O.R. ÉPÉE │ Élaboration – Propriétés – Énergie – Environnement

Responsable : Andreas ZERR

Cette opération de recherche (O.R.) met principalement en œuvre la technologie des hautes pressions (HP), domaine historique d’activité du laboratoire, au profit de l’élaboration et de la transformation de matériaux en les inscrivant dans une stratégie de contrôle des processus d’élaboration ou de transformation et de maîtrise corollaire des compositions ou des microstructures obtenues en relation avec les propriétés visées. À la fois pionnière en la matière et maintenant portée par la dynamique de la transition qui s’amorce entre énergies fossiles et renouvelables (EnR), l’activité de l’O.R. s’étend de façon particulière aux EnR sans exclusivité HP ; elle y apporte d’une part des éléments s’étant d’ores et déjà avérés pertinents à l’occasion de travaux et collaborations sur le vecteur hydrogène, académiques comme industriels, et d’autre part des éléments de réponse nouveaux, spécifiquement développés.

La thématique de l’O.R. ÉPÉE se décline donc suivant des thèmes de recherche allant progressivement de l’élaboration sous HP solides à la valorisation de la biomasse en passant par l’application des HP fluides au développement des EnR :

sachant que, dans le domaine des hautes pressions, on distingue les HP solides (toujours exprimées en pascals) des HP fluides (couramment exprimées en bars*) selon la nature du milieu transmetteur de pression assurant l’hydrostaticité des contraintes.

* Depuis 1982, toutes les données thermodynamiques sont tabulées pour une pression normale de 1 bar (1000 hPa) au lieu de 1013,25 mbar (1 atm).

HP solides │ Élaboration et caractérisation sous pression de matériaux et composés avancés

Cette activité de recherche s’inscrit dans le domaine de la chimie et de la physique de la matière condensée et porte sur la synthèse, la caractérisation et la mesure des propriétés de matériaux nouveaux (composés, phases, polymères et hybrides organiques-inorganiques) ayant un grand potentiel d’applications dans des domaines de l’industrie moderne et de l’énergétique exigeants et en plein développement. Les travaux ont déjà abouti à des résultats très intéressants et en laissent présager de nombreux autres. Ils couvrent les directions de recherche suivantes :

  • compréhension fondamentale et recherche de la systématique dans l’influence des hautes pressions sur l’activité chimique des éléments, appliquées par exemple à la synthèse de nitrures binaires et ternaires ainsi que des oxynitrures apparentés, MₘNₙ et (M₁₋ᵢAᵢ)ₘNₙ ainsi que (M₁₋ᵢAᵢ)ₘ(N₁₋ⱼOⱼ)ₙ donc, et suivies des caractérisations chimique et structurale des nouveaux composés ou phases à haute pression obtenus ;
  • mesure des propriétés des composés et des phases obtenus (solutions solides incluses) et démonstration de leur aptitude aux applications industrielles, notamment en tant que matériaux durs et rigides mais surtout en tant que matériaux fonctionnels pour l’énergétique tout particulièrement (diodes électroluminescentes par exemple et matériaux pour la séparation photoélectrochimique de l’eau, pour l’énergie photovoltaïque ou, résistant aux rayonnements, pour les réacteurs de fusion) ;
  • détermination in situ (en cellules à enclumes de diamant) des propriétés et des transitions de phases de solides simples à haute pression ;
  • influence de la compression sur la polymérisation de monomères organiques, tels que HEMA, dans le but de fabriquer des hybrides organiques-inorganiques biocompatibles au titre de potentielles applications médicales et biotechnologiques ;
  • contribution aux méthodes de caractérisation et de visualisation 3D des inhomogénéités/textures dans des échantillons comprimés sous très haute pression en cellule à enclumes de diamant (CED) avec résolution submicrométrique à l’aide de lasers pulsés, ces méthodes pouvant au demeurant être également utilisées à la pression atmosphérique et à des températures élevées ou cryogéniques.

Ce thème de recherche s’appuie sur un ensemble d’équipements HP solides dédiés :

HP fluides │ Transformation et caractérisation sous pression de matériaux ductiles ou fragiles

Ce thème de recherche s’appuie sur un ensemble complet d’équipements HP fluides 20 kbar spécifiques : extrusion hydrostatique différentielle, compaction isostatique à froid (CIP) et traction/compression uniaxiales hydrostatiquement confinées, ce qui a permis de lever des verrous technologiques prégnants à l’échelle mondiale en matière d’orientation des grains des céramiques supraconductrices à haute température critique puis de densification complète des nanomatériaux élaborés par métallurgie des poudres (approche « Bottom Up »), comme décrit dans la plaquette ci-dessous. Se fondant sur les compétences croisées des deux O.R. en métallurgie, il est actuellement essentiellement développé en étroite collaboration inter-axes avec l’O.R. 2MP de l’axe MÉCAMÉTA à laquelle nous renvoyons le lecteur ; une meilleure homogénéité et un meilleur compromis résistance/ductilité ont par exemple été obtenus après frittage flash (SPS) en précompactant de façon appropriée des échantillons bimodaux (nanostructuré/microstructuré) de nickel polycristallin. L’O.R. ÉPÉE est notamment en contact à ce titre avec l’entreprise Thiot Ingénierie experte en physique des chocs.

