Découvrez la formation expérimentale à Chimie ParisTech, zoom sur les TP Matériaux !

 

Chimie ParisTech propose à ses étudiants, une offre pédagogique large et diversifiée, laissant la part belle à la pratique expérimentale.

 

Zoom aujourd’hui sur les TP de l’option matériaux proposée par Chimie ParisTech en deuxième année de cursus ingénieur. Ces TP animés par des enseignants-chercheurs de grande qualité, emmenés par Pascal Loiseau, et aidés par une équipe technique impliquée, offrent un véritable aperçu complet de la science des matériaux, une discipline très diversifiée aux très nombreuses applications.

 

Par exemple, à l’occasion de la semaine de projet expérimental en matériaux qui s’est déroulée du 6 au 10 mars 2017 dernier, les étudiants de l’option Matériaux de la deuxième année du cycle ingénieur ont effectué une semaine de travaux pratiques en mode projet encadré.

 

Sur 4 jours, les étudiants ont pu s’initier à la recherche en matériaux, allant de la définition des compositions et des voies de synthèse et de traitement thermique, à l’élaboration et la caractérisation des propriétés de leurs matériaux. Les projets avaient tous un lien direct avec des domaines de recherche actuels présents dans l’école : matériaux du patrimoine, peintures anti-corrosion, alliages biomédicaux (stents), verres de confinement des déchets nucléaires, batteries Li-ion, couches photocatalytiques, matériaux magnétiques doux.

 

 

Découvrez plus en détail chacun de ces TP à travers cet article.

 

Glaçures et émaux

Fanny Alloteau, Gauthier Roisine, Odile Majérus

« Les fautes que j’ay faites en mettant mes esmaux en dozes m’ont plus apprins que non pas les choses qui se sont bien trouvées : parquoy je suis d’advis que tu travailles pour chercher laditte doze, aussi bien que j’ay fait, autrement tu aurois trop bon marché de la science, et peut-estre que ce seroit la cause de te la faire mepriser. » Citation des Discours Admirables, Bernard Palissy (1510-1590).

 

A la façon de Bernard Palissy, célèbre céramiste de la Renaissance, les étudiants ont recherché et optimisé par eux-même des compositions de glaçures pour terres de faïence, avec les propriétés optimales des glaçures (température de fusion adaptée au substrat, adhérence à l’objet et non fracturation de la couche), dans un but esthétique qu’ils s’étaient choisi. Certains ont recherché des glaçures opaques ou transparentes, satinées ou brillantes, incolores ou colorées avec des oxydes de métaux de transition.

La composition et le choix des matières premières minérales déterminent la réactivité du mélange, la stabilité thermique du liquide formé et la solubilité des oxydes métalliques, la viscosité du liquide et l’adéquation du coefficient de dilatation avec celui du substrat. Autant de facteurs à maîtriser pour aboutir à une glaçure « réussie ».

La difficulté de l’émaillage, qui repose sur la formulation d’une suspension stable, liée (visqueuse) et adhérente du mélange des matières premières, a été abordée avec l’émaillage d’un gobelet entier de faïence. Quatre jours pour comprendre pourquoi il a fallu des millénaires avant d’aboutir aux perfections d’œuvres céramiques comme celles de Palissy !

 

 

 

Verres de confinement des déchets nucléaires

Odile Majerus  

La France a choisi de retraiter le combustible nucléaire usé afin d’extraire l’uranium et le plutonium potentiellement valorisables, et de concentrer et immobiliser les produits de fission et actinides mineurs, déchets hautement radioactifs, dans une matrice solide durable. La matrice de choix pour cette application est le verre silicaté, matériau relativement  inerte chimiquement, résistant à l’irradiation, et qui de par son caractère amorphe peut fixer dans sa structure la grande diversité d’éléments présents dans ces déchets.

Quelques éléments cependant ont une solubilité faible dans le verre et limitent le taux d’incorporation en déchets : en particulier le molybdène (oxyde MoO3) et les terres rares (dont l’oxyde Nd2O3). Partant d’une composition aluminoborosilicatée donnée, les étudiants ont établi et mis en œuvre un protocole pour étudier la stabilité thermique d’un verre contenant MoO3 et Nd2O3 et déterminer la limite d’incorporation en Nd2O3 dans les conditions proches du procédé industriel de vitrification.

  

Etude des mécanismes de dégradation de systèmes métalliques peints pour l’aéronautique

 Polina Volovitch et Thomas Sanchez

 

En aéronautique et automobile, les pièces de structures sont le plus souvent conçues en acier pour assurer une bonne tenue mécanique. Afin d’assurer la protection de ces aciers, on emploie traditionnellement une couche de métal sacrificiel (zinc, cadmium…) et des couches de peinture contenant des chrome hexavalents comme inhibiteurs de corrosion. Cependant, du fait des toxicités de ces espèces, elles doivent être remplacées d’ici quelques années.

 

 

Dans le cadre de ce projet, les étudiants ont été amenés à réfléchir et appréhender certains mécanismes de protection contre la corrosion. En vue d’accélérer l’étude, ils ont décidé de travailler sur un système modèle simplifié et ont employé des techniques de corrosion accélérées. Ils ont de plus proposé des techniques de caractérisation microstructurales et physico-chimiques adaptées à leur étude.

 

Ils ont ainsi cherché à répondre à quatre questions principales :

 

-        Comment se comporte la peinture lorsqu’exposée à un environnement agressif ?

 

-        Comment est-ce qu’un revêtement polymère modifie la réactivité de la surface métallique ?

 

-        Le système reste-t-il protecteur dans le cas d’une rayure ?

- Quelle est l’influence des diverses espèces agressives sur les mécanismes de dégradation ?

