Matériaux pour l'énergie et le transport 2IM
Les secteurs de l'énergie et des transports sont bien représentés au sein de l'Université Paris-Saclay, avec de fortes collaborations déjà très actives entre un grand nombre d'acteurs, aussi bien académiques qu’industriels ! L'ensemble du périmètre des énergies bas carbone (nucléaires) mais aussi renouvelables (batterie, solaire, hydrogène…) est représenté ainsi que l’ensemble des moyens de transport (route, air, maritime) en s’orientant pour le futur vers des véhicules autonomes et décarbonés. Le couplage d’expériences de pointe et de simulations multi-échelles et multi-physiques est au cœur de ces études sur les matériaux pour l’énergie et les transports, tout en formant les futures générations à ces thématiques d’avenir. Répondre aux exigences d'aujourd'hui et de demain en matière de matériaux durables et intelligents pour les secteurs de l'énergie et des transports est donc fortement ancré au sein du 2IM.
Différentes variétés de matériaux sont employées dans le domaine de l’énergie nucléaire que ce soit pour les réacteurs de fission ou de fusion. Il s'agit notamment des combustibles nucléaires et des matrices de transmutation, des matrices d'immobilisation nucléaire, des matériaux de structure, recouvrant les solides inorganiques (céramiques, oxydes et alliages métalliques) mais aussi le carbone. La tenue sous rayonnements (flux de neutrons mais aussi d’électrons et ions) est un facteur clé pour la conception de nouveaux matériaux. Le vieillissement sous irradiation (évolutions microstructurales et structurales à différentes échelles allant de l'atomique au macroscopique), les interactions chimiques de l'effet des éléments étrangers (ségrégation et diffusion accélérée par l’irradiation) et la tenue mécanique affectée par ces différents phénomènes posent de nombreux défis, qui peuvent être relevés à l'aide d'outils avancés de caractérisation in situ couplés à des installations d'irradiation (JANNuS, GANIL…) et des grands instruments (ESRF, SOLEIL…), mais aussi à la caractérisation avancée post mortem et bien évidemment à la simulation numérique.
Les défis posés dans le contexte des sources d'énergie renouvelables à faible émission de carbone telles que par exemple les cellules photovoltaïques et les batteries à haute densité d'énergie (où les matériaux en jeu sont le Si, le III-V, les pérovskites hybrides, l'hydrogène interstitiel...) sont relevés de la même manière. Ici, les études environnementales et in situ et operando ainsi que la modélisation sont essentielles pour comprendre l'altération et le vieillissement car le matériau est exploité à travers un très grand nombre de cycles de charge.
La question de la récupération d'énergie à partir de sources environnementales telles que la chaleur, les vibrations mécaniques et le champ magnétique est également abordée. Les matériaux thermoélectriques, triboélectriques, piézoélectriques, pyroélectriques, électrocaloriques ou magnétiques permettent des technologies prometteuses qui se développent actuellement dans le monde entier, par exemple pour les appareils autonomes sans fil.
Les matériaux pour le secteur de l'énergie comprennent également de nouvelles familles de matériaux architecturés avec une hiérarchie microstructurale multi-échelles. Ces matériaux ont un grand potentiel à la fois pour l'absorption d'énergie, le développement durable et les applications embarquées car ils combinent un faible poids avec des propriétés supérieures (y compris des propriétés mécaniques et fonctionnelles). Les matériaux architecturés (ou métamatériaux) rivalisent avec la plupart des matériaux conventionnels dans le secteur des transports et de l'énergie en raison de la réponse coopérative entre leur architecture méso-échelle et leur micro- ou nano-structure. La prolifération des matériaux architecturés est rendue possible par les progrès rapides couplés des méthodes de calcul (désormais très robustes) et des technologies de fabrication additive - désormais matures même pour les métaux et les céramiques.
Dans le domaine des transports, en particulier le domaine aéronautique, les matériaux et leurs procédés d’élaboration évoluent très rapidement, dans l’objectif d’alléger les structures : matériaux architecturés polymères pour les équipements de cabines, matériaux composites à matrice organique et fibres de carbone pour les structures principales. Dans les parties chaudes des moteurs, composites à matrice céramique, matériaux céramiques, et superalliages permettent d’augmenter la température de fonctionnement, participant ainsi à réduire la consommation. La fabrication additive tend à effacer la distinction classique entre le matériau et la pièce, qui sont désormais produits simultanément, en permettant des variations spatiales des propriétés des matériaux au sein même des pièces. Il faut ainsi repenser les méthodes de conception et de certification actuelles, basées sur la caractérisation mécanique de quelques matériaux à l’échelle de l’éprouvette.
