Simulation numérique d’assemblages céramique-métal brasés pour des systèmes de protection électrique

Le stage s’effectuera sur le site de l’Université de Technologie Tarbes Occitanie Pyrénées (UTTOP) dans le sud-ouest de la France, précisément au sein du Laboratoire Génie de Production (LGP).

Le Laboratoire Génie de Production est une unité reconnue par le ministère français de l’Enseignement supérieur et de la Recherche depuis 1991. Il développe une recherche multidisciplinaire orientée vers l’excellence en ingénierie des matériaux, des systèmes et des procédés, et est structuré autour de plusieurs équipes thématiques. Le (la) stagiaire rejoindra le département scientifique Mécanique-Matériaux-Procédés et précisément le Groupe de Recherche Matériaux Mécanique Structures et enDommagement, spécialisé dans l’étude des relations microstructure-propriétés et la modélisation-simulation des comportements thermo-mécaniques des matériaux et structures. De nombreuses recherches de ce laboratoire sont développées en lien avec les enjeux du monde socio-économique.

Contexte 

Dans un contexte d’extension croissante des réseaux et des équipements électriques, la protection électrique des équipements est devenue une préoccupation majeure. Les SPD (Surge Protective Device) incluent différents composants : varistances à oxyde de zinc, diodes, éclateurs à air, éclateurs à gaz, etc. Développés dans les années 60 et utilisés principalement en protection sur les réseaux téléphoniques jusque dans les années 90, les éclateurs à gaz sont aujourd’hui utilisés également sur les réseaux électriques basse tension mais avec des caractéristiques de design (forme et taille) et de tenue électrique (niveau de choc) très différentes qui induisent des problématiques nouvelles.

Un éclateur à gaz (GDT pour Gas Discharge Tube) est un composant obtenu après le scellement sous atmosphère contrôlée d’une céramique isolante et de deux électrodes métalliques. En fonctionnement normal, le gaz n’est pas ionisé et le GDT est isolant. Si une tension critique (supérieure à un seuil fixé) est appliquée aux bornes des électrodes, le gaz va s’ioniser, le GDT deviendra conducteur et le courant généré lors de la surtension pourra s’écouler vers la terre au lieu de détruire l’équipement.

Le scellement du GDT, c’est-dire l’assemblage de ses parties métalliques et céramique, est un point critique du procédé de fabrication. La maîtrise et l’optimisation de cette étape sont essentielles pour obtenir les performances électriques optimales (tensions d’amorçage, tenue aux chocs sur onde de courant, etc.) [1] ainsi qu’une diminution notable du coût final du produit (amélioration des rendements, utilisation d’électrodes monobloc par exemple). Parallèlement, les innovations recherchées visent à une réduction des coûts énergétiques associés à la production et au respect des exigences environnementales et de santé pour le choix des matériaux constitutifs, notamment les directives européennes RoHS limitant l’emploi de certains alliages ou composés.

Problématique de recherche

L’association de matériaux métallique et céramique s’opère par brasage haute température. L’adhésion entre les matériaux de base se fait à l’aide d’un métal d’apport (brasure) qui, porté à l’état liquide durant le process, vient mouiller les interfaces des substrats puis se solidifie lors du refroidissement venant créer la liaison d’ensemble [2,3]. La différence entre les coefficients de dilatation des substrats induit lors de ce process d’importantes contraintes résiduelles au sein de la structure assemblée. Ces contraintes modifient le comportement des matériaux et peuvent générer des microfissures au sein de la céramique, de la brasure ou aux interfaces entre les phases [4,5]. De tels phénomènes sont à l’origine de pertes d’intégrité des assemblages finaux ou à une réduction de leur durée de vie. La réalisation de nombreux prototypes expérimentaux pour optimiser la production implique des coûts trop importants, le recours aux outils de simulation numérique s’avère donc indispensable pour explorer de nouvelles pistes de conception [4].

L’enjeu de ce travail est de proposer un modèle par éléments finis de l’assemblage permettant de simuler le comportement thermo-mécanique des assemblages lors du processus de brasage et évaluer ainsi le champ de contraintes résiduelles résultant. Cette modélisation sera nourrie par de nombreuses caractérisations effectuées en parallèle dans le cadre de la thèse de B. Komeili Birjandi (2025-2028) et qui portent à la fois sur les matériaux de base (électrode cuivre, support céramique, brasure), mais également sur des assemblages brasés. Les résultats issus des simulations serviront à établir le niveau des contraintes résiduelles au sein des différents constituants et à estimer la tenue mécanique des GDT. L’outil développé constituera donc un moyen pertinent d’aide à la conception, apte à guider les concepteurs pour optimiser leurs systèmes face aux exigences spécifiques des éclateurs.