 

 

 Suivi par Infrarouge de la dégradation du polymère

 

Suivi par Infrarouge de la dégradation du polymère

 

 

 

Exemple de perte de protection sacrificielle en fonction de l’espèce agressive :  NaCl                               |                               NaHCO3

 

 

Les cellules photovoltaïques de demain

Domitille Giaume

Depuis la découverte en 1839 par Becquerel de l’effet photoélectrique, l’humanité a rêvé de pouvoir utiliser cette énergie inépuisable afin de créer des « moteurs universels » comme le concevait Zola, ou encore de « mettre le soleil en bouteille » comme l’imaginait Simonin. Au milieu du XXeme siécle, la première cellule photovoltaïque au silicium fait enfin son apparition dans les laboratoires Bell, et depuis de nombreuses améliorations ont été apportées.

 

L’oxyde de titane TiO2 comme l’oxyde de zinc ZnO sont des oxydes très utilisés comme pigments blancs dans l’industrie des peintures, encres, plastiques, papiers, en cosmétique, alimentaire (colorant E171), ou encore pour leurs propriétés photocatalytiques. Ces propriétés sont particulièrement intéressantes dans la conception de cellules photovoltaïques transparentes.

 

Le but du projet sera donc de vous familiariser avec la synthèse de composés inorganiques, et leurs caractérisations chimique, structurale, morphologique dans un premier temps. Dans un second temps, les propriétés particulières de ces composés seront testées, notamment les propriétés photocatalytiques et électroniques. Enfin, l’élaboration de photopile transparente sera réalisée, afin de comprendre la nature des verrous technologiques limitant encore l’utilisation de telles photopiles industriellement.

   

 

a.Synthèse de ZnO ;                          b.Film transparent ;                       c.cellule photovoltaïque

 

 

Des matériaux comme source d’énergie

Domitille Giaume

  

Les ressources énergétiques du sol terrestre s’appauvrissent rapidement. Les ressources alternatives comme l’énergie solaire, éolienne, ou hydraulique peinent à trouver leur plein essor, notamment du fait de leur caractère intermittent. Ainsi, le développement de systèmes de stockage de l’énergie est primordial pour assurer une continuité de distribution de l’énergie. D’autre part, la société actuelle tend à être hyperconnectée, ce qui nécessite un accès quasi-constant à de l’énergie par le biais de batteries.

 

Depuis la fabrication de la première pile par Volta, de nombreux systèmes ont été découverts et développés, permettant de fournir de l’électricité à partir de l’assemblage de matériaux. Cependant, un grand pas a été réalisé quand les premiers accumulateurs rechargeables ont vu le jour. Aujourd’hui, la technologie la plus utilisée est basée sur une chimie mettant en jeu la diffusion d’ions lithium (les batteries lithium-ion) au sein de matériaux inorganiques.

 

Le but du projet sera donc de vous familiariser avec la synthèse de composés inorganiques commercialement utilisés dans les batteries lithium-ion, de caractériser leur structure et définir leur composition dans un premier temps. Dans un second temps, les propriétés particulières de ces composés comme matériaux d’électrode de batteries au lithium seront testées. Cette étude permettra aux étudiants de se confronter à la mise en forme d’un matériau pour optimiser ses propriétés.

  

 

Synthèse et propriétés de pigments bleus antiques

Laurent Binet

 

Les pigments bleu égyptien (CaCuSi4O10) et bleu de Han (BaCuSi4O10) sont les premiers pigments connus synthétisés par l’homme. Le premier a été beaucoup employé dans l’Antiquité dans tout le bassin méditerranéen et au Moyen-Orient et le second dans la région de l’ancienne cité de Xian en Chine. La couleur bleue profonde de ces pigments tient aux propriétés d’absorption optique de l’ion Cu2+ dans ces matériaux. Ces pigments connaissent actuellement un regain d’intérêt en raison des propriétés de luminescence de Cu2+ dans le proche infra-rouge qui permettent d’envisager des applications en analyse biomédicale ou en criminologie.

 

Le projet porte sur la synthèse de ces pigments et la caractérisation de leurs propriétés optiques en s’intéressant à l’effet d’une substitution de Ca2+ ou de Ba2+ par Sr2+.

 

Echantillons de bleu de Hahn synthétisés par Manon BILLAUD, Léonard BIEQUE, et Quentin BOUTEILLE (1A)

 

 Propriétés magnétiques de nanoparticules d’oxydes de Fer

Laurent Binet

  

Les nanoparticules magnétiques d’oxydes de Fer de composition MFe2O4 sont très utilisées comme agent de contraste en imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire.

 

Les propriétés magnétiques de ces particules peuvent être modulées selon la nature du cation M2+. Le projet porte sur la synthèse par chimie en solution de nanoparticules de composition Co1-xZnxFe2O4, Ni1-xZnxFe2O4 ou Mn1-xZnxFe2O4 et sur l’influence de la teneur en Zn2+ sur l’aimantation de ces particules.

 

 

Nanoparticules de Mn0,5Zn0,5Fe2O4 obtenues par coprécipitation

 

 

Ti-based shape memory alloys (SMA) for endovascular self-expanding stent

Fan Sun, Frédéric Prima

Vascular stent is a tubular endoprosthesis inserted into the lumen of a vessel or duct to keep the passageway open. The modern self-expanding stent is a “smart”device which can automatically expand and adapt its shape to re-open a narrowed vessel constantly. This device is made of metallic materials with excellent shape-memory effect and biocompatibility. The 4-day project offers the students a full metallurgical practice starting from alloy design (Ti-Ni and Ti-Nb), ingot elaboration, material characterization until the fabrication of real-size stents and performance tests. This multi-discipline practice involves physical metallurgy, biomedical engineering, thermodynamic analysis, mechanical testing, electron microscopy and precision manufacturing.