. Pour y répondre elle étudie et développe divers procédés plasmas de traitement de surface à basse ou moyenne pression :

• diode DC, pulsé, DECR   traitements thermochimiques

• magnétron, HiPIMS, micro-onde, DECR  dépôt de couches minces

• micro-ondes, DECR  gravure / structuration de surface

• post-décharges micro-ondes, RF, DBD, arc  fonctionnalisation de surface

L'objectif de ces recherches est de conférer aux surfaces modifiées des propriétés d'usage plus performantes, voire inédites. On peut citer par exemple la résistance à l'usure et à la corrosion, les propriétés optiques, catalytiques, la mouillabilité, etc.

La structuration de surfaces (avec ou sans traitement thermochimique) est une des préoccupations majeures de l’équipe. Des traitements plasmas (pulvérisation, traitement de diffusion, gravure) sont développés avec succès pour structurer ou texturer la surface des aciers (ferritiques, austénitiques, martensitiques). D’un point de vue fondamental, l’étude des phénomènes physiques résultant de ces traitements (diffusion et déformation anisotropes, surrection, etc.) va permettre des avancées scientifiques majeures dans le domaine des traitements de surface. Couplée à une amélioration de la durabilité, cette approche innovante de la modification des propriétés de surface des alliages métalliques trouve des applications dans des domaines aussi variés que l’auto-nettoyage, la réduction de traînée, l’antigivrage, le frottement, les échanges thermiques, les biotechnologies…

L'ammoniac, comme vecteur d'énergie, fait l'objet de travaux dans l'équipe visant à étudier les conditions de sa synthèse à partir d'azote et d'hydrogène et de sa dissociation par des plasmas hors équilibre. Dans le premier cas, il s'agit de proposer un procédé concurrent du procédé Haber-Bosch, compatible avec des sources d'énergie renouvelable non-continues. Dans le second cas, il s'agit de faciliter le transport de l'hydrogène sous forme d'ammoniac et de disposer soit directement soit par dissociation de NH3 par plasma d'un carburant directement disponible sur les sites d'utilisation. Ces deux voies sont envisagées avec et sans catalyseurs.

L'étude fine des paramètres et caractéristiques des plasmas est indispensable à la maîtrise des traitements de surfaces. C’est pourquoi l’équipe met en œuvre des démarches de type génie des procédés à travers le couplage entre le diagnostic des plasmas et la caractérisation des surfaces transformées.

Projets :

• ANR DROPSURF (2021-2024)
• ANR SPON-TO-CONTROL (2023-2026)
• ASTRID VERGLAS (2021-2025)
• FRCR HyPE (2021-2024)
• ICEEL COMCOS (2023-2026)
• ICEEL Clearer (2020-2023)
• ICEEL Textir (2020-2023)
• LEAP-RE QDSOC (2022-2025)

Thèses :

• Arthur Maizeray (2020-2023)
• Shubham Shishodia (2022-2025)
• Majed Awaji (2022-2025)
• Arthur Helle (2023-2026)

Post-doctorants :

• Anna Paula Crema (2023-2024)
• Lucile Pentecoste-Cuynet (2023-2024)

Partenariats et collaborations :

• LABEX DAMAS
• CRITT TJFU
• DEPHIS
• DGA
• Federal University of Santa Catarina (Brésil)
• IMFT
• IRT M2P
• IS2M
• LCPME
• LEM3
• LEMTA
• LRGP
• PPrime
• SAKOWIN
• SYMBIO
• UTN-National University of Technology (Argentine)
• VEOLIA

Physique et chimie des plasmas

• Plasmas haute et basse pression
• Plasmas dans les liquides
• Diagnostic des plasmas (spectroscopie d’émission haute résolution, spectroscopie laser, sondes électrostatiques, spectrométrie de masse, spectroscopie IRTF, vidéo ultra-rapide, interférométrie micro-onde)

Interactions plasma surface

• Fonctionnalisation de surface, dépôts (PVD, PACVD, greffage, gravure, nettoyage, etc.)
• Traitements thermochimiques (nitruration, carburation, boruration, etc.)
• Structuration de surface par plasma

Synthèse de nanomatériaux par plasma

• Matériaux bidimensionnels
• Nanoparticules d’éléments non-miscibles
• Nanofils et nanotubes

Valorisation et transfert de technologie

• Procédé et système de structuration submicrométrique d'une surface de substrat,
  T. Belmonte, T.S. Amaral, T. Gries, C. Noël, R.P. Cardoso, brevets WO2015052396A1, EP3055248B1, US20160247665A1, JP2017501558A,FR3011540B1
   
• Exfoliation de graphite et fonctionnalisation de graphène en phase liquide par procédé plasma, S. Cuynet, M. Ponçot, S. Fontana, A. Letoffé, T. Belmonte, G. Henrion, C. Hérold, I. Royaud, brevet FR2020479
   
• Procédé d’exfoliation et fonctionnalisation de graphène en phase liquide par plasma
  S. Fontana (porteur), S. Cuynet, M. Ponçot, A. Letoffé, T. Belmonte, G. Henrion, C.Hérold, I. Royaud, Projet maturation 2021, SATT SAYENS
   
• Procédé d’élaboration d’un revêtement céramique a faible résistivité électrique à la surface d’un métal.
  C. Da Silva Tousch, L. Magniez, J. Martin, S. Fontana, C. Hérold, G. Henrion, T. Czerwiec, L. Arurault, L. Cassayre, G. Trédan, O. Gavard, T. Pichot, F. Raoul
  Enveloppe Soleau en cours de dépôt
   

Chercheurs CNRS

• Thierry BELMONTE
• Stéphane CUYNET
• Thomas GRIES
• Truong Son NGUYEN

Enseignants-Chercheurs

• Mohammed BELMAHI
• Jamal BOUGDIRA
• Thierry CZERWIEC
• Ludovic DE POUCQUES
• Robert HUGON
• Julien MARTIN

Personnels d'appui à la recherche

• Grégory MARCOS
• Cédric NOEL
• Régis PEIGNIER

Doctorants

• Majed AWAJI
• Claire BOUDAT
• Arthur HELLE
• Loann JACOB
• Lucas MAGNIEZ
• Arthur MAIZERAY

Emerites

• Gérard HENRION