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Domaine 6 Matériaux, chimie et énergie Eric Lafontaine Responsable adjoint du domaine scientifique Philippe Masclet Bruno Mortaigne Responsable Responsable du domaine scientifique du domaine (jusqu’à juillet 2010) scientifique Thèmes • Matériaux micro ou nano architecturés, • Matériaux composites nanocomposites, matériaux pour applications thermo-structurales, • Matériaux fonctionnels • Dimensionnement, modélisation et simulation des procédés et des comportements, • Chimie des systèmes anticorrosion, • Chimie et procédés alternatifs pour le développement durable, • Détection des toxiques chimiques et explosifs, • Physico chimie des matériaux énergétiques, • Concepts relatifs aux économies et à la gestion des sources fossiles, • Nouveaux carburants de synthèse, • Piles à combustibles, • Stockage électrochimique, • Systèmes robustes pour la récupération des énergies renouvelables. Priorités 2011-2012 • • • • • • Matériaux multifonctionnels (furtivité, adhésion, fonctions combinées,...) Concepts avancés pour blindage et protection Ecoconception, procédés alternatifs durables Miniaturisation des techniques de détection de toxiques Stockage chimique à haute fiabilité pour production d’énergie instantanée Récupération d’énergie renouvelable en environnement non coopératif L es matériaux, la chimie et l’énergie sont intimement liés dans l’organisation de la matière et de ses différents états. Ce domaine est transversal à la fois du fait d’un nombre important d’applications civiles et militaires, mais aussi vis-à-vis de ses propres thématiques. Le domaine scientifique ne peut pas ignorer les enjeux et défis sociétaux actuels et futurs dont il fait l’objet dans le contexte international, à savoir la recherche d’alternatives et de solutions à la raréfaction des énergies fossiles et bon marché, à l’évolution géostratégique et technologique liée à l’approvisionnement des matières premières et à l’obligation de contribuer autant que possible et en toutes circonstances au respect de l’environnement et aux réglementations en vigueur le concernant (REACh). Ces aspects transverses et duaux ne doivent pas cependant masquer les spécificités d’emploi et de performances dont la défense a besoin, et qui sont à la base des enjeux technologiques du domaine scientifique. ENJEUX SCIENTIFIQUES POUR LA DÉFENSE Les orientations scientifiques du domaine visent, d’une part, à induire et à susciter des ruptures et progrès technologiques décisifs en vue de besoins de défense finalisés, et, d’autre part, à laisser le champ ouvert à de nouvelles opportunités ou découvertes qui façonneront à leur tour de nouvelles conditions d’emploi. Le domaine est présenté selon les trois thématiques principales qui le constituent, en fonction des applications défense concernées : - les aspects Matériaux sont ainsi centrés sur les capacités d’endurance et de résistance face aux conditions sévères spécifiques (chocs mécaniques, hautes températures, sollicitations statiques et dynamiques), ainsi que sur les capacités fonctionnelles destinées au contrôle d’interactions physiques (propriétés électromagnétiques, acoustiques pour le camouflage, matériaux piézoélectriques, fenêtres optiques, métamatériaux, …) ; - la multifonctionnalité des matériaux est recherchée en priorité ; 44 POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION 2010 - ORIENTATIONS 2011-2012 - les aspects liés au stockage de l’énergie et à la production d’énergie sont présentés de façon globale, selon les besoins spécifiques envisagés (puissance, autonomie) en liaison avec les axes thématiques concernés. Les thèmes relatifs aux matériaux et la chimie pour l’énergie (stockage électrochimique, carburants et propergols, hydrogène) se rattachent naturellement à ce chapitre. Domaine 6 - les aspects Chimie concerneront essentiellement des aspects de synthèse et de procédés en vue de la neutralisation ou de la détection de la menace chimique ou biologique. Les techniques de lutte contre la corrosion, les traitements de surface, ainsi que les thèmes liés à la protection de l’environnement et au respect des réglementations liées à l’environnement, appartiennent également