Thèse de Doctorat en Sciences de Matériaux - Céramiques H/F - CNRS

Composites à base de zircone cériée : influence de la microstructure, de la composition et du procédé de fabrication sur la plasticité induite par transformation de phase et l'effet mémoire de forme.
Contexte. Cette thèse de doctorat sera réalisée dans le cadre du projet collaboratif bilatéral « ImPatienCe » (ANR-25-CE08-1872-01 Céramiques ductiles pour implants spécifiques au patient ; entre BAM-Berlin et MATEIS-Insa Lyon) visant à optimiser des composites « ductiles » à base de zircone cériée (composites Ce-TZ) pour la fabrication additive céramique (AM) utilisant la stéréolithographie (SLA). Bien que les technologies SLA céramique montrent un excellent degré de maturité, elles produisent néanmoins des défauts d'élaboration qui peuvent être critiques pour les céramiques « fragiles ». « ImPatienCe » trouve son origine dans nos résultats [1] montrant que l'utilisation de SLA améliore la plasticité induite par transformation de phase (TRIP) dans des composites Ce-TZP triphasiques. De plus, nous avons également montré que l'utilisation de céramiques « ductiles » tolère la présence de défauts typiques de traitement AM, sans compromettre leurs performances mécaniques. À plus long terme, ce travail de doctorat contribuera au développement d'implants médicaux céramiques spécifiques aux patients imprimés en 3D (par exemple mâchoire, articulation mandibulaire, etc.) avec une meilleure ostéo-intégration, propriétés mécaniques et durabilité.
Objectifs et activités de recherche. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes qui régissent l'évolution des microstructures des composites Ce-TZP élaborés « conventionnellement » et par SLA (c'est-à-dire lors des post-traitements thermiques de déliantage et/ou de frittage) ainsi que l'impact des caractéristiques microstructurales sur le degré/caractéristiques du TRIP et l'effet de mémoire de forme qui en résulte. Ces aspects seront examinés dans le cadre d'une approche expérimentale multi-échelle, en étudiant des phénomènes se produisant à l'échelle macro (échantillons d'essais mécaniques), dans la plage où se forment les bandes de transformation de phase tétragonales (t) à monocliniques (m) sous contrainte (méso-échelle) et à l'échelle des grains (échelle micron). Ainsi, le projet se concentrera sur l'étude de différentes compositions (composites Ce-TZP triphasiques ou biphasiques) et/ou des caractéristiques obtenues après différents traitements thermiques (vitesse de chauffe, température, temps) afin d'optimiser à la fois les microstructures et le comportement mécanique. Les questions scientifiques abordées intégreront donc : 1) les relations TRIP-microstructure, 2) les effets du raclage des pâtes SLA et/ou de durcissement sous LASER-UV, 3) le rôle de l'orientation cristallographique des grains de zircone et/ou des contraintes résiduelles sur leur transformabilité, 4) la réversibilité de la transformation sous contrainte t-m induite par chauffage, 5) le nombre de cycles charge-décharge-chauffage qui peuvent être réalisés sans diminution de la résistance mécanique.
Responsabilités : travailler sur les thématiques recherche du projet ANR « ImPatienCe » dans le but d'obtenir un doctorat, élaborer des céramiques à partir de poudres/pâtes (par pressage/CIP/SLA) et réaliser des traitements thermiques et des caractérisations sur des céramiques vertes/finales (dilatométrie, DRX, densité, analyses thermiques, dureté Vickers), réaliser des essais/caractérisations par microscopie électronique (MEB, MET, MEB-EBSD, tomographie-FIB), développer et réaliser des essais mécaniques pour évaluer le comportement mécanique (ex situ et in situ) en relation avec la transformation de phase « t-m » de la zircone (et avec la transformation inverse « m-t » par chauffage), évaluer quantitativement et modéliser les données et les résultats, collaborer avec des partenaires nationaux et internationaux, rédiger des articles scientifiques, préparer des communications orales scientifiques nationales et internationales, rédiger le manuscrit de thèse de doctorat et préparer la soutenance de thèse, superviser des étudiants en master, participer à des activités de vulgarisation scientifique.

