Thèse : Forgeage dynamique d’alliages à base de magnésium pour le stockage solide de l’hydrogène (H/F)

Description du Poste

Sujet De Thèse

L’hydrogène constitue un vecteur énergétique de choix dans le contexte de la transition énergétique. Le stockage solide de l'hydrogène sous la forme d'hydrures métalliques réversibles permet d’atteindre une densité de stockage volumique plus élevée qu’avec un gaz comprimé ou un liquide à température cryogénique, tout en offrant une nette réduction du coût énergétique et une sécurité renforcée, puisque l’absorption se fait à des pressions de quelques dizaines de bars seulement.

Le magnésium, métal abondant au coût raisonnable, réagit avec l’hydrogène pour former un hydrure (MgH2) qui possède des capacités massique et volumique remarquables (7,6 % m. et 110 g.L-1). Le développement de réservoirs contenant du magnésium constitue donc un challenge majeur pour la filière hydrogène. Toutefois, une trop grande stabilité thermodynamique de la phase MgH2 et des cinétiques de sorption de l’hydrogène trop lentes restreignent son utilisation.

Le broyage mécanique de poudres de MgH2 en présence d’additifs jouant le rôle de catalyseurs s’est révélé très efficace pour améliorer la cinétique des réactions. Mais ce procédé conduit à des poudres pyrophoriques dont la manipulation est difficilement compatible avec une production à grande échelle. Plusieurs procédés de nanostructuration du magnésium par déformation plastique sévère (SPD : Severe Plastic Deformation) se sont également avérés efficaces pour améliorer la cinétique des réactions. Ces procédés permettent d’élaborer des matériaux massifs, ininflammables au contact de l’air. Toutefois, même s’ils permettent de fabriquer des « matériaux modèles », ces procédés n'ont que peu de potentiel au niveau industriel car les volumes de matériaux produits sont très faibles.

Au cours des dernières années, nous avons initié à l’Institut Néel un procédé de forgeage d'alliages de magnésium et montré que des propriétés de sorption très différentes pouvaient être obtenues selon les conditions appliquées. Une étude systématique et approfondie de la microstructure, menée en collaboration étroite avec le LEM3, a permis d’établir des corrélations entre les propriétés de sorption mesurées et les microstructures développées. Facilement extrapolable à grande échelle, le forgeage apporte des avantages à la fois en termes de sécurité et de coûts de production, et présente un fort potentiel applicatif. Le procédé optimisé à l’Institut Néel portait sur des échantillons d’une dizaine de grammes seulement et avec un dispositif de type « drop-forging » peu instrumenté. Aussi, afin de mener des études à la fois qualitatives et quantitatives, l’utilisation d’un système de sollicitation mécanique rapide et totalement instrumenté est nécessaire. Le dispositif de barres d’Hopkinson, développé par l'équipe thermomécanique du contact rapide (LEM3), permet de contrôler précisément les conditions de déformation appliquées via le projectile (contrainte, vitesse, température). L’objectif de la thèse sera d’étudier de nouvelles microstructures hyper-déformées originales produites avec ce procédé de forgeage en conditions dynamiques. Ce dispositif permettra de dissocier les effets liés au niveau de contrainte effectifs de ceux dûs à l’échauffement produit lors de la déformation ultra-rapide. Les résultats obtenus permettront également de formaliser des lois de comportement mécaniques intégrables dans des modèles théoriques et d’établir une relation entre l’énergie de déformation plastique et l’état de l’échantillon sollicité.

Les composites, à base de Mg et de Ni, seront préalablement synthétisés à l'Institut Néel. Les conditions de synthèse des composites (composition initiale, température de recuit, …) et les conditions de forgeage seront adaptées en fonction des observations faites en termes de microstructure et de propriétés de sorption de l'hydrogène. L’impact de la microstructure sur les cinétiques de sorption de l’hydrogène sera ainsi systématiquement étudié, afin de mieux appréhender l’impact des différents paramètres microstructuraux sur les mécanismes mis en jeux lors des réactions de sorption de l’hydrogène.