à ce chapitre. La problématique des composés pyrotechniques actuels ou futurs est également évoquée dans cette partie (fortement reliée à celle de la détection) ; ● les matériaux à rhéologie complexe (rhéoépaississants), ● la modélisation multiéchelle des structures et leur relation avec le comportement en fatigue sous impact, la simulation des effets dynamiques au cœur de la matière (éclats, fragmentation), avec en finale la compréhension de leur comportement. Dans le domaine des matériaux de structure, l’accent est mis sur les avancées permettant de conserver la rigidité et l’endurance en association avec la légèreté, mais aussi avec la facilité de réparation, voire d’autoréparation. Ces besoins appellent des innovations concernant, notamment : ● les nouveaux constituants de matériaux composites à matrices organiques (nouvelles résines thermoplastiques, nouveaux concepts de fibres hautes performances, nano composites), ● les concepts d’assemblage rapides, adhésifs et collages avancés, ● la mise au point de nouveaux alliages métalliques légers. ORIENTATIONS SCIENTIFIQUES : MATÉRIAUX ● les technologies de contrôle non destructif et l’intégration de capteurs intelligents. 1. ENDURANCE FACE AUX SOLLICITATIONS MÉCANIQUES ET EFFORTS STRUCTURAUX Cet axe du domaine fait l’objet d’attention de la plupart des documents d’orientation de recherche civils ou militaires, en France comme à l’étranger. Les thèmes abordés vont de l’allègement au maintien de l’intégrité des structures (tenue en fatigue, choc...), l’autoréparabilité et la maîtrise du cycle de vie des matériaux. L’amélioration du comportement des matériaux de protection, des blindages et des perforants sont également abordés. Ils apparaissent ainsi dans les programmes US de la National Science Fundation (NSF), comme dans ceux du Defense Science Office (DSO), mais également au programme du ministère chinois des sciences et technologies (MOST). Les applications civiles de cet axe font également l’objet de l’attention des instances européennes (en particulier du programme cadre de recherche et développement PCRD) et des initiatives françaises du domaine (appel à projet Matériaux et procédés de l’ANR, programme matériaux du CNRS). Les besoins mentionnés se réfèrent surtout aux objectifs capacitaires de l’ensemble des systèmes de forces, et aux besoins liés à la sécurité. Les orientations scientifiques s’appliquent aux matériaux euxmêmes et a leur procédé d’élaboration et comprennent notamment : ● les matériaux à grains ultrafins et les alliages à haute résilience, les alliages métalliques amorphes (verres métalliques massifs), ● les nouveaux procédés d’obtention de matériaux complexes nanostructurés (Spark Plasma Sintering, ...), et nanocomposites (renforts et fibres de nanotubes), L’axe aborde également les aspects liés à la compréhension de la nocivité des défauts, leur propagation et leurs conséquences en service, afin de conduire à une meilleure estimation de la durée de vie des structures et du potentiel résiduel. 2. MATÉRIAUX POUR HAUTES TEMPÉRATURES ET UTILISATION EN ENVIRONNEMENT THERMOMÉCANIQUE EXTRÊME Les matériaux et constituants concernés par ces contraintes extrêmes se trouvent dans les éléments moteurs (aubes, disques, carters), les parois de tuyères, et sur les surfaces exposées à l’échauffement (pointes avant de missiles, tuyères, vannages pour guidage, etc.). Il est donc naturel de retrouver cet axe au rang des préoccupations de recherche des grandes nations aéronautiques (US et France notamment), et ses thèmes font l’objet de la feuille de route de nombreux organismes publics de l’aéronautique (ONERA, DLR, DSTL...) ou de motoristes industriels (groupe SAFRAN (SNECMA, SPS, Turboméca), Rolls Royce, Pratt et Whitney…). Les matériaux à très haute température jouent également un rôle important dans le confinement des hautes énergies, ainsi qu’en témoignent les actions menées par le CEA, ainsi que par des acteurs internationaux tels que le ministère des sciences et techniques du Japon (MEXT). Cet axe joue un rôle important dans la préparation de ruptures capacitaires du système de forces Engagement et Combat et pour les applications aérospatiales en général (aéronefs, hélicoptères, drones, missiles, engins spatiaux…). POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION 2010 - ORIENTATIONS 2011-2012 45 Domaine 6 Les principales orientations de l’axe sous tendent l’exploration : ● des céramiques avancées pour barrières thermiques et des applications à très haute température (propulsion ionique) et les évolutions dans les procédés associés, ● des superalliages métalliques ou intermétalliques, ainsi que des matériaux C/C ou C/SiC, et l’évaluation des nouveaux matériaux comme les géopolymères, ● des composites à matrice métallique et/ou céramique, à haute endurance à la fatigue thermomécanique, et les procédés de fabrication associés, ● de la modélisation et de la compréhension des effets observés en présence d’impuretés extérieures au moteur. Figure 6.1 : Matériau composite fonctionnel (en vue d’applications piézoélectriques) – REI Les recherches et études afférentes à cet axe sont menées en étroite corrélation avec les experts du métier matériaux de la DGA dans le cadre de programmes d’études amont (PEA) et en lien étroit avec les programmes de recherches propres de l’ONERA. 3. MATÉRIAUX FONCTIONNELS AVANCÉS ET SYSTÈMES INTELLIGENTS. L’optimisation des systèmes, de leur coût et de leurs propriétés requièrent aujourd’hui des capacités multifonctionnelles (structures allégées, conductivité, magnétisme, transparence, discrétion optique ou acoustique, …) en particulier dans le domaine de la furtivité et des antennes, des fenêtres (IR, Radar, Sonar), du contrôle électroactif de vibrations, ou de déformées, des transducteurs pour sonar... Les applications des matériaux fonctionnels, et la recherche de nouvelles combinaisons (multi-physique, multiéchelle) font l’objet de nombreuses réflexions : en France, le CNRS y consacre une partie du programme matériaux, ainsi que l’ANR (notamment dans le programme Matériaux Procédés). Le CEA mène également de nombreux travaux en lien avec cet axe, au service d’applications vers l’électronique, les capteurs, l’énergie, … A l’étranger, on retrouve cet axe à une place importante des agences de la défense (US-DSO, UK-DSTL), mais également dans les appels d’offre civils (MEXT Japon, PCRD Europe). Il est à noter que, d’un point de vue capacitaire, cet axe sert la quasi-totalité des systèmes de forces et recoupe également des thématiques des domaines scientifiques Photonique, Nanotechnologies, et Ondes électromagnétiques et acoustiques. Les orientations de l’axe concernent d’une part : ● les matériaux à bande interdite et les métamatériaux à propriétés spectrales reconfigurables, autoadaptatives ou non ; ● les systèmes à propriétés couplées, ainsi que la simulation des effets, et les procédés d’élaboration 46 Figure 6.2 : Exemple de métamatériau pour application électromagnétique (Thèse). physico-chimiques utilisés bio-mimétisme, …). (auto-organisation, Et d’autre part : ● les matériaux et métamatériaux à signature contrôlée dans le spectre des ondes acoustiques ; ● les composés électroactifs piézoélectriques à haut coefficient de couplage et les procédés de synthèse associés ; ● l’intégration de matériaux intelligents via des technologies actives ou semi-actives pour le contrôle de forme ou de réponse acoustique. Cet axe recèle, une part importante des approches nanométriques appliquées aux matériaux et s’inscrit en droite ligne des thématiques matériaux de la Stratégie Nationale de Recherche Innovation (SNRI). ORIENTATIONS SCIENTIFIQUES : CHIMIE Le segment de la chimie, souvent associé à celui des procédés de synthèse et d’analyse, préfigure de ce fait la quasi-totalité des applications du domaine. Sans négliger cet aspect transversal, le thème chimie est principalement décliné ici sur les axes POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION 2010 - ORIENTATIONS 2011-2012 ● détection et traitement de surface en vue de se protéger contre la corrosion et les agents agressifs ; ● traitements de surfaces et fonctionnalisation (matériaux pour la protection et la détection de toxiques chimiques ou explosifs, ainsi que pour la protection contre la corrosion, 1. SURFACES ET INTERFACES : TRAITEMENT, FONCTIONNALISATION Domaine 6 suivants (à l’instar des principaux