Equipe Plasmas - Procédés - Surfaces

Procédés plasmas à moyenne et haute pression (> 100 mbar)

Depuis une vingtaine années, l'équipe PPS s'intéresse aux décharges à la pression atmosphérique ou sus-atmosphérique. C'est notamment le cas dans les décharges gazeuse de faibles dimensionnalités (mm à nm) mais également 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 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). Le procédé OMA est également exploré dans des approches duplex originales, en le combinant avec d’autres procédés de traitements de surface tels que la projection thermique (cold spray, HVOF, APS) ou des procédés de fabrication additive métallique (SLM, WLAM). Cette stratégie consiste à projeter ou déposer, sur une pièce métallique, une première couche de métal (Al, Mg, Zr, Ti) qui peut ensuite être partiellement convertie en un oxyde protecteur par traitement OMA. Une telle approche permet ainsi de déployer les avantages du procédé OMA à une grande variété de métaux, y compris ceux qui ne peuvent pas être directement traités par ce procédé, ouvrant la voie au développement de revêtements duplex nouveaux aux propriétés fonctionnelles élargies (résistance à l’usure, protection anticorrosion ou tenue à haute température). Les études menées dans l’équipe autour du procédé OMA visent à décrire la physique des microdécharges 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.

• l'utilisation de plasmas non thermiques pour l'élimination de contaminants tels que les antibiotiques, les composés organiques et les métaux lourds, ainsi que pour l'activation de l'eau en vue d'applications en agriculture durable. L'objectif principal est d'étudier les mécanismes physico-chimiques de la génération et du transfert d'espèces réactives du plasma vers liquide, pour la dégradation de contaminants organiques tels que les antibiotiques et pour l'activation de l'eau afin de stimuler la croissance des plantes.

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 organique et carboné, allant des applications pour le stockage de l'hydrogène à la production de matériaux graphitiques aux propriétés inédites.

L'accent est également mis sur la compréhension des mécanismes physico-chimiques qui se produisent lors des phases de décharge et de post-décharge entre le plasma généré et les matériaux à traiter, sous forme de couches minces ou de poudres. L'étude de ces interactions plasma-surface est optimisée par des techniques de diagnostic laser-plasma de pointe, telles que l'E-FISH qui permet de suivre l'évolution du champ électrique local avec une précision spatio-temporelle micrométrique et subnanoseconde. La plateforme E-FISH de l'équipe PPS est également accessible aux secteurs académique et industriel.

Dans le contexte d’une électrification croissante de l’industrie des transports, et notamment dans l’aéronautique et avec l’augmentation des puissances embarquées, les risques d’apparition de défauts d’arcs électriques deviennent importants, ce qui nécessite le développement de systèmes de détection pointus. Dans ce contexte l’équipe développe des activités dans les domaines suivants :

• le diagnostic des plasmas d’arcs générés par séparation de contacts. L’objectif, outre la meilleure compréhension de la physique de l’arc, est la recherche de signatures caractéristiques de ce phénomène. Pour atteindre cet objectif, une étude fine du bruit lié à la présence de l’arc est réalisée en parallèle avec une caractérisation optique (caméra rapide spectroscopie etc..). En finalité, la compréhension de l’origine de ce bruit devrait permettre la détermination de paramètres nécessaires à la détection de l’arc (descripteurs) avec des temps de réponse très faible.

• l’étude des décharges partielles en régime DC. Un des objectifs est de pouvoir définir un critère de criticité pour les décharges DC (comme cela est le cas en alternatif – diagramme PRPD) et de pouvoir tester différents matériaux constituant les électrodes de la décharge. La finalité est de pouvoir déterminer les matériaux et les géométries permettant d’éliminer ou de limiter les effets néfastes de ces décharges partielles.
  
  
  Projets :

• ANR CAMFRE (2021-2026)
• ICEEL MATITHY (2023-2026)
• Collaboration de recherche IJL/SERMATEC (2023-2026)
• ANR IMPORTANCE (2026-2030)
• Contrat CIFRE RADIALL (2026-2030)
• Maturation EXFOGRAP (2025-2026)

Thèses :

• Claire Boudat (2024-2027)
• Arthur Hellé (2023-2026)
• Coline Pierrat (2026-2029)
• Thai-Ha Hoang (2025-2028)
• Thu Nga Nguyen (2026-2029)

Post-doctorants :

• Abdeldjalil REGUIG (2025-2026)

Paternariats et collaborations :

• Amphenol-Socapex
• CEA Valduc
• CIRIMAT
• CRITT TJFU
• GéoRessources
• ICB
• IRT M2P
• LEM3
• LGC
• Radiall
• SATT SAYENS
• SERMATEC
• Souriau-Eaton
• SYMBIO
• TE-connectivity
• LEMTA

Procédés plasmas basse pression

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 à basse ou moyenne pression :

• traitements thermochimiques, gravure, structuration de surface (diode DC pulsé, DECR, écran actif, cathodes creuses RF, microdécharges)

• dépôt de couches minces (magnétron, HiPIMS, FHiVI², DECR)

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

• conversion de gaz (micro-ondes)

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, l’hydrophobie et l’hydrophilie, 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, etc. Lorsque la structuration de surface est réalisée par le biais de traitement thermochimiques, deux approches sont envisageables. La première repose sur l’utilisation de plasmas homogènes de grand volume (ECR) et le masquage de la pièce à traiter : la nitruration conduit à une structuration de l’acier par le gonflement localisé de la surface exposée au plasma. La seconde approche, développée dans le cadre de l’ANR MINITL, vise à utiliser des matrices de sources microdécharges pour la réalisation de traitements de nitruration localisés.