Bibliographie

1. Gannac Y., Leduc G., Pham C.D., Crevenat V., 8/20 and 10/350 surges behaviour of a Gas Discharge Tube according to gas pressure, Electric Power System Research 197 (2021), 107302.

2. Ferjutz K., Davis J.R., Wheaton N.D., ASM Handbook Volume 06, Welding, Brazing, and Soldering, 1993.

3. Macel D., Brasage - Définitions et exemples, Techniques de l’ingénieur, 2024.

4. Cazajus V., Approches numérique et expérimentale de la liaison céramique métal réalisée par brasage en vue de la création d’un outil d’aide à la conception, thèse de doctorat, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2007.

5. Yi R., Chen C., Shi C., Li Y. Li H., Ma Y., Recent advances in residual thermal stress of ceramic/metal brazes, Ceramics International 47 (2021), 20807-20820.

Actions à mener

En premier lieu, une étude bibliographique sera menée de façon à répertorier et maîtriser les travaux existants axés sur la modélisation numérique par éléments finis des assemblages céramique/métal. Cette phase inclura l’utilisation du logiciel de simulation ABAQUS sur des configurations élémentaires pour établir les hypothèses de construction des modèles (symétries, choix des éléments, choix des types d’éléments), mettre en œuvre les analyses de stabilité numérique (convergence) et comprendre les phénomènes physiques mis en jeu. Un référencement des informations nécessaires aux simulations, notamment sur les paramètres des lois de comportement, sera enfin réalisé pour orienter les caractérisations expérimentales menées en parallèle par le doctorant.

L’étude du comportement thermo-mécanique des GDT lors du processus de brasage fera l’objet de la deuxième étape. Les caractérisations expérimentales, tant à l’échelle des matériaux de base que des structures, réalisées dans le cadre de la thèse de B. Komeili Birjandi viendront alimenter le modèle. La détermination des paramètres des lois de comportement s’appuiera notamment sur le recalage entre la réponse expérimentale d’assemblages céramique-métal soumis à des sollicitations simples (traction, cisaillement, par exemple) et la réponse numérique issue de modèles représentant ces configurations. A partir de ces données, il sera possible d’envisager la simulation de l’éclateur et sa réalité géométrique, de déterminer les contraintes résiduelles induites lors du procédé de brasage et d’estimer sa tenue mécanique au-delà de la tension électrique critique.

La dernière étape du projet consistera à établir un modèle paramétré de l’éclateur permettant de mettre en œuvre des études de sensibilité vis-à-vis des paramètres géométriques et matériaux. Au travers de cette démarche, il sera ainsi possible d’évaluer par exemple l’impact des incertitudes sur les paramètres ou de mettre en évidence le rôle prépondérant joué par certaines données, tant sur le plan du niveau de contraintes résiduelles que de la tenue des structures. Ce travail permettra de proposer des optimisations des paramètres géométriques tout en satisfaisant les critères exigés par les GDT.

Le (la) candidat(e) devra être issu(e) d’une formation scientifique de niveau Ecole d’Ingénieurs ou Master spécialisée dans le Génie Mécanique et posséder de solides compétences en simulation numérique par éléments finis. Des connaissances concernant les comportements thermo-mécaniques des matériaux métalliques et céramique sont également recherchées. Outre des qualités techniques à attester, le (la) candidat(e) devra faire preuve de qualités organisationnelles et de rigueur pour planifier et superviser les différentes étapes du travail. Il (elle) doit également être capable de travailler de manière autonome et en équipe et d’avoir une attitude proactive pour la résolution des problèmes. Le (la) candidat(e) devra enfin posséder un bon niveau de maîtrise de l’anglais et du français et des qualités de synthèse écrites et orales.

Pour le (la) stagiaire(e) qui sera recruté(e), ce travail constituera une opportunité de monter en compétences dans les domaines de la simulation numérique par éléments finis et la modélisation thermo-mécanique des assemblages. Mené en parallèle d’une campagne expérimentale de caractérisation (thèse B. Komeili Birjandi en cours), ce projet lui permettra également de découvrir de nombreuses techniques expérimentales innovantes et le nécessaire dialogue expérience-simulation pour la modélisation des matériaux et des structures mécaniques. Enfin, ce stage lui offrira la possibilité de travailler dans un environnement collaboratif, adossé à une thèse CIFRE en partenariat avec une entreprise (société CITEL à Reims), et d’appréhender ainsi les enjeux de la recherche académique et industrielle pour une éventuelle poursuite en doctorat.