sujets d’intérêt relevés dans les organismes de R et D de défense aux US, au Japon, et en Europe – principalement UK et D) : Cet axe aborde aussi bien les aspects spécifiques liés à la fonctionnalisation des surfaces et au greffage de molécules que les composés pour les applications de détection et de piégeage réactif, et notamment : ● les molécules et matériaux empreintes ou surface de nano capteurs en vue de la détection d’espèces chimiques et biologiques ; ● matériaux pour la pyrotechnie (propulsion et détonique). ● les traceurs en phase gazeuse ou liquide (chromophores, luminophores, X-réactifs). Ce thème assure par ailleurs une veille scientifique dans le domaine des procédés durables (chimie douce, catalyse éco compatible) et de l’emploi de matériaux alternatifs éco-sourcés. Ces derniers aspects sont fortement soutenus par le domaine civil en France (programme Chimie Développement Durable Innovation de l’ANR, cofinancé par la DGA) et en Europe (FP7). Ces applications à la détection souvent ultime sont très présentes au niveau des besoins défense et sécurité en particulier aux USA (Darpa, DSO) ou au Japon (Riken). La surface des matériaux au regard de ses interactions physico-chimiques avec le milieu extérieur est également l’un des thèmes de cet axe, avec principalement : ● les dépôts ou structurations fonctionnels superhydrophobes ou superhydrophiles ; ● les traitements de surfaces, la lubrification et la réduction des frottements solides ; ● les interfaces en général (collage, soudage... ) et l’étude de leur comportement. 2. COMPORTEMENT FACE AUX AGRESSIONS CHIMIQUES, BIOCHIMIQUES, ÉLECTROCHIMIQUES Figure 6.3 : Nanofibres et nanotubes de dioxyde de titane autoassemblés en vue de l’autodécontamination de textiles par photocatalyse d’oxydation sous UV (REI). Les traitements chimiques et biochimiques jouent un rôle essentiel pour conférer aux matériaux des propriétés spécifiques dans leur environnement fonctionnel et des propriétés couplées (capteurs – séparation – catalyse), leur comportement dans ce domaine étant aussi qualifié en termes d’éco-compatibilité. Les thématiques concernées par ces comportements conduisent à étudier les matériaux d’inhibition d’effets polluants et contaminants, et notamment : ● les revêtements antisalissures en milieu marin compatibles avec la réglementation sur la protection de l’environnement (biocides) ; ● les matériaux et technologies de décontamination et de dépollution, en particulier les techniques appuyées sur la catalyse, la complexation, le filtrage en ambiance confinée. Figure 6.4 : Approche nanoconstructive - fonctionnalisation de graphène par groupement benzyle (REI). Cet axe aborde également les études de solutions nouvelles pour l’inhibition d’effets oxydo-réducteurs (corrosion sous toutes ses formes), et pour la détection et la prévention de tels effets pour tous milieux. Il inclut les efforts de recherche sur les revêtements de protection avancés compatibles avec POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION 2010 - ORIENTATIONS 2011-2012 47 Domaine 6 les règlements sur le développement durable. les travaux menés viennent en complément des actions engagées dans le cadre de PEA du métier matériaux, (nouveaux matériaux de protection, modélisation des phénomènes électrochimiques des coques de navire...) cette problématique étant fortement dimensionnante dans les systèmes d’armes aériens et navals et nécéssitant une bonne compréhension fondamentale des mécanismes de dégradation. 3. MATÉRIAUX ÉNERGÉTIQUES : PROPERGOLS, EXPLOSIFS Ce dernier axe du thème « Chimie » concerne les matériaux énergétiques pour les explosifs (pyrotechniques) et pour la propulsion (carburants et propergols solides, liquides et hybrides) où il vient en appui des aspects mentionnés dans le segment Energie du domaine. Les principaux thèmes d’intérêt sont liés : ● à l’augmentation des performances des matériaux pour la propulsion, tout en garantissant les niveaux de sécurité requis, ● à la prévision et aux contrôles des phénomènes d’instabilités dans les mélanges réactifs, afin de mieux maîtriser, diversifier et sécuriser l’utilisation de ces systèmes. ORIENTATIONS SCIENTIFIQUES : ENERGIE La satisfaction