Section 09 Ingénierie des matériaux et des structures, mécanique des solides, biomécanique, acoustique

II. Ingénierie des matériaux et structures, géomécanique

A. Une forte demande sociétale

Les travaux réalisés dans les laboratoires de la section 09 trouvent leur origine dans des problématiques d'ingénierie au sens large, relatives à des secteurs industriels majeurs tels que l'énergie, le transport, l'environnement, la santé ou le génie civil. Ils sont donc fortement corrélés avec les attentes de notre société. Les exigences s'orientent aujourd'hui vers la conception et l'analyse de matériaux ou multi-matériaux de structures et/ou multifonctionnels permettant d'assurer la durabilité et la fiabilité, de trouver des solutions innovantes à de nouvelles exigences technologiques et économiques, tout en assurant une « conception verte » intégrant l'ensemble du cycle de vie des matériaux. Si les activités de la section possèdent un fort ancrage industriel, on observe actuellement un affaiblissement des grands projets nationaux qui avaient permis, dans les années 50 à 80, des progrès significatifs dans les domaines de l'aéronautique, du ferroviaire et du nucléaire. Cette inflexion tranche avec le dynamisme de la communauté française de la mécanique des matériaux qui occupe aujourd'hui une des toutes premières places au niveau international.

B. Matériaux et structures dans une approche unifiée

Il se crée de plus en plus un continuum entre l'Ingénierie des matériaux, des structures et la mécanique des solides : les problématiques de la conception de formes, de l'élaboration des matériaux, de choix des procédés de fabrication/mise en forme et de la caractérisation sont de plus en plus intégrés. Cette tendance se nourrit des avancées de l'expérimentation (sollicitations in-situ, mesures de champs, etc.), de la modélisation (plasticité, comportements non-linéaires, homogénéisation, surfaces, stabilité, etc.) et de la simulation (calcul haute performance). L'aspect aléatoire de la réponse d'un matériau ou d'une structure, inhérent aux hétérogénéités de micro-structure, est pris en compte au travers d'analyses statistiques (auto-organisation, criticalité). Il est désormais courant, par exemple, d'envisager l'exploitation d'un essai en ayant recours à la simulation numérique, via des dispositifs de pilotage en « temps réel » sur des structures complexes. Une structure mécanique étant perçue comme multi-échelle, sa résistance est intimement liée, non seulement à un bon dimensionnement, mais aussi au choix du matériau et à son assemblage dans un système global. Un défi important consiste à maîtriser l'hétérogénéité de la micro-structure, et celle des champs mécaniques associés. La tendance actuelle est à la conception directe de micro- ou méso-structures : composites, mousses, matériaux architecturés, etc.

C. Des matériaux aux propriétés multiples

La réalisation, la compréhension, et l'optimisation de la micro-structure de matériaux de propriétés multiples est un enjeu actuel. Les couplages multiphysiques pris en compte peuvent être extrêmement nombreux (thermo-, hydro-, chimio-mécanique, piézo-électrique, magnéto-élastique, etc.), et ils touchent toute la gamme des matériaux et leurs applications, notamment dans le secteur de la biomécanique, mais également celui du bâtiment (ex. bâtiments à énergie positive), de l'électronique (souple) ou de l'énergie (ex. stockage). Se rajoute éventuellement la volonté de créer des propriétés de surface différentes du cœur. La difficulté consiste à imaginer la structure du matériau, à la réaliser, à l'optimiser du point de vue de critères souvent contradictoires.

La prise en compte des couplages avec les transferts fluides dans des milieux saturés ou non, avec la température, la chimie, la biologie, ou la physique, a fortement progressé. Elle incite nos laboratoires à concevoir des montages ou essais de plus en plus complexes pour se rapprocher des conditions d'usage des matériaux avec une métrologie de plus en plus élaborée, ce qui demande budget et support technique importants. Les progrès attendus dans ces domaines proviennent aussi de la pluridisciplinarité inhérente à cette thématique.

D. Exigence de maîtrise de la durabilité et des environnements complexes

Les sollicitations du matériau sont variées et toujours plus complexes. Elles se produisent sur des échelles de temps et d'espace très étendues, allant des temps extrêmement courts (impacts) aux temps géologiques (stockage, structure des planètes), passant de l'échelle locale (défauts cristallins) à celle du massif montagneux. De plus en plus, le choix d'un matériau est aussi dicté par sa résistance à l'environnement (oxydation, corrosion, irradiation, etc.), au vieillissement et à l'altération. Ceci est vrai dans l'usage extrême des matériaux mais aussi pour la durabilité à très long terme. Il en ressort une nouvelle problématique, celle des « essais accélérés » représentatifs (ex. fatigue gigacyclique, stockage des déchets nucléaires) avec un contenu pluridisciplinaire. En effet, le dialogue entre échelles spatiales, temporelles, ou encore utilisant les équivalences temps-température, nécessaires à l'extrapolation d'une tendance sur parfois plusieurs ordres de grandeur, sont mal maîtrisés dès lors que les données expérimentales sont quasi-absentes en condition de fonctionnement.