Contexte de travail
MATEIS est un laboratoire de Science des Matériaux à l'intersection de champs disciplinaires, principalement en chimie, physique et mécanique. Le laboratoire MATEIS étudie les trois classes de matériaux (métaux, céramiques, polymères) et leurs composites en intégrant les caractéristiques en volume, en surface et les interfaces. Le laboratoire s'attache à décrire les relations élaboration-microstructure-propriétés, avec une approche expérimentale et de modélisation. MATEIS intervient dans les domaines des procédés avancés d'élaboration, de la caractérisation de la microstructure (souvent in-situ et/ou en 3D), de la modélisation à différentes échelles, de la caractérisation des propriétés d'usage et de leur évolution.
MATEIS est actuellement un des plus grands laboratoires français en termes d'effectifs dans le domaine de la « Science et Ingénierie des Matériaux » (notamment pour les matériaux dits « structurels »). Le laboratoire compte environ 170 personnes, organisées en 6 équipes de recherche. Il est une Unité Mixte de Recherche (UMR5510), placée sous la tutelle de : l'INSA de Lyon (tutelle principale), l'Université Claude Bernard Lyon 1 et le CNRS. L'unité est principalement implantée sur le Campus Lyon-Tech de La Doua à l'INSA de Lyon, mais certains membres intéressés par l'étude des interactions matériaux-vivant travaillent sur le Pôle Santé Lyon-Est.
La structuration de MATEIS est matricielle et se composte de 6 équipes de recherche. Les équipes METAL, PVMH et CERA s'intéressent chacune à une classe de matériaux (métaux et alliages ; polymères et matériaux amorphes semi-cristallins ; céramiques et composites, respectivement). Les équipes CORRIS, SNSM et I2B présentent une activité plus générique et applicable aux trois classes de matériaux. L'équipe SNMS développe de nouvelles techniques d'observation des microstructures et de leur évolution, en lien avec leurs applications. Le groupe CORRIS s'intéresse aux propriétés de surface et à l'étude de la corrosion et de la résistance à la corrosion. Enfin, l'équipe I2B développe et caractérise tous types de matériaux à vocation médicale, avec un intérêt particulier pour l'étude approfondie des interactions biologiques.
MATEIS est membre de la Fédération Ingélyse et de l'Institut Carnot I@L, il est associé à l'Institut de Chimie de Lyon et participe aux pôles de compétitivité Axelera, Plastipolis, Viameca et Techtera. Le laboratoire a été membre créateur du GIS « Multimatériaux architecturés » (Grenoble INP et l'Insa de Lyon) et il est impliqué dans des laboratoires d'excellence (iMust, Manutech). Le laboratoire participe activement à des projets nationaux (ANR, Région...), à des projets européens et en relation avec l'industrie.
Le projet proposé dans le cadre de cette thèse sera réalisé au sein du groupe « Céramiques et Composites » du laboratoire MATEIS (équipe CERA). Le groupe CERA travaille sur les différents aspects de la Science et Technologie des Matériaux Céramiques, en équilibrant recherche fondamentale et appliquée. Le groupe est constitué de 50 membres (15 chercheurs et enseignants-chercheurs dont 10 HDR), travaillant sur 4 thématiques : 1) céramiques et composites nanostructurés/multifonctionnels ; 2) composites thermostructuraux pour des applications aéronautiques et spatiales ; 3) céramiques et composites pour des applications biomédicales ; et 4) matériaux minéraux et organo-minéraux pour la construction. Le groupe CERA développe des thématiques de recherche allant de l'élaboration des céramiques, en passant par l'étude de l'évolutions de la microstructure (pendant la mise en forme, la consolidation et/ou en service) jusqu'à la caractérisation des propriétés d'usage.
Nous recherchons donc un(e) candidat(e) pour cette thèse ayant une formation en science des matériaux et un intérêt pour les matériaux céramiques et/ou les techniques de microscopie électronique. Des connaissances ou un stage antérieur en essais mécaniques et/ou fabrication additive seraient appréciés, ainsi que des connaissances de base en programmation, des compétences logicielles. Enfin, une bonne communication, de l'initiative/engagement et la capacité à travailler en équipe, la volonté de coopérer, la volonté d'apprendre.