Contenu détaillé des enseignements du parcours MET - instn

Master Énergie
Parcours MET
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Contenu du parcours : Matériaux pour l’Energie et les Transports (MET)
+
+
ECTS
Gestion de Projet - Bureau d'Etude
2
Langue vivante
2
Modélisation et simulation numérique (DFT/DM,
CASTEM/RADIOSS, CIVA, COMSOL)
4
Propriétés physiques et fonctionnelles des matériaux
pour l'énergie et le transport
Surfaces, interfaces, corrosion et protection des
matériaux
Projet de recherche bibliographique
S3 =
30ECTS
S4 =
30ECTS
UE

TC
MET
Obligatoire
5
4
Analyse des surfaces et caractérisation du
vieillissement des matériaux
4
Matériaux avancés pour l'Energie et le Transport
4
Matériaux pour l'Energie Nucléaire
(Fission, Fusion)
4
Matériaux pour les Nouvelles Technologies de
l'Energie
4
*Relations microstructures propriétés mécaniques
4
*Mécanique des matériaux : Plasticité 3D, Fatigue,
rupture
4
2 UEs
parmi ces 4
Obligatoire
22
Stage

5
TC
Energie
Obligatoire
Projet tutoré de recherche bibliographique portant chaque année sur une nouvelle
thématique d’actualité dans le domaine des matériaux pour l’énergie et les transports.
Colloque de recherche de 2 jours sur cette même thématique.
+
UE mutualisé avec le parcours « Photovoltaïque et véhicule électrique » (MATEC)
*UE mutualisé avec le parcours MET
Master Énergie
Parcours MET
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TRONC COMMUN
UE1 « Modélisation et Simulation Numérique (DFT/DM, CASTEM/RADIOSS, CIVA, COMSOL) »
Coordinateur(s)
Equipe pédagogique
ECTS / Nombre d’heures
Prérequis
Objectifs de l’UE
Contenu de l’UE
Mots-clés
Compétences
Bibliographie conseillée
Lieu de la formation
Modalités des contrôles
des connaissances
Master Énergie
Pierre Richard DAHOO (UVSQ-LATMOS)
Marc MEUNIER (BIOVA), Hervé MICHAEL (ALTAIR ENGINEERING), Eric BOYER
(ALTAIR ENGINEERING), Pierre CALMON (CEA), Constantin MEIS (INSTNCEA), Pierre Richard DAHOO (UVSQ-LATMOS), Jorge LINARES (UVSQGEMAC)
4 ECTS / 17h (CM) + 28h (TD)
Connaissance de base en utilisation de l’Unix (Linux).
Connaissance fondamentales en science des matériaux (physique de l’état
solide, mécanique des matériaux)
Apprendre à appliquer à travers des logiciels de simulation numérique des
modèles multi-physiques et multi-échelles pour représenter un système et
différents phénomènes physiques en évolution. S’initier à l’utilisation de
logiciels industriels pour le contrôle non destructif.
Modélisation Multi-physique par méthode des éléments finis COMSOL,
(Thermo-élasticité et Electromagnétisme)
 Modélisation Multi-échelles
Modélisation-simulation à l’échelle atomistique : Density Functional Theory
(DFT) et Dynamique Moléculaire (MD) en utilisant Materials Studio (CASTEP
et GULP) de BIOVIA et de méthodes de Monte Carlo
 Modélisation-simulation à l’échelle mésoscopique et macroscopique en
utilisant RADIOSS de ALTAIR Engineering.
 Contrôle non destructif des matériaux (détection des défauts et suivi de
leur évolution) en utilisant le code CIVA de CEA-EXTENDE
Modélisation Multi-physique, Modélisation multi-échelles, Contrôle non
destructif. Systèmes, Modèles, Interactions, Méthodes Numériques ;
Méthode des éléments finis ; Introduction à l’utilisation de codes
numériques industriels : CASTEP (DFT)-GULP (DM) ; Monte Carlo; RADIOSS,
COMSOL ; CIVA
Maitriser l’utilisation des codes industriels appliqués dans le cadre des
matériaux pour l’énergie et le transport.
INSTN – CEA Saclay
Contrôle continu et mini projet à réaliser en utilisant les codes enseignés
