Thèse IRT Jules Verne - LTEN - Icam « Mise en forme rapide de composites vitrimères et étude de leurs aptitudes à la reprocessabilité pour des applications aéronautiques»

Descriptif de fonction :
Titre de la fonction exercée : Doctorant : « Mise en forme rapide de composites vitrimères et étude de leurs aptitudes à la reprocessabilité pour des applications aéronautiques»

Direction :    
DER (Direction de l’Expertise et de la Recherche)    Service :    Procédés & Matériaux Composites
Fonction du  N+1 : RERT    Lieu de Travail : LTeN, Icam, déplacements ponctuels à l’IRT JV (Bouguenais)
Type de contrat : CDD (doctorant)    Date de début : 01/10/24
Durée du contrat : 3 ans    Statut : Cadre

Présentation de l’IRT JULES VERNE

L’IRT Jules Verne est un centre de recherche mutualisé dédié au développement des technologies avancées de production et vise l’amélioration de la compétitivité de filières industrielles stratégiques. Le cœur d’activité de l’IRT consiste à transposer et intégrer des développements scientifiques matures ou des concepts techniques émergents dans les processus industriels liés à la production et la fabrication.
L’IRT est centré sur les besoins de 4 filières industrielles stratégiques :
-    Aéronautique (Airbus, Daher, Safran, Dassault Aviation, Latécoère,….),
-    Automobile (PSA, Renault, Forvia, Plastic Omnium, Valeo, ...),
-    Energie renouvelable (General Electric, Siemens,…)
-    Navale (Naval Group, Chantiers de l'Atlantique…).
Les équipes mènent des recherches en mode collaboratif en s'associant à des entreprises qui développent et déploient des solutions pour l'usine du futur (machines et équipements de production, outilleurs, robots, logiciels de production, …) ainsi qu'aux meilleurs académiques dans le domaine du manufacturing.
Au sein de l’IRT Jules Verne, la R&D est organisée autour de trois domaines, la Conception Intégrée Produits/Procédés, les Procédés Innovants de Fabrication et les Systèmes Flexibles et intelligents dans lesquelles les Equipes de Recherche Technologiques (ERT) Modélisation et Simulations, Procédés Composites, Procédés additifs & Métalliques (PMM), Contrôle & Monitoring et Robotique & Cobotique travaillent en synergie pour proposer les innovations et briques technologiques nécessaires au développement des technologies avancées de production.
Créé en 2012, les chiffres clés de l’IRT Jules Verne sont les suivants :
▪    75 membres et partenaires industriels et académiques.
▪    25 M€ de chiffre d’affaires annuel, et un portefeuille cumulé représentant 130 M€ de projets de recherche depuis sa création.
▪    110 personnes et 15 M€ d’équipements de recherche structurants.
▪    35 brevets déposés.

Présentation du contexte
L’équipe de recherche technologique Procédés & Matériaux Composites, composée d’une vingtaine de personnes (Docteurs, Ingénieurs & Techniciens), est en charge de développer et déployer des technologies innovantes dans les cinq thématiques de la feuille de route de l’IRT Jules Verne :
-    La mobilité dans l’espace industriel
-    La flexibilité de la production
-    L’assemblage
-    Les procédés de préformage et formage
-    Les procédés de fabrication additive

L’ERT PMC développe en particulier des activités et des compétences dans les technologies de Préformage textiles, de Formage ainsi que d’Assemblage de Composites Thermodurcissables et Thermoplastiques et d’hybrides Composites/Métal. Pour cela, l’ERT PMC s’appuie sur des relations de confiance établis avec des industriels clés (Airbus, Faurecia, GE, Naval Group, Safran, …), des académiques (Université de Nantes, Ecole Centrale de Nantes, Institut Mines Telecom Atlantique, CNRS, …), des centres techniques comme le CETIM ou le CTI-PC.
L’équipe est chargée de repérer et de relier un large spectre de compétences issues de disciplines scientifiques variées (exploitation et transfert des résultats scientifiques) et de secteurs industriels différents (fertilisation croisée et transfert technologique entre filières) pour élaborer des réponses innovantes aux enjeux technologiques de l’IRT Jules Verne. Les développements technologiques sont à mettre en perspectives avec les 4 secteurs d’activités industriels clés de l’IRT JV : l’aéronautique, l’automobile, les énergies renouvelables et la construction navale.
Les projets menés dans l’ERT PMC sont de natures variées allant des projets collaboratifs multi partenaires industriels de l’IRT JV, de la recherche sur contrat mono partenaire et sur des projets européens. L’ERT PMC est investie dans des projets de R&D de taille variable allant de la prestation à des projets de plusieurs millions d’euros.
Afin d’aider les partenaires industriels à garder une longueur d’avance technologique, l’IRT Jules Verne a créé le programme PERFORM (ProgrammE de Recherche FOndamentale et de Ressourcement sur le Manufacturing) qui stimule le développement de la recherche amont par le financement de grappes de thèses de doctorats portant sur des problématiques industrielles identifiées. Le programme est cogéré par l’IRT Jules Verne et ses partenaires industriels et académiques.

