Développement de revêtements céramiques à haute entropie: une alternative durable aux matériaux critiques pour application tribologique // Development of High-Entropy Ceramic Coatings: A Sustainable Alternative to Critical Materials for Tribological App

Les revêtements céramiques haute performance, utilisés dans les secteurs de l'aérospatial, de la défense et de l'énergie, reposent aujourd'hui sur des matériaux critiques tels que le chrome, le nickel, le titane ou les terres rares. Leur approvisionnement est menacé par des tensions géopolitiques, des fluctuations de marché et des réglementations environnementales strictes, comme le Règlement européen sur les matières premières critiques (Critical Raw Materials Act, 2024). Par exemple, le Cr₂O₃, largement utilisé pour sa résistance à l'usure, contient 68 % en masse de chrome, un matériau dont l'extraction pose des risques écologiques et sanitaires majeurs, tout en étant listé en tant que matériau critique.
Les matériaux à haute entropie (HE), définis par la combinaison de cinq éléments ou plus en proportions quasi équiatomiques, offrent une alternative prometteuse. Leur stabilité de phase à haute température et leur résistance à la diffusion atomique en feraient des candidats idéaux pour des applications en conditions extrêmes. Des études récentes ont montré que des oxydes HE comme Al₂(CoCrCuFeNi)O (structure spinelle) ou (AlCrTaTiZr)O (structure rock-salt) atteignent des duretés comparables à celles du Cr₂O₃ (22–23 GPa vs 25–30 GPa) tout en réduisant la teneur en chrome à 7–13 % en masse. Cependant, ces résultats ont été obtenus avec le procédé de dépôt par pulvérisation cathodique, une méthode coûteuse et généralement limitée aux couches minces (< 1 µm). Aucune méthode industrielle n'existe aujourd'hui pour produire des revêtements épais (> 50 µm) adaptés aux applications tribologiques ou de barrière thermique.
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High-performance ceramic coatings, used in the aerospace, defense, and energy sectors,
currently rely on critical materials such as chromium, nickel, titanium, and rare earth
elements. Their supply is threatened by geopolitical tensions, market fluctuations, and strict
environmental regulations, such as the European Critical Raw Materials Act (2024). For
example, Cr₂O₃, widely used for its wear resistance, contains 68 %wt. of chromium—a material
whose extraction poses major environmental and health risks, while also being listed as a
critical material.
High-entropy (HE) materials, defined by the combination of five or more elements in near
equiatomic proportions, offer a promising alternative. Their high-temperature phase stability
and resistance to atomic diffusion make them ideal candidates for applications under extreme
conditions. Recent studies have shown that HE oxides such as Al₂(CoCrCuFeNi)O (spinel
structure) or (AlCrTaTiZr)O (rock-salt structure) achieve hardnesses comparable to those of
Cr₂O₃ (22–23 GPa vs. 25–30 GPa) (Oses et al., Nat. Rev. Mater., 2020) while reducing the
chromium content to 7–13 %wt. However, these results were obtained using sputtering, a
costly method generally limited to thin films (< 1 μm). No industrial method currently exists
to produce thick coatings (> 50 μm) suitable for tribological or thermal barrier applications.
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Début de la thèse : 01/02/2027

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Limoges

653 Sciences et Ingénierie

• Formation : Master (ou équivalent) en Science des Matériaux, Génie des Procédés ou Chimie du Solide. • Compétences techniques : o Expérience en caractérisation des matériaux (DRX, MEB, TEM) et/ou en traitement des poudres (broyage, synthèse). o Connaissances en projection thermique (atout majeur, mais non obligatoire). o Expérience pratique des outils d'analyse de données (Python, Origin, ImageJ). • Qualités personnelles : o Autonomie, rigueur scientifique et capacité à travailler en équipe pluridisciplinaire. o Intérêt pour les enjeux industriels et environnementaux. o Bon niveau en français et en anglais scientifique (écrit et oral).
o Education: Master's degree (or equivalent) in Materials Science, Process Engineering, or Solid-State Chemistry. o Technical skills: • Experience in materials characterization (XRD, SEM, TEM) and/or powder processing (milling, synthesis). • Knowledge of thermal spraying (a major asset, but not required) . • Practical experience with data analysis tools (Python, Origin, ImageJ). o Personal qualities: • Ability to work independently, scientific rigor, and ability to work in a multidisciplinary team. • Interest in industrial and environmental issues. • Proficiency in French and scientific English (written and spoken).