Parcours MET
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TRONC COMMUN
UE2 « Propriétés physiques et fonctionnelles des matériaux pour l'énergie et le transport »
Coordinateur(s)
Equipe pédagogique
ECTS / Nombre d’heures
Prérequis
Objectifs de l’UE
Contenu de l’UE
Mots-clés
Compétences
Bibliographie conseillée
Lieu de la formation
Modalités des contrôles
des connaissances
Master Énergie
Yves DUMONT (UVSQ)
Yves DUMONT (UVSQ), Julien BARJON (UVSQ), Ingrid STEINGER (UVSQ),
Joseph SCOLA (UVSQ), Constantin MEIS (INSTN-CEA), Michel ROGER (INSTNCEA)
5 ECTS / 32h (CM) + 27h (TD)
Bases de Physique de la Matière Condensée : cristallographie, réseau
réciproque, zone de Brilouin, bandes d’énergie, liaisons chimiques,…
L'objectif de cette UE de S3 est de donner de solides notions et savoir-faire en
propriétés électroniques des matériaux et hétérostructures, ainsi qu’en
dynamique du réseau cristallin afin de comprendre et savoir résoudre les
questions associées au transport électrique dans les composés métalliques,
semiconducteurs, isolants mais aussi dans leurs hétérostructures (jonctions
p/n, Schottky, MIS, etc.)
 Structure de bande : modèles de Sommerfeld pour les métaux et de Bloch
Brillouin pour les semiconducteurs. Approximation des bords de bande
parabolique. Type de porteur et masse effective.
 Remplissage des bandes. Concentration de porteurs à l’équilibre: cas
intrinsèque et extrinsèque. Transitions interbandes directes et indirectes.
Spectroscopie d'émission et d’absorption.
 Génération de charges électroniques dans les M et SC : dopage,
photogénération, recombinaison.
 Transport électronique diffusif dans les M et SC : modèle de Drude,
équation de Boltzmann ; diffusion, conduction, photoconduction. Notion
de mobilité. Mécanismes de limitation de la conductivité.
 Ingénierie de structure de bande et hétérojonctions : adaptation des
potentiels chimiques, travail de sortie
 Hétérojonction active à base de SC : jonction PN à l’équilibre
thermodynamique (équations de base). Jonction PN hors équilibre
(polarisations directe et inverse, claquage inverse), (équations de base).
 Hétérojonctions Métal-Semiconducteur (barrière Schottky).
 Hétérojonctions métalliques. Effet Seebeck et Thomson
 Dynamique du réseau cristallin et phénomènes de transport :
 Phonons et propriétés thermodynamiques.
 Phénomènes de transport, Linéarisation de l’équation de
 Boltzmann, conductivité électrique, thermique, thermoélectricité
Semiconducteurs, Structure de bande, hétérostructures, transport,
hétérojonctions, phonons
INSTN - UVSQ
Examen écrit
Parcours MET
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TRONC COMMUN
UE3 « Surfaces, interfaces, corrosion et protection des matériaux »
Coordinateur(s)
Equipe pédagogique
ECTS / Nombre d’heures
Prérequis
Objectifs de l’UE
Contenu de l’UE
Mots-clés
Compétences
Bibliographie conseillée
Lieu de la formation
Modalités des contrôles
des connaissances
Master Énergie
Philippe MARCUS (Chimie ParisTech)
Philippe MARCUS (Chimie ParisTech), Vincent MAURICE, (Chimie ParisTech),
Antoine SEYEUX (Chimie ParisTech), Damien FERON (CEA), Cécilie DUHAMEL
(Mines ParisTech)
5 ECTS / 30h (CM) + 12h (TD)
Cristallographie (structure de volume)
Propriétés électroniques des solides
Donner aux étudiants les connaissances fondamentales permettant de
comprendre le lien entre les propriétés structurales et les propriétés
chimiques des surfaces à l’échelle atomique ou moléculaire. Les applications
à la corrosion et la protection des métaux et alliages seront présentées.