Mise en forme assistée HP de supraconducteurs HTc et de nanomatériaux [pdf]

HP fluides & EnR │ Interactions gaz / matériau

Ce thème de recherche s’appuie sur un ensemble de compétences et de ressources (dont un banc unique en Europe de mesure de capacité d’adsorption sous 1-700 bar et 77-300 K) ayant permis d’apporter des réponses dans une gamme TRL (degrés de maturité technologique) plus étendue que celle généralement attendue pour une unité de recherche du CNRS : de TRL 1 pour les capacités de stockage massique de l’hydrogène évaluées à titre prospectif par simulation numérique avec le LPT Orsay à TRL 6 pour les essais comparatifs de fragilisation par l’hydrogène (FPH) en conditions de service sur tronçons de gazoduc (intacts, endommagés ou pré-entaillés) développés avec ENGIE Lab CRIGEN. Forte de ses compétences et de ses ressources, et bien que le vecteur énergétique hydrogène permette déjà, par exemple, de recycler du CO₂ ‘fatal’ par méthanation via la solution ‘Power-to-gas’ qu’il apporte grâce aux EnR, l’O.R. ÉPÉE a pour ambition de développer ce thème au-delà de ce vecteur, à l’instar du projet précurseur ANR PaSNEPP monté avec le CES de MINES ParisARMINES et le LGPPTS de Chimie ParisTech qui avait pour objectifs l’amélioration des procédés de captage par ab/adsorption appliqués aux centrales biomasse en post-combustion, l’évaluation de l’impact technico-économique et environnemental de l’intégration de ces procédés dans ces centrales de petite puissance, et la prise en compte du captage du CO₂ comme nouvelle possibilité de valorisation de la source chaude des centrales de polygénération à biomasse. De la sorte, l’adsorption modulée en pression et en température dans les matériaux poreux se trouve appliquée au captage du CO₂ tout en rejoignant le thème générique de la valorisation de la biomasse.

Banc d’essais de FPH, co-propriété CNRS-ENGIE, sur tronçons de tube DN 300, 600 ou 900

EnR │ Valorisation de la biomasse

Ce thème de recherche, développé au LSPM dès sa fondation en 2011 et au titre duquel un enseignant-chercheur au profil adéquat avait d’ailleurs été aussitôt recruté, porte plus particulièrement sur la valorisation de la biomasse lignocellulosique en biocarburants ou en molécules à haute valeur ajoutée. Il entre dans le cadre du GDR ThermoBio et s’appuie sur des acquisitions récentes : un banc de pyrolyse rapide avec diagnostic in situ des incondensables et un chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse Py-MDGCMS (FrontierLab/Shimadzu) présentant un ensemble de fonctionnalités unique en France. Ce banc a notamment été mis en œuvre au titre du projet BQR ExtRaOIL portant sur l’extraction de rameaux d’olivier pour l’industrie locale.

Un développement de ce thème de recherche a conduit au lancement de la start-up Wastemy qui offre de façon à la fois innovante et écoresponsable, comme illustré ci-dessous, un modèle circulaire de valorisation locale et décarbonée appliqué au recyclage des déchets plastiques.

Présentation de la start-up Wastemy par Erganeo

L’O.R. ÉPÉE est non seulement active au sein du Réseau de technologie des hautes pressions de la Mission pour les initiatives transverses et interdisciplinaires du CNRS mais ses ressources HP fluides, uniques en Europe (cf. plaquette ci-dessus), ont été constituées en plateforme régionale (infrastructure partagée de recherche dotée de son propre comité de pilotage) où elles ont été augmentées d’un simulateur thermomécanique Gleeble 3500, d’une nouvelle presse de compaction isostatique à chaud (HIP 4000 bar 1450 °C Nova Swiss) et d’un appareil transportable de mesure de contraintes résiduelles INEL X-solo tous acquis au titre du projet SESAME 2013 CARAMÉL (projet de l’université Sorbonne Paris Nord pour la caractérisation de matériaux et leur élaboration) dont la plateforme reprend officiellement le nom depuis son inauguration en octobre 2017 à l’occasion des Journées nationales sur le frittage par courant pulsé. Comme attendu, l’ensemble constitué « sur la base de l’existant et [de ce] projet [du dispositif de la région Île-de-France pour l’acquisition d’équipements mi-lourds] » et bénéficiant du soutien technique des services HPEM et DRX du LSPM est unique dans le domaine de la métallurgie physique et mécanique et complémentaire des plateformes présentes au sein des autres réseaux franciliens dont celui de la fédération F2M-msp du CNRS et des Arts et Métiers.