des besoins énergétiques de la défense prend le plus souvent un caractère éminemment dual, mais reste la garantie incontournable de l’efficacité des forces. Ainsi, cette partie du domaine participe principalement aux capacités des systèmes de forces protection et sauvegarde (P&S), projection mobilité et soutien (PMS), ainsi qu’engagement et combat (E&C). L’analyse des spécificités des besoins défense qui permet de tracer les principaux axes d’effort scientifique peut être établie à partir de la combinaison des capacités souhaitées : ● en puissance (impulsionnelle, transitoire, ou continue), ● en quantité d’énergie stockée (autonomie), ● en compacité du moyen de stockage (portabilité). 1. BESOINS EN PUISSANCE EN ÉNERGIE : GESTION DES SOURCES FOSSILES ET ALTERNATIVES Cet axe concerne les applications récurrentes les plus consommatrices des systèmes : mobilité des aéronefs, des bâtiments, des véhicules, alimentation de systèmes de combat nouveaux (utilisant l’énergie électrique, sous forme impulsionnelle ou continue). 48 La plupart des nations (USA, Canada, Europe, Japon) ont ainsi prévu des plans de réduction et d’économie d’énergies fossiles permettant d’assurer une présence opérationnelle minimale. D’autres pistes de progrès sont déjà citées dans le domaine civil, et font aussi l’objet d’attention de la part d’organismes spécifiques de la défense (Service des essences des armées, services de soutien des forces) ou civils (ANR, CEA, CNRS). On y trouve en particulier : ● la gestion intelligente et l’amélioration des fonctionnements des systèmes moteurs (avec en vue près de 25 % d’économie envisagée à terme) ; ● les matériaux énergétiques (ergols et propergols) à haute impulsion spécifique (faisant intervenir des composants nanométriques) et haute sécurité d’emploi ; ● les carburéacteurs et biocarburants de synthèse futurs, et l’utilisation de la bio-masse, les applications prometteuses liées à l’hydrogène, en tant que combustible (principal ou d’appoint) dans des moteurs « Diesel-Hydrogène » notamment ; ● certains développements liés aux piles à combustibles de forte puissance (100 kW et plus) dont quelques prototypes sont déjà en cours de démonstration. Enfin, le besoin énergétique en configuration de bases déportées, pourrait à terme s’appuyer sur des technologies d’énergies renouvelables (basées par exemple sur le principe de centrales solaires à concentrateur, ou encore d’aérogénérateurs). 2. BESOINS EN AUTONOMIE ET COMPACITÉ : UN SECTEUR EN PLEINE ÉVOLUTION. Cet axe concerne la plupart des applications de l’énergétique « nomade ». Ce défi, hautement relevé par le domaine civil dans les applications des technologies de l’information et de la communication, intéresse également les applications défense : énergie embarquée par le combattant pour les différents systèmes de localisation, de détection, de transmission et de calcul, appoint des systèmes pour veille discrète, alimentation de capteurs abandonnés. La spécificité des besoins défense a trait à la disponibilité et la fiabilité des solutions (stockage, sûreté et durcissement aux impacts). Certaines nations parmi lesquelles on retrouve encore les USA (DARPA, DSO) le Japon (NEDO) mais également les européens (UK, D) ont lancé des actions fortes en directions des technologies d’énergie embarquée ou renouvelable, tout comme la France au travers des recommandations de la SNRI. Les orientations comprennent en particulier : ● les micropiles à combustible (à catalyseurs et interfaces nano composites), ainsi que les biopiles ; ● le stockage solide de l’hydrogène (hydrures métalliques, récepteurs nanoporeux, stockage sans métal ...), les micro sources thermoélectriques, POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION 2010 - ORIENTATIONS 2011-2012 ● les éléments de nouveaux capteurs photovoltaïques tout organique, ou hybride, ainsi que les composés bio-photovoltaïques (protéines photosensibles) ; ● les cellules solaires à spectre étendu et rendement accru, pour une meilleure ergonomie d’intégration (cellules souples intégrées aux vêtements, panneaux enroulables pour l’emport) ; ● l’ensemble des techniques de récupération d’énergie mécanique (systèmes piézoélectriques). 