 Structure des surfaces,
 Thermodynamique des surfaces,
 Phénomènes d’absorption aux interfaces solide/gaz et solide/liquide,
 Réactions fondamentales de la corrosion,
 Passivation,
 Corrosion localisée,
 Moyens de protection
Surfaces, interfaces, métaux, alliages, corrosion, passivation, protection
Les étudiants acquièrent les connaissances fondamentales permettant de
comprendre le lien entre les propriétés structurales et les propriétés
chimiques des surfaces à l’échelle atomique ou moléculaire
Ils maîtrisent la relation entre les concepts acquis et leurs applications dans
le domaine de la protection contre la corrosion des matériaux métalliques
INSTN
Examen écrit (3 heures)
Parcours MET
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TRONC COMMUN
UE4 « Relations microstructures propriétés mécaniques »
Coordinateur(s)
Equipe pédagogique
ECTS / Nombre d’heures
Prérequis
Objectifs de l’UE
Contenu de l’UE
Mots-clés
Compétences
Master Énergie
Maxime SAUZAY (CEA)
Caroline TOFFOLON (CEA), Laurent DUPUY (CEA), Maxime SAUZAY (CEA)
3 ECTS / 15h (CM) + 3h (TP) + 9h (TD)
o Notions de mécanique des milieux continus (contraintes et
déformations)
o Diffusion, Diagrammes de phases, Cristallographie
Compréhension des mécanismes physiques de la déformation et origine des
lois de comportement.
 Analyse des microstructures
o Eléments de microstructure : grains, phases, solution solide.
o Diagrammes de phases, solidification et transformations de phases.
o Défauts dans les cristaux : sans dimension (lacunes, interstitiels), 1D
(dislocations), 2 D (joints de grains, macles), 3D (précipités, cavités).
o
Restauration- recristallisation.
o Evolutions sous irradiation…
o Exemple d’application : acier bainitique et acier austénitique
inoxydable)
 Plasticité à l’échelle des dislocations
o Rappel sur les dislocations : définition, vecteur de Burgers, théorie
élastique, cission résolue, force de Peach Koehler,
o Les stades de la déformation : glissement simple, écrouissage,
glissement multiple, glissement dévié, grandes déformations.
o Restauration, fluage et montée des dislocations.
o Effets de la microstructure et de la composition sur le
comportement mécanique : solutés, précipités, taille de grain, …
o Influence de l’irradiation sur le comportement des dislocations :
mécanismes élémentaires, canalisation.
o Exemple d’application : acier bainitique et acier austénitique
inoxydable.
o TP numérique : Simulations de dynamique des dislocations
 Plasticité cristalline
o Lois de plasticité et viscoplasticité avec densité de dislocations, loi
d’évolution, écrouissage, contrainte critique, facteur de Schmid,
thermoactivation.
o Prise en compte de la restauration (montée), lois de fluage.
o Problème d’Eshelby, inclusion plastique, hétérogénéité élastique.
o Modèles simples d’homogénéisation polycristalline Taylor, Kröner.
o Calculs des contraintes dans les précipités.
o Localisation de la déformation (bandes de glissement, bandes
claires dans les matériaux irradiés), contraintes induites aux joints
de grains.
o Exemples d’application : acier bainitique et acier austénitique
inoxydable.
Microstructures, Dislocations, Plasticité cristalline
 Prise en compte des éléments microstructuraux (e.g. cristallographie,
défauts, précipités) et connaissance des phénomènes de diffusion (e. g.
diagrammes de phases, restauration, recristallisation).
 Etude de la plasticité à l’échelle des dislocations.
Parcours MET
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