Le secteur des dépôts de couches minces en phase gaz (PVD) par pulvérisation magnétron présente des verrous technologiques bien identifiés qui ne sont toujours pas levés aux échelles industrielles. Ces verrous technologiques ne permettent pas de contrôler la vitesse, l’énergie et la directionnalité des éléments pulvérisés à déposer, indépendamment de la nature de ces éléments. Cela implique respectivement des problèmes significatifs du point de vue de pertes de matière par diffusion, de structures de couches minces formées ainsi que de leur conformité du point de vue de leur dépôt sur des structures complexes tridimensionnelles, quelle que soit la finalité recherchée par les industriels du secteur. L’équipe PPS mène des études poussées pour résoudre ces contraintes. L’étude approfondie des procédés de pulvérisation de type HiPIMS a conduit à la mise au point d’un tout nouveau régime de pulvérisation cathodique. Ainsi le procédé FHiVI² (Fast Hight Voltage for Ionization Improvement) est un régime de décharge innovant permettant d’ioniser n’importe quel atome issu d’un procédé de pulvérisation magnétron. Sans grande modification du dispositif de dépôt initial, la technologie permet de lever tous les verrous précédemment cités en produisant un faisceau d’ions considérés, quelques soient la nature de l’élément pulvérisé ainsi que les conditions plasmas initiales utilisées pendant le procédé. Le surcoût énergétique est dérisoire face aux procédés conventionnels. Les études se poursuivent aujourd’hui pour une mise à l’échelle et le déploiement du régime FHiVI².

Les technologies de plasma micro-ondes font leur retour dans le traitement des matériaux biosourcés en raison de leur faible impact environnemental (consommation de produits chimiques), de leur fort potentiel et de la variété des méthodes d'application qu'elles offrent. Les procédés plasmas micro-ondes sont envisagés pour ouvrir davantage de possibilités pour la modification des polysaccharides. Aujourd'hui, la plupart des travaux effectués sur la modification des polysaccharides par plasma micro-ondes sont effectués sur la cellulose ; de ce fait, l’étude de la modification de l'amidon est en cours au sein l’équipe PPS et trois types de traitement par plasma se révèlent particulièrement intéressants : l'oxydation (par l'oxygène gazeux et vapeur d’eau), l'hydrophobisation (par le méthane gazeux) et l'amination (par des mélanges argon/ammoniac). Ces études sont conduites conjointement entre l’IJL et l’Université Suédoise des sciences agricoles (SLU).

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 (2021-2026)
• ANR MINITL (2026-2030)
• ANR SPON-TO-CONTROL (2023-2026)
• ASTRID VERGLAS (2021-2026)
• ICEEL COMCOS (2023-2026)
• IRT REVEHT (2024-2027)
• Projet Lantmännens Forskningsstiftelse, SLU Suède (2024-2027)

Thèses :

• Amani Gharbi (2024-2027)
• Loann Jacob (2024-2027)
• François Rousseau (2024-2026)

Partenariats et collaborations :

• CRITT TJFU
• DGA
• Federal University of Santa Catarina (Brésil)
• GREMI
• IMFT
• IRT M2P
• IS2M
• LCPME
• LEM3
• LEMTA
• LPGP
• LRGP
• LSPM
• PPrime
• SAKOWIN
• SYMBIO
• UTN-National University of Technology (Argentine)
• SLU (Swedish University of Agricultural Sciences)
   

Physique et chimie des plasmas

• Plasmas moyenne et basse pression
• Plasmas haute pression et dans les liquides
• Conception de sources plasmas innovantes
• Diagnostic des plasmas (spectroscopie d’émission haute résolution, spectroscopie laser, sondes électrostatiques, spectrométrie de masse, spectroscopie IRTF, vidéo ultra-rapide, interférométrie micro-onde, mesures de champs électriques par E-FISH)

Interactions du plasma avec son environnement

• Fonctionnalisation de surface, dépôts (PVD, PACVD, greffage, gravure, nettoyage, etc.)
• Traitements thermochimiques (nitruration, carburation, oxydation, etc.)
• Structuration de surface
• Traitements de gaz (synthèse d'H₂)
• Décontamination et activation de l'eau (élimination de résidus polluants)
• Exfoliation et fonctionnalisation du graphite

Synthèse de nanomatériaux par plasma

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

Valorisation et transfert de technologie

• Génération de faisceaux d’ions par pulvérisation magnétron linéaire, S. Cuynet, A. Caillard, R. Jean-Marie-Désirée, L. de Poucques, brevet P-SATTGE-041/EP, PCT EP2025/ EP25305575.0 – 1211
• Fast high voltage for ionization improvement for sputtering process, S. Cuynet, R. Jean-Marie-Désirée, L. de Poucques, brevet P-SATTGE-032/WO, Extension PCT EP2024/ EP2024074613
• 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 2021-26, 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
• 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