23/01/2021

Etude des propriétés mécaniques et physiques de composites à matrice cuivre et à renfort carbone élaborés par métallurgie des poudres


  • ORGANISATION/COMPANY
    Institut Pprime
  • RESEARCH FIELD
    Physics
    TechnologyMaterials technology
  • RESEARCHER PROFILE
    First Stage Researcher (R1)
    Recognised Researcher (R2)
    Established Researcher (R3)
    Leading Researcher (R4)
  • APPLICATION DEADLINE
    01/04/2021 00:00 - Europe/Brussels
  • LOCATION
    France › Poitiers
  • TYPE OF CONTRACT
    Temporary
  • JOB STATUS
    Full-time
  • OFFER STARTING DATE
    01/10/2021

OFFER DESCRIPTION

Contexte scientifique :

Dans un très grand nombre d'applications, les critères de sélection des matériaux sont d'excellentes propriétés mécaniques associées à une faible densité. Les performances désirées ne peuvent cependant pas toujours être atteintes à partir d'un seul matériau. On a alors recours à des matériaux composites qui résultent de l'association de deux (ou plusieurs) matériaux, présentant chacun au moins une des particularités requises et dont on espère qu'elle sera également caractéristique du multi-matériau obtenu.

Ce travail de recherche portera sur les composites à matrice métallique, et plus spécifiquement sur la synthèse par métallurgie des poudres et l’étude des propriétés physiques de matériaux composites destinés au transport de l’énergie. Les multi-matériaux produits devraient intéresser les industries concernées par les aspects thermiques, électriques et mécaniques, notamment pour la production de matériaux de contact, de drains thermiques et de câbles.

Dans ce contexte, les composites à micro-renfort carbone (sous forme de fibres ou de flocons) et à matrice cuivre apparaissent comme des matériaux de choix [1,2]. De nombreux auteurs ont montré que les conductivités thermiques et électriques des composites Cu/fibres de carbone dépendent de l’orientation des fibres : les conductivités sont élevées dans la direction parallèle aux fibres, et faibles dans la direction perpendiculaire aux fibres ; les conductivités étant d’autant plus faibles que la teneur en fibres de carbone augmente [1,2]. Aucune étude ne fait référence à l’élaboration de composites Cu/fibre de carbone avec des fibres orientées aléatoirement dans le matériau. Favier et al. [3] ont étudié numériquement le seuil de percolation de fibres de cellulose au sein d’une matrice en latex : ils ont montré que la fraction volumique critique de fibres correspondant au seuil de percolation est fonction du rapport de forme des fibres mais également de l’orientation de celles-ci.

 

Cette thématique, fortement interdisciplinaire, reliant les domaines de la science des matériaux et de la physique, met à profit les compétences complémentaires de deux laboratoires : l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB) pour son expérience bien reconnue dans le domaine des matériaux composites, et l’Institut Pprime pour son expérience dans les domaines de la synthèse par métallurgie des poudres et de la caractérisation mécanique multi-échelles. Le candidat effectuera sa thèse à l’Institut Pprime.

 

 

Objectifs de la thèse :

La première étape consistera à produire des composites à matrice cuivre et à renfort fibres de carbone et/ou graphite en paillettes par compression isostatique à chaud afin d’obtenir des micro-renforts orientés de manière aléatoire au sein de la matrice. Différentes proportions volumiques de renfort seront étudiées pour se placer de part et d’autre du seuil de percolation mécanique.

 

Les propriétés mécaniques seront étudiées en relation avec la microstructure, à l’échelle macroscopique, via des essais de compression à température ambiante. Ces propriétés seront comparées à celles de composites élaborés, lors d’un travail préliminaire, par compaction uniaxiale à chaud et au sein desquels les micro-renforts sont orientés perpendiculairement à l’axe de compression.

 

Dans une deuxième étape, différents types d’interfaces seront testées, les propriétés des composites étant très dépendantes de la nature des interfaces matrice-renfort. Les interfaces seront produites ex-situ par la technique de dépôt de sels fondus, mais également in-situ au cours de l’étape de densification par ajout d’un élément d’alliage. La microstructure et la chimie de la matrice, mais également celles de l’interface, seront finement caractérisées à différentes échelle (microscopie électronique à balayage, microscopie électronique en transmission, microscopie à force atomique) car elles joueront un rôle essentiel sur la résistance mécanique mais également au niveau des propriétés physiques du matériau composite.

Les propriétés mécaniques seront étudiées via des essais de déformation de l’échelle microscopique (nanoindentation) à l’échelle macroscopique (compression) en relation avec la microstructure, et à l’issue de cyclages thermiques.

Les propriétés thermiques et électriques seront mesurées en collaboration avec l’ICMCB. La résistivité électrique et la conductivité thermique du matériau composite seront mesurées en lien avec la microstructure.

 

L’objectif ultime serait de produire des multi-matériaux Cu/C intelligents, c’est-à-dire des composites à propriétés thermiques, électriques et mécaniques modulables en fonction de la microstructure, via un contrôle précis de la nature, de l’orientation et de la quantité du renfort carbone.