Bibliographie conseillée
Prérequis
Lieu de la formation
Modalités des contrôles
des connaissances
Master Énergie
Etude du comportement mécanique.
Etude du lien entre la microstructure et le comportement mécanique :
approche polycristalline (démarche micro-macro et modèles de
plasticité cristalline employés).
 Etude de la plasticité dans les matériaux irradiés et les matériaux
hétérogènes.
Métallurgie, du minerai au matériau (J Philibert et al.) Ed. Dunod –
Comportement mécanique des matériaux, 2 volumes (D François et al.) Ed
Lavoisier. Dislocations et plasticité des cristaux (J.L. Martin), Presses
Polytechniques Romandes.
 Notions de mécanique des milieux continus (contraintes et
déformations)
 Diffusion, Diagrammes de phases, Cristallographie
INSTN
Un examen de 3h
Parcours MET
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TRONC COMMUN
UE5 « Comportement mécanique et endommagement des matériaux »
Coordinateur(s)
Clotilde BERDIN (UPS)
Equipe pédagogique
Clotilde BERDIN (UPS), Ludovic VINCENT (CEA), Anne-laure HELBERT (UPS)
ECTS / Nombre d’heures 3 ECTS / 18h (CM) + 9h (TD)
Prérequis
Mécanique des milieux continus, Théorie des poutres
Objectifs de l’UE