Laboratoire d’accueil :

Créé en 1967, le Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes (LTeN), Unité Mixte de Recherche du CNRS (UMR 6607) regroupe aujourd’hui près de 75 personnes sur le site de Polytech Nantes. Il est structuré en 2 axes de recherche : Transfert dans les Fluides et les Systèmes Énergétiques (TFSE) et Transfert Thermique dans les Matériaux et aux Interfaces (TTMI). Dans ce dernier axe, une équipe s’est spécialisée, depuis plus de 30 ans, dans le contrôle et la maîtrise thermique des procédés d’élaboration de polymères et composites.
Le laboratoire est notamment reconnu pour son expertise dans l’analyse fine des phénomènes multi-physiques mis en jeux lors de l’élaboration de matériaux. Il a ainsi développé, toujours en interaction avec le monde industriel, des bancs d’essais originaux permettant de caractériser les phénomènes physiques au plus près des conditions réelles des procédés. Avec cette vision du thermicien, des outils et méthodes allant de la caractérisation au recyclage des composites à matrice polymère, en passant par l’optimisation et le contrôle du procédé, sont mis au service des utilisateurs et de grands codes de calcul.
Nos travaux font l’objet de collaborations scientifiques avec d’autres centres tant à l’échelle française qu'à l’échelle internationale. Ainsi le laboratoire a développé depuis plusieurs années une expertise dans le domaine de la qualification des interfaces de composites à matrice thermoplastique.

L’Institut Catholique des Arts et Métiers (Icam) est une école privée d’ingénieur formant des ingénieurs généralistes. Elle regroupe 7 campus en France dont le site de Nantes et 6 dans le monde. Les activités de recherche de l’Icam s’appuient sur l’expertise des enseignants chercheurs associés des laboratoires de recherche publics en France et à l’international. Les chercheurs à l’Icam se positionnent dans 3 axes : production, stockage et gestion de l’énergie, structures de matériaux innovants et transition sociétale et technologique des entreprises. La recherche à l’Icam s’inscrit dans l’écologie intégrale, c’est-à-dire une recherche d’innovation qui ne soit pas au détriment de l’Homme et de l’environnement.  L’Icam entretient un lien fort avec les entreprises, développant ainsi des systèmes innovants et comprenant les enjeux scientifiques industriels. L’Icam Nantes est notamment reconnue pour son expertise en matériaux composites. Un accompagnement ainsi que des campagnes expérimentales seront réalisées à l’Icam en que besoin en fonction des équipements nécessaires.   

Missions principales 

Description du sujet de thèse :

●    Intitulé de la thèse : «Mise en forme rapide de composites vitrimères et étude de leurs aptitudes à la reprocessabilité pour des applications aéronautiques»
●    Etablissement d’enseignement supérieur où sera inscrit le doctorant : Nantes Université
●    Ecole doctorale : SIS (Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes)
●    Laboratoire où s’effectuera la thèse : LTEN
●    Directeur de la thèse : BOYARD Nicolas

Depuis une dizaine d’années, les matériaux vitrimères ont vu le jour [1]. Leurs propriétés, combinant à la fois le comportement des polymères thermoplastiques et ceux des thermodurcissables, leur confèrent intérêts académiques et industriels. En effet, les vitrimères présentent des liaisons réversibles pouvant être obtenues par différentes fonctions chimiques [2 - 9]. Cette réversibilité permet une adaptation du réseau des macromolécules. La cinétique de la réversibilité peut être contrôlée par des catalyseurs [3]. Ce réseau reconfigurable permet d’obtenir des propriétés macroscopiques, combinant celles des matrices thermoplastiques lorsque le vitrimère est chaud et celles des thermodurcissables lorsqu’il est froid.  Utilisés comme matrices de composites à fibres longues, leur réversibilité apporte une voie de recyclage potentiellement bien plus aisée que pour les matériaux à matrice thermodurcissable, ainsi qu’une auto-réparabilité dans certaines conditions. Des développements sont en cours vers des résines biosourcées [10, 11], notamment avec la lignine, déchet de l’industrie papetière.

