IntranetThermique et Énergétique
Instrumentation et caractérisation thermophysique multiéchelle
Les objectifs scientifiques de cet axe portent sur la caractérisation thermophysique multi-échelle des matériaux, mais aussi sur le développement de techniques expérimentales dédiées (microscopie thermique à sonde locale, radiométrie photothermique, thermographie infrarouge...), et la détermination de leur champ d’application. Il est à noter le positionnement scientifique original de cet axe, au carrefour de la caractérisation thermique et les aspects liés à la physique et à l’instrumentation.
L’activité de caractérisation locale (étude des transferts de chaleurs aux petites échelles, résistances thermiques d’interfaces…) initiée lors du précédent contrat sera poursuivie mais élargie aux nanomatériaux en films minces ou nanostructurés, aux matériaux à changement de phase et aux matériaux composites d’origine végétale (biopolymères, matériaux composites), pour lesquels la problématique de l’influence de l’humidité sera également traitée. L’intégration récente dans l’équipe d’un collègue physicien spécialisé dans les propriétés électriques nous permettra également d’aborder les effets de couplages électriques et thermiques en instrumentation champ proche. Poursuivre nos investigations vers la métrologie nous permettra de répondre, entre autres, aux sollicitations pour les matériaux et micro-systèmes d’intérêt aéronautique et spatial.
La seconde famille d’opérations scientifiques relevant de cet axe thématique traite de problématiques de caractérisation thermophysique in situ et non plus seulement dans des conditions « de laboratoire ». Outre la poursuite de notre contribution à l’amélioration du CND par pyrométrie et thermographie infrarouge (passive ou stimulée) pour des applications « classiques » telles que la détection de défauts dans les parois, les œuvres d’art ou encore les pales d’éoliennes, avec nos partenaires actuels (LRMH, SupAirVision, Engie Green…), nous souhaitons développer de nouvelles méthodes, à la fois plus sensibles et plus quantitatives, dédiées plus particulièrement au diagnostic de dispositifs de production d’énergies vertes (éolien, solaire thermique, photovoltaïque...). En effet, le développement récent de ces technologies et les difficultés de recyclage de leurs composants, doivent nous amener à la réflexion sur leur maintenance prédictive, afin d’en améliorer leur durée de vie et donc leur impact environnemental global. Enfin, ces techniques contribueront, en complément des études à l’échelle locales présentées à l’item précédent, à l’analyse thermique multiéchelles de matériaux nanostructurés, de matériaux à changement de phase, ou encore de structures composites à base végétale.
Optimisation des transferts dans des systèmes thermiques et énergétiques
Cet axe touche l’optimisation des échangeurs de chaleur, tant aux échelles conventionnelles qu’au niveau microscopique (micro-canaux, micro-échangeurs…). Il se compose de différentes opérations scientifiques complémentaires.
Tout d’abord, cet axe présente une activité d’optimisation d’échangeurs à vocation de récupération d’énergie en milieu industriel et en bâtiment individuel, en collaboration avec des partenaires industriels (Valeo, Reccal, Univeristé Dikyz-Eylul …). Selon les applications, il peut s’agir de systèmes monophasiques, diphasiques ou à changements de phase. Outre les aspects purement géométriques, l’intensification des échanges peut également passer par l’utilisation de nano-fluides caloporteurs, ce qui nous conduit à nous orienter à la fois vers la synthèse de nano-poudres (synthèse par sono-électrochimie pulsée déphasée, par exemple), et la recherche des dispersants anti-agglomérats adaptés. Enfin, cet axe présente des travaux de modélisation, de caractérisation thermophysique et d’étude des performances hydrauliques de systèmes thermo-fluidiques (pertes de charge, coefficient de friction, dépôt de couches minces...).
Toujours dans le cadre des applications au bâtiment, nous travaillons au développement de systèmes de rafraichissement des bâtiments grâce à de nouveaux matériaux à changement de phase, à base végétale. Cela nécessite la caractérisation thermophysique et hydrique de ce nouveau matériau (Cp, chaleur latente, conductivité, des différentes phases)...
Valorisation énergétique des gisements renouvelables (biomasse, solaire, éolien, …)
Les activités de cet axe de recherche s’articulent autour de la transformation des gisements renouvelables et l’optimisation de leurs usages dans une optique de contribution au développement durable. Ils s’inscrivent dans la démarche de « Transition énergétique et environnementale », l’un des trois axes prioritaires du Schéma Régional de l’Enseignement Supérieur, recherche, innovation 2020-2030 (SRESRI) de la région Grand Est.
Ces travaux de recherche concernent :
– La conversion des gisements renouvelables (biomasse, rayonnement solaire) en énergie (chaleur, biogaz valorisable) ;
– Le design et le diagnostic de dispositifs des énergies renouvelables (EnR) ;
– L’amélioration de l’efficacité énergétique des parois à base de matériaux bio-sourcés (parois végétales chanvre - amidon et autres),
– L’optimisation des usages des EnR dans le bâtiment et les applications industrielles,
– La caractérisation des propriétés physico-chimiques des matériaux agro-sourcés, pour les applications précitées, mais aussi pour les matériaux d’emballage "Ecologiques" (en collaboration avec l’UMR FARE)
Ces activités de recherches ont d’ores et déjà permis de développer d’étroites collaborations avec des institutions académiques nationale (ULCO) et internationales (EPFL, ANU) et avec des industriels dans le domaine des appareils de chauffage à bois (INVICTA), qui seront amenées à se pérenniser, voire s’amplifier.