Etudier la diversité des comportements mécaniques macroscopiques des
matériaux (anisotropes, à comportement non linéaire dépendant ou non
du temps)

Connaître les lois mécaniques à utiliser dans des calculs de structures
mécaniques

Faire le lien entre chargements d’une structure et états mécaniques
locaux.

Connaitre les différents modes d’endommagement en fonction de la
sollicitation.
Contenu de l’UE
 Anisotropie élastique (MMC, RDM : élasticité linéaire isotrope, 3D)
 Rhéologie 1 (1D non linéaire)
 Rhéologie 2 (2D poutre flexion élastoplastique et aube de turbine
viscoplastique + T°)
 Plasticité 3D : critères de plasticité, notions d’équivalents, loi
d’écoulement, écrouissages cinématique et isotrope, comportement
cyclique, …. ex. d’application (acier bainitique-Inox)
 Description et mécanismes des endommagements en chargement
monotone (ductile, fragile, transition)
 Mécanique de la rupture :
o Entaille - Facteur de concentration de contrainte : KT
o Facteur d’intensité de contrainte : K
o Approche énergétique de la rupture
o Relation entre G et K en statique
o Fissures en élasto-plasticité- Plasticité confinée - Intégrale J
o Problème des matériaux ductiles – Plasticité non confinée
 Fatigue des métaux
o Mécanismes
o Durée de vie
o Fissuration
o Influence des contraintes –chargement multiaxial
 Fluage des métaux
o Essai de fluage, courbe de fluage
o Mécanismes: fluage-dislocations et fluage-diffusion
o L’endommagement par fluage
Mots-clés
Anisotropie, Rhéologie, Plasticité, Mécanique de la rupture,
Endommagement

Etude des différents comportements en unidimensionnel en relation
Compétences
avec les mécanismes de déformation

Eléments de mécanique des milieux continus pour la résolution de
problèmes tridimensionnels

Réponse des matériaux élastiques linéaires isotropes ou non à un
chargement mécanique ou thermique

Définition des critères limitant le comportement linéaire et réversible et
écoulement plastique
Master Énergie
Parcours MET
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

