Relation microstructure – propriétés nanomécaniques de supraconducteurs REBCO

Laboratoire Georges Friedel, École des Mines de Saint-Étienne, 158 Cours Fauriel, 42100 Saint-Étienne.

Contexte

Les supraconducteurs à haute température critique (HTS) à base d’oxydes mixtes de baryum, de cuivre et de terres rares (REBCO) sont des matériaux à ultra-hautes performances capables de relever certains défis sociétaux et environnementaux auxquels nous faisons face. Sous forme d’aimants, ils produisent de très hauts champs magnétiques à basse température (>20 T à ~4 K) et des champs plus modérés à des températures compatibles avec l’azote liquide industriel (<2 T à ~77 K), permettant leur intégration dans diverses applications : la fusion nucléaire, les moteurs électriques, l’imagerie médicale, les câbles de transmission d’énergie, les grands instruments, parmi d’autres. Pour faire suite au succès dans le développement de leurs propriétés fonctionnelles, le prochain verrou à lever réside dans leur intégrité structurale. En effet, ces systèmes se présentent sous la forme d’un ruban bobiné, constitué lui-même d’un empilement de couches minces métal/céramique de quelques micromètres d’épaisseur, qui rompent et se délaminent en service comme en fabrication.

Ce stage s’inscrit dans un projet de plus grande envergure (ANR « MARS », ANR-25-CE08-1626-01) qui vise notamment à caractériser le comportement micromécanique des couches minces individuelles des HTS-REBCO à température cryogénique, le relier à leur microstructure et finalement aux performances supraconductrices du ruban. Des travaux préliminaires ont déjà été menés au Laboratoire Georges Friedel des Mines Saint-Étienne sur la caractérisation micromécanique des couches constitutives du ruban à température ambiante. Le stage permettra d’approfondir certains éléments de caractérisation nanomécanique/microstructurale (cf. sections suivantes) et pourra poursuivre par une thèse sur appréciation de l’étudiant(e) et de l’encadrant.

Objectif

L’objectif de ce stage est de mieux comprendre la relation microstructure – propriétés nanomécaniques des couches minces individuelles constituant les rubans HTS-REBCO. Des travaux préliminaires ont montré une forte anisotropie des propriétés mécaniques de la couche de REBCO mais qui reste inexpliquée jusqu’alors. Par ailleurs, il est connu que selon le constructeur du ruban, ses performances supraconductrices et son intégrité structurale peuvent varier. Comprendre ces aspects fera partie des enjeux du stage.

Tâches 

Les échantillons d’étude seront déjà élaborés (échantillons commerciaux). Le travail se situera donc au niveau de la caractérisation microstructurale/nanomécanique au sens large :

• Préparation des échantillons : découpe, enrobage, polissage mécanique et/ou ionique.
• Caractérisation de la microstructure : MEB, EDX, EBSD, voire TKD et/ou MET.
• Caractérisation nanomécanique : principalement par nanoindentation, en mode « cartographie rapide » pour les essais ex situ, et en « standard » pour les essais in situ MEB. Des essais micromécaniques du type compression de micropiliers et flexion de micropoutres pourront être réalisés en fonction de l’avancement du stage. Une campagne d’essais in situ MEB à température cryogénique pourra également être effectuée.
• Exploitation des résultats : traitement des courbes force-déplacement pour en extraire les propriétés mécaniques, et corrélation avec la microstructure.

• 3^ème année d’école d’ingénieurs / Master 2 en science des matériaux ou mécanique du solide.
• Intérêt pour le travail expérimental.
• Rigueur, curiosité, autonomie, travail en équipe.