Journées nationales sur le frittage par courant pulsé (SPS 2017)

L’interdisciplinarité propre à la technologie des hautes pressions se trouve confortée par le cadre interdisciplinaire dans lequel la thématique de l’O.R. s’est développée au niveau de l’alliance Sorbonne Paris Cité dans la continuité des projets IDEX interdisciplinaires Soc&Phy et ETS Olizero engagés au titre de la valorisation de la biomasse.

La forte synergie déjà effective entre les thèmes de recherche portant sur les EnR en matière d’interdisciplinarité comme de convergence au titre notamment des travaux prospectifs sur le graphane ou du captage du CO₂ transparaît via l’implication conjointe de ses membres dans un nombre croissant de publications qui témoigne des actions structurantes en cours.


Exemple d’ouvrage collectif interdisciplinaire

Publications les plus significatives

Élaboration et caractérisation sous HP solides de matériaux et composés avancés

 

Compréhension fondamentale et recherche de la systématique dans l’influence des hautes pressions

Zerr A, Miehe G, Riedel R. Synthesis of cubic zirconium and hafnium nitride having Th₃P₄ structure. Nature Mater. 2 (2003) 185-9 

Zerr A, et al. High-Pressure Synthesis of Tantalum Nitride Having Orthorhombic U₂S₃ Structure. Adv. Funct. Mater. 19 (2009) 2282-8

 

Mesure des propriétés des composés et des phases obtenus sous pression

Boyko TD, et al. Electronic structure of spinel-type nitride compounds Si3N4, Ge3N4, and Sn3N4 with tunable band gaps: application to light emitting diodes. Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 097402

Feldbach E, et al. Defects induced by He+ irradiation in γ-Si3N4. J. Lumin. 237 (2021) 118132 

Zerr A, et al. Elastic moduli of hard c-Zr3N4 from laser ultrasonic measurements. Phys. Status Solidi Rapid Res. Lett. 4 (2010) 353-5 

Bourguille J. et al. Elastic moduli and hardness of η-Ta2N3 from nanoindentation measurements. Europhys. Lett. 111 (2015) 18006

 

Détermination in situ des propriétés et des transitions de phases

Dzivenko D, et al. Compressibility of cubic vanadium mononitride. Europhys. Lett. 92 (2010) 66001

Joseph B, et al. Experimental evidence of an electronic transition in CeP under pressure using Ce L3 XAS. Phys. Chem. Chem. Phys. 19 (2017) 17526-30

Raetz S, et al. Elastic anisotropy and single-crystal moduli of solid argon up to 64 GPa from time-domain Brillouin scattering. Phys. Rev. B 99 (2019) 224102

Xu F, et al. Influence of elastic anisotropy on measured sound velocities and elastic moduli of polycrystalline cubic solids. J. Appl. Phys.130 (2021) 035903 (publication commune MÉCAMÉTA/MINOS)

 

Influence de la compression sur la polymérisation de monomères organiques

Zerr A, Museur L, Kanaev A. Gazette de la Recherche 16 (2019) 4

Evlyukhin E, et al. Laser-assisted high-pressure-induced polymerization of 2-(hydroxyethyl)methacrylate. J. Phys. Chem. B 119 (2015) 3577-82

Evlyukhin E, et al. Synthesis of organic-inorganic hybrids via a high-pressure-ramp process: the effect of inorganic nanoparticle loading on structural and photochromic properties. Nanoscale 10 (2018) 22293-301

 

Contribution aux méthodes de caractérisation et de visualisation 3D des inhomogénéités/textures

Nikitin SM, et al. Revealing sub-μm and μm-scale textures in H2O ice at megabar pressures by time-domain Brillouin scattering. Sci. Rep. 20 (2015) 9352

Sandeep S, et al. 3D characterization of individual grains of coexisting high-pressure H₂O ice phases by time-domain Brillouin scattering. J. Appl. Phys. 130 (2021) 053104

Densification complète de nanomatériaux élaborés par métallurgie des poudres

Champion Y, et al. Fabrication of bulk nanostructured materials from metallic nanopowders : structure and mechanical behaviour. Scripta Mater. 44 (2001) 1609-13

Champion Y, et al. Near-perfect elastoplasticity in pure nanocrystalline copper. Science 300 (2003) 310-1