E. Le développement extraordinaire des moyens de caractérisation et d'observation

L'ingénierie des matériaux bénéficie d'une explosion de la capacité des moyens expérimentaux, en phase avec les développements technologiques et les capacités de pilotage et calculs associés. Ces développements ont un impact fort sur notre capacité à observer la microstructure des matériaux, à différentes échelles, mais également sous chargement complexe. Une voie de développement actuelle consiste à piloter les sollicitations appliquées à une micro-structure de façon à guider l'évolution d'un paramètre local (par exemple pour suivre l'intensité des contraintes en pointe de fissure).

Les mesures de champs connaissent toujours un essor important dans nos laboratoires, maintenant ainsi l'excellente visibilité internationale de la communauté française. Les mesures de grandeurs statiques (contraintes) viennent désormais compléter les mesures de champs cinématiques (déplacements, déformations), thermiques et calorimétriques, largement utilisées depuis quelques années. Les développements actuels portent sur le couplage de mesures de champs pour accéder à des grandeurs complémentaires et sur la mise en relation avec la microstructure sous-jacente. L'injection d'informations a priori dans l'exploitation des mesures (par exemple une condition de surface libre bien établie), mais aussi l'exploitation du « bruit » de mesure, devraient permettre d'atteindre à court terme des résultats expérimentaux encore plus robustes. Sur ces aspects, les chercheurs se positionnent très bien. Il s'agit une fois de plus d'un domaine pluridisciplinaire, qui associe les progrès technologiques, la mécanique des matériaux, avec des disciplines telles que le traitement du signal l'image, la physique (ex. l'optique), etc. L'utilisation et le développement d'outils numériques (ex. calculs par éléments finis) deviennent indispensables pour l'exploitation approfondie de ces mesures.

Les tendances qui se dessinent s'orientent vers l'imagerie 3D, grâce à des moyens d'observation variés (microscopie confocale, IRM, micro-tomographie optique cohérente ou à rayons X, émission acoustique, propagation d'ondes, etc.), vers des échelles d'observation de plus en plus fines, non seulement spatiales (nano-tomographie X, sonde atomique 3D, MEB-FIB, MET-HR, AFM, microdiffraction Laue et EBSD haute résolution, etc.), mais aussi temporelles. On notera également le fort développement d'observations in situ ou sous conditions sévères. L'ensemble de ces outils procure une masse d'information très conséquente permettant de faire progresser la modélisation à différentes échelles, dans le but d'optimiser un matériau. Cette richesse d'information nécessite la mise en place d'outils de traitement performants.

Paradoxalement, nos laboratoires sont peu présents sur les grands instruments européens en construction (source européenne à spallation de Lund – Norvège, laser à électron libre XFEL à Hambourg – Allemagne).

F. Les approches multi-échelles deviennent incontournables

Le développement d'approches théoriques originales, et les progrès constants des méthodes et moyens numériques (Éléments Finis, Transformée de Fourier Rapide, Réduction de modèles...), permettent d'envisager des approches intégrant simultanément plusieurs échelles d'analyse. L'objectif est de comprendre et de rendre compte d'un phénomène décrit à une échelle donnée en se nourrissant des processus élémentaires identifiés généralement à l'échelle inférieure et de leurs effets collectifs aux échelles supérieures. Un exemple concret est la localisation de la déformation plastique (bandes de glissement) à l'échelle d'un grain en lien avec les structures de dislocations qui se développent à l'échelle micro-nanoscopique, et la complexité des états mécaniques locaux à l'échelle de l'agrégat polycristallin. Différentes équipes sont à la pointe dans ces domaines pour toutes les classes de matériaux et structures (métalliques, composites, polymères, géomatériaux...). Les enjeux scientifiques et industriels recouvrent la durabilité des matériaux pour un dimensionnement mécanique plus sûr et leur optimisation. Ces travaux ont favorisé une très forte synergie avec la physique. Le couplage et l'adaptation d'outils complémentaires tant sur les plans théorique et numérique (champs de phases, dynamique des dislocations, plasticité cristalline, reconstruction et calcul d'agrégats, textures, lois de comportement physiquement motivées, éléments finis, etc.) qu'expérimental est une des étapes importantes de ces dernières années. De nouvelles perspectives s'ouvrent pour la compréhension/intégration de la localisation, des gradients/hétérogénéités de champs mécaniques ou encore de la transition plasticité/endommagement. Les questions fondamentales du passage discret/continu (échelles de l'Angström pour les atomes, mm pour les milieux granulaires), puis de la transition continu/discontinu au voisinage de la rupture, restent une difficulté qui nécessite la mise en place de nouvelles approches. Un des enjeux des prochaines années sera d'associer l'ensemble des outils pour appréhender des sollicitations mécaniques de plus en plus représentatives des conditions d'usage, mettant en jeu des aspects multi-échelles marqués et des couplages multi-physiques non-linéaires en temps et en espace.