Bibliographie conseillée
Lieu de la formation
Modalités des contrôles
des connaissances
Master Énergie
Etude des mécanismes d’endommagement des matériaux
Etude du comportement des structures fissurées
mms2.ensmp.fr ; mécanique des matériaux solides, Dunod ;
INSTN
Un examen de 3h
Parcours MET
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UE OPTIONNELLE
UE01 « Analyse des surfaces et caractérisation du vieillissement des matériaux »
Coordinateur(s)
Equipe pédagogique
ECTS / Nombre d’heures
Prérequis
Objectifs de l’UE
Contenu de l’UE
Mots-clés
Compétences
Bibliographie conseillée
Lieu de la formation
Modalités des contrôles
des connaissances
Master Énergie
Philippe MARCUS (Chimie ParisTech), Nihed CHAÂBANE (INSTN-CEA)
Philippe MARCUS (Chimie ParisTech), Vincent MAURICE (Chimie ParisTech),
Anouk GALTAYRIES (Chimie ParisTech), Antoine SEYEUX (Chimie ParisTech),
Nihed CHAÂBANE (INSTN-CEA), Hicham KHODJA (CEA), Thomas VERCOUTER
(CEA), Jean-Baptiste SIRVEN (CEA)
4 ECTS / 18h (CM) + 18h (TP)
Notions de base (structures cristallines, structure électronique, propriétés
de transport)
L’objectif est de donner les notions théoriques de caractérisation des
surfaces et des couches minces, de fournir les bases instrumentales
permettant d’appréhender facilement les potentialités de ces techniques,
de présenter les applications l’étude des surfaces de matériaux.
Méthodes d’analyse par spectroscopie électronique, spectrométrie de
masse d'ions secondaires, microscopie à effet tunnel, microscopie à force
atomique, faisceau d’ions (IBA : particle induced X-ray emission, Rutherford
backscattering spectrometry, Nuclear reaction analysis), spectrométrie
d’émission optique sur plasma induit par laser (LIBS, Laser Induced
Breakdown Spectroscopy), applications à l’étude du vieillissement des
matériaux.
Caractérisation de surface, XPS, ToF-SIMS, STM, AFM, IBA, LIBS
 Posséder les connaissances sur les interactions rayonnement-matière, le
principe des différentes techniques, et les aspects majeurs de
l'instrumentation.
 Être capable de choisir la méthode de caractérisation appropriée, de
comprendre comment sont réalisées les mesures et d'interpréter les
données.
 Maîtriser les applications des techniques à l'étude du vieillissement des
matériaux
Chimie ParisTech (ENSCP) et INSTN
Examen écrit (3 heures)
Parcours MET
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UE OPTIONNELLE
UE02 « Matériaux avancés pour l’Energie et le Transport »
Coordinateur(s)
Equipe pédagogique
ECTS / Nombre d’heures
Prérequis
Objectifs de l’UE
Contenu de l’UE
Jérôme CREPIN (Mines-ParisTech), Yves BIENVENU (Mines-ParisTech)
Jérôme CREPIN (Mines-ParisTech), Yves BIENVENU (Mines-ParisTech),
Sébastien JOANNES (Mines-ParisTech), Cécilie DUHAMEL (MinesParisTech)
4 ECTS / 23h (CM) + 8h (TP) + 5h (TD)
Relations comportement, durée de vie et microstructure, procédés ;
connaissance de classes de matériaux
 Propriétés pertinentes et compétition entre matériaux pour
l’aéronautique et l’automobile
 Microstructure, traitement thermique et propriétés mécaniques des
alliages métalliques et intermétalliques à hautes performances
 Céramiques thermomécaniques, composites céramique matrice
céramiques
 Composites fibres matrice organique : architecture et propriétés des
stratifiés
 Mécanique de l’endommagement et de la rupture, fatigue, fluage,
ruptures fragile et ductile
 Revêtements, surfaces, environnement et température
 Structures de solidification, forgeage, assemblages mécaniques,
soudés, collés

Mots-clés
Compétences
Bibliographie conseillée
Lieu de la formation
Modalités des contrôles des
connaissances
Master Énergie
Etudes de cas réels, pièces rompues en service
Matériaux, Comportement, microstructure, procédés
Matériaux, mécanique, métallurgie physique, procédés, microstructures,
Modélisation phénoménologique
Matériaux, de M.F.Ashby et D.R.H. Jones, Dunod
INSTN, MinesParis, Ecole Polytechnique
Examen 3h + Etude et restitution d’articles scientifiques
Parcours MET
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UE OPTIONNELLE
UE03 « Matériaux pour l’Energie Nucléaire (fission, fusion) »
Coordinateur(s)
Equipe pédagogique
ECTS / Nombre d’heures
Prérequis
Objectifs de l’UE
Contenu de l’UE
Master Énergie
Damien FERON (CEA)
Alain BARBU, Jean-Christophe BRACHET (CEA), Ludovic VINCENT (CEA)
4 ECTS / 36h (CM)
Notions de base en métallurgie physique (microstructure, transformations
de phases, défauts ponctuels, diffusion) et comportement mécanique des
matériaux
- Apporter des connaissances approfondies sur l’utilisation des matériaux
dans l’électronucléaire, réalité industrielle complexe dans laquelle les
matériaux jouent un rôle crucial
- Illustrer la mise en œuvre des concepts et outils de la science des
matériaux au cas du nucléaire
- Initier aux méthodes scientifiques actuelles (modélisation physique et
expérimentation) pour les traiter
 Présentation générale
o les réacteurs fission (Génération 2, 3 et 4) et de fusion, l’aval du
cycle du combustible ;
o les matériaux dans les systèmes nucléaires, caractères génériques et
spécificités du nucléaire
o la modélisation multi-échelle à base physique
 Les mécanismes de vieillissement et de fragilisation des matériaux non
soumis à l’irradiation
o Aciers ferritiques, bainitiques, martensitiques (avec transition
ductile-fragile) :
 durcissement : précipitation fine, décomposition spinodale, strain
ageing
 abaissement de la contrainte de rupture fragile : ségrégation
intergranulaire, précipitation
o Aciers inoxydables : abaissement de la ductilité des matériaux
(précipitation)
o Alliages base Zirconium : comportement en conditions nominales
(corrosion, hydruration…) et accidentelles (fluage, rupture,
oxydation et fragilisation après incursion à haute température)
 Les mécanismes de vieillissement et de fragilisation sous irradiation
o Mécanismes élémentaires d’endommagement sous irradiation :
création de défauts ponctuels (DP), cascades de déplacements et
amas de DP, excitations électroniques, transmutations
o Evolution thermique des DP et des amas de DP et atomes de
solutés
 Structure, mobilité et comportement des DP ; puits et concentrations de
DP
 Evolution micro-structurale
o Comportement macroscopique résultant
 Mécanique : Durcissement, Fluage d'irradiation,
 Dimensionnel : Croissance, Gonflement
 Thermique : Effet Wigner
o Rupture brutale : la Transition fragile ductile de l’acier bainitique de
cuve REP, traitement d’un problème de Sûreté
o Fatigue : la fatigue thermique de tuyauteries en acier inoxydable de
Parcours MET
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