Mécanique Appliquée et Génie Civil
Comportement mécanique des matériaux composites biosourcés et éléments finis spéciaux
L’axe "comportement Mécanique des matériaux composites BIO-Sourcés et éléments finis spéciaux (MecoBIOS)" développe depuis plusieurs années des activités de recherche autour de la durabilité des matériaux composites à fibres végétales. Ces activités de recherche contribuent d’une part au développement de nouveaux matériaux plus respectueux de l’environnement, et d’autre part, à la valorisation des ressources naturelles nationales comme le lin et le chanvre. Le projet de l’axe MecoBIOS s’inscrit dans la continuité de ces travaux de recherche en s’intéressant davantage à des sollicitations complexes comme la fatigue et l’impact. Une attention particulière sera également accordée aux composites bio-sourcés élaborés à partir de la technique de la fabrication additive, ce qui permettra de créer une dynamique de recherche collaborative entre trois sites délocalisés de notre université sur lesquels est positionnée l’unité de recherche ITheMM : l’UFR Sciences Exactes et Naturelles à Reims, l’Ecole d’ingénieurs en Sciences Industrielles et Numérique (EiSINe) à Charleville-Mézières et l’IUT de Troyes". Cette dynamique permettra également d’initier des projets plus ambitieux nationaux et internationaux par le biais de collaborations déjà existantes et de collaborations futures.
Génie civil
L’axe Génie Civil (GC) est principalement orienté vers la caractérisation mécanique des matériaux des structures (béton, acier, composite, …) et particulièrement vers l’étude du comportement mécanique des structures assemblées par l’intermédiaire des adhésifs structuraux souples ou rigides. Il existe des collaborations et/ou des partenariats industriels (Sika, Fressinet, …), et universitaires (UTCM de Sofia en Bulgarie, …) de longues dates qui se poursuivent et se développeront encore davantage avec les nouveaux projets doctoraux et internationaux. Conformément aux projets de l’établissement, les études que porte cette équipe de l’axe génie civil sont tournées vers l’utilisation des matériaux biosourcés dans le renforcement des structures en béton, vers l’industrie 2.0 de la construction durable imprimante 3D (projet de partenariat avec la Haute École Robert Schumann en Belgique), s’inscrivant ainsi dans le secteur de la bio économie et du développement durable en proposant des structures en béton armé dans un milieu plus respectueux de l’environnement.
Les objectifs sont :
– le dimensionnement des matériaux de fibres naturelles ;
– les techniques de mesures ;
– l’étude du renforcement des structures.
– l’étude analytique et numérique de la structure renforcée.
Dynamique, Surveillance des Systèmes et des Structures
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L’axe 3 réunit 7 EC permanents et 1 Ingénieur d’Etudes. Les travaux abordés concernent la surveillance des machines tournantes dans le cadre d’une maintenance 4.0 des systèmes de productions. Cet axe, initié en 1993, se focalise sur la détection, le diagnostic et le suivi des défauts de composants mécaniques soumis à de la fatigue tels que les roulements et les engrenages... Aujourd’hui, l’équipe s’inscrit dans une démarche de « Transition industrielle » qui est l’une des 3 priorités stratégiques régionales de l’enseignement supérieur, recherche, innovation 2020-2030 (SRESRI), notamment la priorité sectorielle « Technologie et équipements pour la transition industrielle ». L’intérêt de l’équipe est porté sur la digitalisation de l’entreprise avec l’apport des jumeaux numériques, des méthodes d’intelligence artificielle pour surveiller le comportement mécanique des systèmes et des structures.
Les actions de recherches menées sont :
- le développement de jumeaux numériques,
- la mise en place de stratégie de surveillance des machines tournantes par intelligence artificielle,
- le développement de méthodes de détections précoce de défauts,
- la modélisation numérique et phénoménologiques de l’endommagement en fatigue de roulement afin d’estimer la durée de vie résiduelle des composants mécaniques,
- le développement d’instrumentation dédié à la surveillance.
Les travaux s’appuient sur une plateforme d’essais financée dans le cadre du CPER SURVIB (2004-07). Cette plateforme comporte plusieurs modules afin de reproduire en laboratoire des défauts mécaniques de machines tournantes. Ces activités ont permis de développer d’étroites collaborations avec des institutions académique internationales, avec des sociétés dans le domaine de l’ingénierie mécanique et de l’automobile.
Description de la plateforme SURVIB
Matériaux et Procédés Innovants
Élaboration de matériaux multiphasés
Cet axe correspond à la maîtrise de la formulation et du procédé pour l’obtention de matériaux fonctionnels pour la maîtrise des propriétés. Les matériaux étudiés sont, par exemple, des biomatériaux, des biocomposites, des composites à renforts continus, des nanocomposites et des mousses. Différents procédés sont étudiés et optimisés en fonction des matériaux à élaborer : procédés sol-gel, dépôt électrophorétique, extrusion, injection, thermocompression et fabrication additive.
Optimisation du triptyque structures/procédés/propriétés
Cet axe est le lien entre les deux autres axes pour mieux comprendre les propriétés induites et les potentiels défauts des matériaux mis en forme. Les caractérisations in-situ permettent de mieux appréhender la microstructure des matériaux et ainsi d’effectuer les modifications nécessaires sur le procédé de mise en œuvre.
Caractérisation multiéchelle et multiphysique de matériaux
Cet axe est dédié à la caractérisation des matériaux et au suivi des procédés. L’équipe met en place des méthodes de caractérisation spécifiques pour les différents matériaux étudiés : les matrices polymères, les renforts de composites, les matériaux d’emballage et les matériaux architecturés. Ces méthodes de caractérisation sont multi-échelles : de la structure moléculaire à l’échelle du transport de marchandise. Le contrôle des matériaux (Structural Health Monitoring) et des procédés (Process Monitoring) est accompagné de simulations et de modélisations numériques.