G. L'échelle nanométrique

Au-delà des aspects multi-échelles évoqués ci-dessus, l'échelle nanométrique est de plus en plus au cœur des thématiques en section 09. Grâce à des moyens d'analyse performants, l'intégration d'informations à cette échelle est de plus en plus complète ce qui permet de comprendre l'effet de processus élémentaires : précipitations très fines, structures fines des dislocations, nature des interfaces. Une fois de plus l'avènement de techniques expérimentales fiables à cette échelle (voir §E) ou numériques (DDD, dynamique moléculaire, calculs ab initio...) permet des caractérisations mécaniques élémentaires donnant accès à des grandeurs essentielles pour l'identification de lois de comportement. Ces travaux laissent entrevoir des problématiques encore largement ouvertes, notamment en ce qui concerne la phénoménologie à adopter aux échelles fines, ainsi que le nécessaire dialogue entre les échelles de temps et d'espace. Par ailleurs l'échelle nanométrique apparaît essentielle pour traiter certains problèmes spécifiques aux surfaces : capillarité, oxydation, corrosion, émergence de dislocations, amorçage de fissures, usure/frottement, nano-structuration des surfaces. Sur le plan fondamental, il convient de mieux définir les spécificités relatives à « la mécanique des surfaces ». Ces activités transdisciplinaires entre mécaniciens, chimistes et physiciens, seront abordées au § III.

H. L'architecturation pour l'optimisation de la structure

Les matériaux architecturés constituent une famille relativement récente qui émerge à la fois d'un besoin croissant de multifonctionnalité, difficile à satisfaire avec des matériaux traditionnels, et de l'émergence de nouvelles méthodes de fabrication en 3D (fabrication additive ou ALM, Robocasting, Ice-templating, Electron Beam Melting). Les échelles caractéristiques des microstructures pouvant varier de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs mètres, ce domaine se nourrit de l'essor des outils de caractérisation multiéchelles 2D-3D permettant de contrôler au mieux les microstructures, leur propriétés et leurs évolutions.

Les applications sont multiples (énergie, santé, micro et nanotechnologies, transport, bâtiment), et impliquent des matériaux variés (métaux, céramiques, polymères, bio-matériaux). Des exemples de réalisations sont les matériaux alvéolaires, autobloquants, les tissus ou milieux enchevêtrés, ou encore les squelettes céramiques pour substituts osseux.

Ce domaine est donc fortement interdisciplinaire de par les défis scientifiques qu'il aborde (procédés d'élaboration et de mise en forme, physico-chimie et mécanique des interfaces, durabilité, techniques de caractérisation, modélisation du comportement, optimisation, bio-inspiration) dont beaucoup sont au cœur de la section 09. Les chercheurs impliqués en France sont en pointe et l'excellence de ce domaine réside dans le maintien de collaborations fortes entre les sciences des matériaux, la mécanique, l'optimisation et le design. Des verrous technologiques restent encore à lever, en particulier ceux liés à la maîtrise des lois d'échelle, au suivi des propriétés en cours d'usage, jusqu'au développement de moyens de pilotage et diagnostic du procédé.

I. Des matériaux respectueux de l'environnement

La crise de l'énergie qui se profile pour les prochaines décennies, associée à la nécessité de limiter l'impact humain sur l'environnement, a des répercussions fortes dans le domaine de l'ingénierie des matériaux. Dans les transports par exemple, l'effort porte sur la recherche de matériaux de structure à la fois ductiles, légers, et rigides, permettant de limiter les dépenses d'énergie. On peut également mentionner la nécessité d'élaborer des matériaux avec des propriétés compatibles avec un environnement sévère, comme les hautes températures (ex. turbomachines en aéronautique).

Mais les directions de recherche actuelles doivent tenir compte du cycle de vie du matériau, depuis la matière première, l'élaboration, l'utilisation, et le recyclage. C'est par exemple le cas des polymères biosourcés, ou des composites à fibres végétales. Les laboratoires de la section 09 n'interviennent que sur une partie de cette thématique complexe, qui nécessite de fait de fortes interactions avec les autres disciplines.