Par ailleurs, pour comprendre les spécificités des essais dynamiques de forgeage vis-à-vis de méthodes plus conventionnelles de déformation lente mais très sévère de type SPD, une analyse comparative sera effectuée dans le cadre d’une collaboration déjà établie avec l'équipe japonaise du Pr. K. Edalati (Kyushi University, Japon), spécialisée dans la déformation HPT (High Pressure Torsion) pour des applications énergétiques.
A terme, l'ensemble de cette étude permettra d’optimiser les conditions de forgeage, dans la perspective d’une industrialisation du procédé.

Le doctorant sera amené à :
- optimiser le procédé d’élaboration des échantillons (composition, traitement thermique, etc),
- participer occasionnellement à des essais sur la plateforme d’-hyperdéformation au LEM3 à Metz,
- analyser les propriétés mécaniques des matériaux, pour en déduire des lois de comportement
- caractériser finement la microstructure des alliages avant et après déformation, et son évolution après plusieurs cycles d’absorption / désorption de l’hydrogène (MEB, EBSD, TEM, …),
- mesurer les cinétiques de sorption de l’hydrogène et les propriétés thermodynamiques des hydrures en vue d’établir des corrélations entre microstructure développée et propriétés de sorption,
- participer à des expériences de diffraction in situ sur grands instruments (ILL et/ou ESRF) afin d’approfondir la compréhension des mécanismes de sorption.

Profil recherché et compétences attendues :
Le candidat doit être titulaire d'un MASTER 2 ou d'un diplôme d'ingénieur en mécanique ou en science des matériaux. De solides connaissances en mécanique des milieux continus et en sciences des matériaux (diffraction des rayons X, analyse des microstructures) sont nécessaires. Le projet sera supervisé par l’Institut Néel à Grenoble en partenariat avec le LEM3 à Metz. De fait, nous recherchons une personne sérieuse et motivée, capable de travailler dans un environnement collaboratif. Le sujet faisant appel à plusieurs domaines, avec des techniques de caractérisation multiples (une expérience dans le domaine expérimental est souhaitable), des qualités de rigueur et de synthèse écrites et orales (en français et en anglais) sont attendues.

Votre Environnement de Travail

La thèse sera réalisée dans le cadre du projet ANR ADyCT (Activation Dynamique de ComposiTes à base de magnésium pour le stockage de l’hydrogène), qui regroupe 3 partenaires (Institut Néel à Grenoble, LEM3 à Metz et IJL à Nancy).

- Co-directrices de thèse à Néel : Patricia de Rango et Aude Bailly
- Co-encadrants : Laetitia Laversenne (Néel), Roxane Massion, Sylvain Philippon, Julien Vincent, Marc Novelli et Thierry Grosdidier (LEM3).

L'Institut NEEL, UPR 2940 CNRS, est l'un des plus grands instituts de recherche nationaux français pour la recherche fondamentale en physique de la matière condensée enrichi d'activités interdisciplinaires aux interfaces avec la chimie, l'ingénierie et la biologie. Le laboratoire est rattaché au CNRS Physique. Il est situé au cœur d'un environnement scientifique, industriel et culturel unique. Il fait partie de l'un des plus grands environnements de haute technologie d'Europe en micro et nanoélectronique, juste à côté des Alpes françaises.
L’Institut NEEL est un laboratoire du CNRS. Le CNRS est un établissement public à caractère scientifique et technologique. Il a pour mission d’identifier, d’effectuer ou de faire effectuer, seul ou avec ses partenaires, toutes recherches présentant un intérêt pour l’avancement de la science ainsi que pour le progrès économique, social et culturel. Internationalement reconnu pour l’excellence de ses travaux scientifiques, le CNRS est une référence aussi bien dans l’univers de la recherche et développement que pour le grand public.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

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