Mots-clés
Compétences
Bibliographie conseillée
Lieu de la formation
Modalités des contrôles
des connaissances
Master Énergie
REP
o Fluage et fluage d’irradiation : le gainage en alliage base zirconium
du combustible REP, les aciers inoxydables de réacteurs à neutrons
rapides
Corrosion et corrosion sous contrainte
o Réacteurs à eau légère
Bases de corrosion aqueuse (si nécessaire)
Conditionnement chimique des réacteurs à eau légère
Oxydation des alliages inoxydables (base fer et nickel) dans l'eau HT et
contamination du circuit primaire des REP
Oxydation des aciers, érosion-corrosion
Oxydation des gaines de combustible en alliages de Zr (conditions
nominales et accidentelles à haute température)
Corrosion sous contrainte des alliages de nickel et des aciers
inoxydables - phénoménologie - modélisation
o Réacteurs du futur (Gen 4) et la fusion
Les réacteurs Gen 4 et la problématique corrosion
ITER & DEMO : circuits et corrosion
Oxydation haute température (hélium – Gen 4)
Corrosion dans les métaux liquides avec en particulier la dégradation
des alliages dans le sodium liquide (Gen 4) et le lithium (Fusion) et
Dégradation des matériaux par le sodium liquide
Notions de base en métallurgie physique (microstructure, transformations
de phases, défauts ponctuels, diffusion), électrochimie et
thermodynamique, et comportement mécanique des matériaux.
INSTN
Examen oral basé sur l’analyse de publications ou examen écrit, en fonction
du nombre d’étudiants.
Parcours MET
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UE OPTIONNELLE
UE04 « Matériaux pour les Nouvelles Technologies de l’Energie »
Coordinateur(s)
Equipe pédagogique
ECTS / Nombre d’heures
Prérequis
Objectifs de l’UE
Contenu de l’UE
Master Énergie
Pere ROCA I CABARROCAS (Ecole Polytechnique)
Pere Roca i Cabarrocas (Polytechnique), Michel LATROCHE (ICMPE Thiais),
Patrick BUVAT (CEA), Julien VULLIET (CEA), Ludovic TORTECH (CEA)
4 ECTS / 30h (CM) + 6h (TP)
Homogénéisation des acquis, Majeures souhaitées (Matériaux en évolution,
Surfaces interfaces et environnement, Physique des matériaux,
Microstructures et propriétés mécaniques)
Après une introduction très générale sur les problèmes énergétiques, les
contraintes, les diverses solutions envisagées, nous nous limiterons à
l’approfondissement de quelques-unes des nouvelles technologies ainsi
qu’aux propriétés des grandes familles de matériaux mis en jeu. L’objectif
est de transmettre, dans chacun des quatre chapitres abordés, de solides
connaissances fondamentales sur les matériaux et les principes de base des
technologies, et de faire découvrir aux étudiants les limites et verrous
actuels des recherches, ainsi que les perspectives envisagées. Il s’agira donc
de conduire les étudiants à réfléchir sur les domaines de recherches actuels
et de les préparer ainsi à un travail de thèse dans le domaine des matériaux
et nouvelles technologies de l’énergie.
Introduction générale : Les énergies nouvelles, pourquoi ? Les enjeux socioéconomiques. Les solutions envisagées. Les matériaux.
 Matériaux de stockage de l’hydrogène
Stockage réversible dans les matrices métalliques :
o Thermodynamique et cinétique des réactions solide-gaz :
dissociation de H2 à la surface, diffusion, mécanismes de nucléation
et croissance des phases hydrures. diagrammes de phases. Tenue au
cyclage et hystérésis, rôle des propriétés microstructurales.
o Propriétés structurales et physicochimiques des hydrures de
composés intermétalliques des principales familles : AB, AB2, AB5 (A
et B éléments de transition ou terres rares), composés à base de
Mg…
o Relation entre propriétés physicochimiques et thermodynamiques
(stabilité, enthalpies de formation, capacité maximum d’absorption
d’hydrogène…)
Autres matériaux de stockage : aluminohydrures, borohydrures, matériaux
carbonés.
Applications
 Stockage électrochimique - Les matériaux
Principes de fonctionnement
o le principe des générateurs électrochimiques (piles et
accumulateurs), capacités de stockage, potentiel d’équilibre, durée
de vie en cyclage, autodécharge, cinétique électrochimique.
Les différents types de piles et accumulateurs électrochimiques
o au plomb (plomb acide)
o batteries alcalines :
o Ni-Cd et Ni-Hydrure métallique : matériaux, réactions,
caractéristiques
Parcours MET
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o
au lithium (lithium-métal, lithium-ion) : principe de l’insertion
électrochimique, matériaux d’insertion
 Matériaux pour les piles à combustible
o la technologie à électrolyte polymère solide (PEMFC) : les matériaux
polymères perfluorosulfonés (microstructures, propriétés), la
réduction électrochimique de l’oxygène (électrocatalyse),
nanoparticules de métaux nobles.
o les piles à combustibles haute température (SOFC) : matériaux à
conduction ionique, électrocatalyse haute température
Approche expérimentale : 6 h
o Montage et mise en œuvre d’une batterie nickel/ hydrure
métallique.
 Matériaux pour le photovoltaïque
Rappel du principe et caractéristiques des piles photovoltaïques.
Matériaux Semiconducteurs (principalement Si, semiconducteurs III-IV et
alliages ternaires et quaternaires)
o Structure cristallographique, liaison chimique, structure de bandes et
origine du gap, nature du gap (direct, indirect). Comment moduler la
valeur du gap pour les applications ? Sélection des matériaux.
o Electrons et trous dans les semiconducteurs : semiconducteurs à
l’équilibre- Impuretés et dopages (n ou p)- semiconducteurs sous
tension- propriétés de transport.
o Processus de photoabsorption et mécanismes de recombinaison.
o Les jonctions : (métal-semiconducteur), semicond.-semicond. (p-n ;
p-i-n ; hétérojonctions p-n). Porteurs et densités de courant à
l’obscurité, sous éclairage, sous champ. Etats de surface et interface.
Matériaux pour films minces photovoltaïques : Films Si amorphe, Si
microcristallin- Films polycristallins CdTe, CuInSe2, CuInGaSe2…- rôle des
défautsMatériaux polymères.
Elaboration des matériaux.
Mots-clés
Compétences



Bibliographie conseillée
Lieu de la formation
Modalités des contrôles
des connaissances
Master Énergie
Approfondissement des connaissances fondamentales de base (PhysicoChimie des Matériaux, Thermodynamique, Electrochimie, etc…).
Capacité de synthèse et d’intégration des connaissances acquises dans
des cours différents, pour concevoir un problème de recherche.
Capacité de faire une mise au point critique (les avancées et les verrous)
des recherches actuelles et de réfléchir aux solutions envisagées.
INSTN
Un examen de 3h
Parcours MET
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