 

Scientific background:

 

In a very large number of applications, the material selection criteria are excellent mechanical properties combined with low density. However, the desired performance cannot always be achieved from a single material. We then use composite materials which result from the association of two (or more) materials; each material exhibits at least one of the required characteristics which will be hopefully characteristic of the multi-material obtained.

This research work will focus on metal matrix composites, and more specifically on the synthesis by powder metallurgy and the study of the physical properties of composite materials intended for energy transport. The multi-materials produced should be of interest to industries concerned with thermal, electrical and mechanical aspects, in particular for the production of contact materials, thermal drains and cables.

In this context, composites with carbon micro-reinforcement (in the shape of fibers or flakes) and with a copper matrix appear to be the materials of choice [1,2]. Many authors have shown that the thermal and electrical conductivities of Cu/carbon fiber composites depend on the fibers orientation: the conductivities are high in the direction parallel to the fibers, and low in the direction perpendicular to the fibers; the conductivities being lower as the carbon fiber content increases [1,2]. No study refers to the development of Cu/carbon fiber composites with fibers randomly oriented in the material. Favier et al. [3] studied numerically the percolation threshold of cellulose fibers within a latex matrix: they showed that the critical volume fraction of fibers corresponding to the percolation threshold is a function of the aspect ratio of the fibers but also of the orientation of the fibers. The general aim of the project is the fabrication of 2D or 3D Cu/CF composites with controlled thermo-mechanical and electrical properties.

This highly interdisciplinary thesis, involving the fields of materials science and physics, draws on the complementary skills of two laboratories: the Bordeaux Condensed Matter Institute (ICMCB) for its well-recognized experience in the field of composite materials, and the Pprime Institute for its experience in the fields of synthesis by powder metallurgy and multi-scale mechanical characterization. The candidate will perform his/her thesis at the Pprime Institute in Poitiers.

 

 

Objectives of the thesis:

 

         The first step will consist in producing composites with a copper matrix and carbon fibers and/or graphite flakes by hot isostatic pressing in order to obtain randomly oriented micro-reinforcements within the matrix. Different volume fractions of reinforcement will be studied to be placed on either side of the mechanical percolation threshold. The mechanical properties will be studied in relation with the microstructure, at the macroscopic scale, via compression tests at room temperature. These properties will be compared with those of composites developed, during preliminary work, by uniaxial hot pressing, in which the micro-reinforcements are oriented perpendicular to the compression axis.

 

In a second step, different types of interfaces will be tested, the properties of the composites being very dependent on the nature of the matrix-reinforcement interfaces. The interfaces will be produced ex-situ by the molten salt deposition technique, but also in-situ during the densification step by adding an alloying element. The microstructure and chemistry of the matrix, but also those of the interface, will be finely characterized at different scales (scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, atomic force microscopy) because they will play an essential role in mechanical resistance and physical properties of the composite material. The mechanical properties will be studied via deformation tests from the microscopic scale (nanoindentation) to the macroscopic scale (compression) in relation with the microstructure, and after thermal cycling. The thermal and electrical properties will be measured in collaboration with the ICMCB. The electrical resistivity and thermal conductivity of the composite material will be measured in relation with the microstructure.

 

The ultimate objective would be to produce intelligent Cu/C multi-materials, that is to say composites with thermal, electrical and mechanical properties which can be modulated according to the microstructure, via precise control of the nature, of the orientation and quantity of carbon reinforcement.

 

 [1] K. Kuniya, H. Arakawa, T. Kanai and A. Chiba. Thermal conductivity, electrical conductivity and specific heat of copper-carbon fiber composites. Transactions of the Japan Institute of Metals, 28 (10), (1987), pp. 819-826.

 

[2] J. Koráb, P. Štefánik, Š. Kavecký, P. Šebo, G. Korb. Thermal conductivity of unidirectional copper matrix carbon fibre composites. Composites Part A Applied Science and Manufacturing, 33 (4), (2002), pp. 577-581.

 

[3] V. Favier, R. Dendievel, G. Canova, J.Y. Cavaille and P. Gilormini. Simulations and modeling of three-dimensional percolating structures: case of a latex matrix reinforced by a network of cellulose fibers. Acta Materialia, 45 (4), (1997), pp. 1557-1565.

 



Funding category: Contrat doctoral

Ministère

PHD title: de Physique, spécialité Milieux Denses, Matériaux et Composants

PHD Country: France

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Offer Requirements

Specific Requirements

• Master 2 ou diplôme d’ingénieur en sciences ou physique des matériaux

• Connaissances des techniques usuelles de caractérisation des matériaux

• Des connaissances dans le domaine de la métallurgie des poudres et/ou des propriétés mécaniques seraient un plus

• Anglais courant et compétences de communication

• Bonnes compétences rédactionnelles

• Rigueur, initiative et autonomie, goût pour le travail expérimental

Map Information

Job Work Location Personal Assistance locations
Work location(s)
1 position(s) available at
Institut Pprime
France
Poitiers

EURAXESS offer ID: 597883
Posting organisation offer ID: 95668

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