Orientation des grains de céramiques supraconductrices HTc

Texturation sous cycles répétés de compression uniaxiale confinée hydrostatiquement

Nhien S, Langlois P. Quantitative analysis of grain alignment in ceramic Bi-2223 superconductor powder by pressure-assisted compression. Physica C 281 (1997) 129-34

Grynszpan RI, et al. Texture effect on vortex‐state TF‐μ⁺SR in Bi‐2223 high‐Tc materials. Hyperfine Interact. 105 (1997) 95-100

Contrôle de la porosité

Lucas-Girot A, et al. A synthetic aragonite-based bioceramic : influence of process parameters on porosity and compressive strength. Biomaterials 23 (2002) 503-10

Beyaz S, et al. Nanoscale carbon material porosity effect on gas adsorption. Int. J. Hydrogen Energ. 35 (2010) 217-24

Chilev Ch, et al. A new procedure for porous material characterization. International Journal of Science, Technology and Society 5 (2017) 131-40

 

 

 

Stockage et distribution du vecteur hydrogène

Lamari F, Langlois P. Gazette de la Recherche 14 (2017) 4

Lamari F, Malbrunot P, Tartaglia GP. Review of hydrogen storage by adsorption in carbon nanotubes. Int. J. Hydrogen Energ. 27 (2002) 193-202

Sakintuna B, Lamari F, Hirscher M. Metal hydride materials for solid hydrogen storage : A review. Int. J. Hydrogen Energ. 32 (2007) 1121-40 (article dans le Top 10 mondial décennal en ingénierie en 2017)

Briottet L, et al. Recommendations on X80 steel for the design of hydrogen gas transmission pipelines. Int. J. Hydrogen Energ. 37 (2012) 9423-30

Dicko M, et al. Hydrogen adsorption on graphane : An estimate using ab-initio interaction. Int. J. Hydrogen Energ. 42 (2017) 10057-63

Valorisation de la biomasse

Dicko M, Guilmont M, Lamari F. Adsorption and biomass : current interconnections and future challenges. Curr. Sustainable Renewable Energy Rep. 5 (2018) 247-56

Stephan Ch, et al. Liquid-liquid equilibria of water + solutes (acetic acid/acetol/furfural/guaiacol/methanol/phenol/propanal) + solvents (isopropyl acetate/toluene) ternary systems for pyrolysis oil fractionation. Fluid Phase Equilibr. 468 (2018) 49-57

Dicko M, et al. Lignin degradation and its use in signaling development by the coprophilous ascomycete Podospora anserina. J. Fungi 6 (2020) 278

Chilev Ch, Lamari F, Langlois P. Numerical Simulation of a Valorisation-Oriented Hybrid Process for the Bio-Oil-Related Separation of Acetol and Acetic Acid. ChemEngineering 8 (2024) 5

Interdisciplinarité

Bafoil F, Dicko M, Guyet R, Lamari F. Réflexions sur un référentiel commun entre sciences sociales et sciences de l’ingénieur en matière d’acceptation sociale des ouvrages éoliens. In : Bafoil F, ed. L’énergie éolienne en Europe. Conflits, démocratie, acceptabilité sociale. Presses de Sciences Po (2016) 253-83

Cohen M, et al. Biomolecules from olive pruning waste in Sierra Mágina. Engaging the energy transition by multi-actor and multidisciplinary analyses. J. Environ. Manage. 216 (2018) 204-13

Publications technologiques

Langlois P. Techniques de mesure sous haute pression. Les Techniques de l’Ingénieur (2021) R730

Langlois P. Assemblages frettés. Les Techniques de l’Ingénieur (2022) BM5500

Lamari F, Langlois P, Malbrunot P. Combustible hydrogène – Production. Les Techniques de l’Ingénieur (2023) BE8565

Lamari F, Langlois P, Malbrunot P. Combustible hydrogène – Utilisation. Les Techniques de l’Ingénieur (2023) BE8566

L’ouvrage Matériaux et joints d’étanchéité pour les hautes pressions, conçu en collaboration entre le LIMHP Villetaneuse et l’une des équipes HP du LPCM Bellevue (par la suite intégrées au LSPM) à l’occasion de la première action nationale de formation (cette action a elle-même été renouvelée quatre fois entre 2000 et 2013) du premier réseau technologique du CNRS, a été réédité deux fois :
 
1998 | Éditions Lavoisier – Collection Technique & documentation
2004 | Publications de l’Université de Saint-Étienne – Collection Intégrations
2011 | Publications de la Mission ressources et compétences technologiques (CNRS)

Cet ouvrage est maintenant déposé sur le portail d’archives ouvertes multidisciplinaire HAL du Centre pour la communication scientifique directe du CNRS.

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