3. PUISSANCE ET COMPACITÉ : LES DÉFIS DU STOCKAGE AU SERVICE DU COMBATTANT Ce dernier axe, qui reste prioritaire pour le domaine, concerne les solutions propres à doter les unités et combattants projetés d’une capacité de libération contrôlée d’énergie instantanée très élevée (répétitive ou non). Cet axe transversal au domaine est fortement marqué par les technologies des matériaux (céramiques et polymères), de la chimie et de l’électrotechnique. Les nombreux thèmes qu’il recèle sont à nouveau au programme du développement Domaine 6 voire bio-thermoélectriques (micro-composants thermoélectriques biocompatibles) ; scientifique des nations dont les USA, le Japon, l’Europe (et prochainement la Chine) sont des acteurs majeurs. On y recense en particulier : ● les techniques et matériaux pour le stockage d’énergie électrique : meilleure robustesse et capacité des électrodes de condensateurs, amélioration de la fiabilité, nanocomposites, ... ; ● les nouvelles techniques électrochimiques pour la mise en oeuvre de batteries de puissance accrue (ex : filière lithium), et matériaux d’électrolytes et d’interfaces associés ; ● les techniques et matériaux utilisés pour la gestion de la thermique dans les applications de l’électronique de puissance : drains et ponts thermiques, isolants thermiques à conductivité électrique réglée, commutation haute énergie. Cet axe fait l’objet d’une synergie accrue avec l’ANR (programme «stock-e») pour les thèmes les plus duaux ou de périmètres d’applications élargis. Le secteur de l’énergie est aujourd’hui un secteur en pleine évolution. Les recherches en composés d’intercalation préfigurent ainsi les performances de demain et permettront d’atteindre des capacités inédites pour les applications de puissance instantanée (micro-ondes de forte puissance, flash laser, lanceur électromagnétique, radar ultralarge bande, ....). Actions prioritaires 2011– 2012 Dans le domaine des Matériaux : Dans le domaine de la Chimie : ● la recherche de matériaux, de procédés et de concepts permettant de répondre à la multifonctionnalité pour optimisation de la masse des matériels par rapport à l’éfficacité recherchée. On favorisera le recours a la modélisation et a la simulation multiéchelle des relations entre la structure et les propriété des matériaux. On se focalisera plus spécifiquement sur : ● des procédés nouveaux seront recherchés afin d’intégrer la notion d’eco-conception aux matériels de défense et faire en sorte que les acteurs concernés soient associés à la démarche du meilleur coût à la fois financier et écologique, - les solutions avancées pour améliorer encore l’efficacité des matériaux de blindage et de protections resteront un axe privilégié des recherches (gains de masse, comportement multiphysique, …) ; - le maintien en condition opérationnelle des systèmes sera recherché par les concepts de matériaux autoréparants, ou autoadhérents, avec en filigrane des approches nouvelles dans le domaine du collage, des matrices organiques, des procédés, des moyens de contrôle et de détection des défauts ; ● un seuil devra être franchi dans les matériaux à comportement optique et électromagnétique, en intégrant les aspects multispectraux (fenêtres, maîtrise des signatures) et le contrôle en temps réel des propriétés (reconfigurabilité, matériaux commandables). ● le développement de techniques de détection haut débit en opération sera recherché également afin de mieux assurer la prévention des combattants face aux menaces chimiques ou radiochimiques et les méthodes de neutralisation ou de décontamination associées. Dans le domaine de l’Energie : ● des méthodes de stockage chimique à haut degré de densité d’emport et de fiabilité/sécurité (ex : stockage hydrogène solide) devront permettre le fonctionnement de systèmes de production d’électricité en toutes circonstances (Pile à combustible nomade, ...), ● l’amélioration du rendement et de l’ergonomie d’utilisation de sources d’énergie renouvelables (eolien, solaire, thermique, mécanique, …) en environnement non coopératif (capteurs photovoltaïques ou thermoélectriques robustes) sera recherchée. ■ POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION 2010 - ORIENTATIONS 2011-2012 49