Ce nouveau type de matériau possède donc un intérêt industriel avec de nombreuses problématiques thermo-mécaniques (cinétique de réticulation, processabilité/re-processabilité, cicatrisation, propriétés mécaniques en fatigue, adhésion), rhéologiques (comportement viscoélastique, relaxation, température de transition vitreuse, imprégnation de renforts), physico-chimiques (présence/absence de catalyseurs ou plastifiants, vieillissement) et recyclage de déchets de production et de fin de vie.

Fort de leurs expériences, le Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes (LTeN) et l’Icam proposent le sujet de thèse portant sur la mise en forme rapide de composites vitrimères et l’étude de leurs aptitudes à la reprocessabilité pour des applications aéronautiques. En effet, le LTeN a récemment travaillé sur la caractérisation et modélisation de composites lors du procédé de soudage [12][13].
Il est proposé, sur un matériau composite à matrice époxyde modifiée pour en faire un vitrimère, d’étudier :
●    Les conditions de mise en œuvre pour des procédés rapides, notamment le “hot forming” : identifier la fenêtre de processabilité et comprendre les phénomènes physico-chimiques majeurs permettant d’obtenir les meilleures propriétés,
●    L’adhésion (et les temps caractéristiques associés) de pièces composites.
●    L’aptitude au recyclage (au sens d’une réutilisation), en particulier par du reformage. On vise ici à étudier et comprendre l’influence du vieillissement (effet du nombre de cycles de mise en forme et donc de l’histoire thermique, possible déplacement de fibres) sur les propriétés mécaniques (dont fluage, comportement à la rupture…), le comportement dimensionnel et sur l’aptitude à la cicatrisation


Rattaché(e) au responsable de laboratoire et au RERT (Responsable d’Equipe de Recherche Technologique), il/elle aura en charge les missions suivantes :

Liste des missions (non-exhaustive) :

●    Réalisation du travail de thèse :
o    La 1ère année de thèse sera consacrée à la prise en main du sujet à travers notamment une étude bibliographique complète, à la définition des essais et des développements expérimentaux ad hoc, …
o    La 2ème année sera principalement consacrée aux campagnes expérimentales, le traitement des résultats et leur analyse, leur modélisation, la rédaction d’un article scientifique…
o    La 3ème année sera dédiée à la finalisation des travaux, et à la rédaction du manuscrit de thèse.
●    Valorisation des résultats obtenus en participant à des conférences nationales et internationales et en publiant dans des revues scientifiques.
●    Participation aux activités de l’IRT Jules Verne, LTeN et de l’Icam.

[1] Damien Montarnal, Mathieu Capelot, François Tournilhac, Ludwik Leibler, Silica-Like Malleable Materials from Permanent Organic Networks, Science, 2011
[2] Erwan Chabert, Matériaux composites à matrices vitrimère et polymère supramoléculaire. Thèse, 2016
[3] Aurélie Legrand, Nanocharges fonctionnelles pour Vitrimères et Catalyse, Thèse,2016
[4] Johan M. Winne et al,  Dynamic covalent chemistry in polymer networks : a mechanistic perspective, Polymer Chemistry, 2019
[5] Facundo Ignacio Altuna, Cristina Elena Hoppe and Roberto Juan José Williams, Epoxy Vitrimers: The Effect of Transesterification Reactions on the Network Structure, Polymers, 2018
[7] Giovanni Fortunato , Luca Anghileri, Gianmarco Griffini and Stefano Turri , Simultaneous Recovery of Matrix and Fiber in Carbon Reinforced Composites through a Diels–Alder Solvolysis Process, Polymers, 2019
[8] Hafeezullah Memon, Yi Wei, Chengyan Zhu, Recyclable and reformable epoxy resins based on dynamic covalent bonds – Present, past, and future , Polymer testing, 2022
[9] Mathieu Capelot, Chimie de Polycondensation, Polymères Supramoléculaires et Vitrimères,  Thèse, 2013
[10] Cheng Hao et al, A High-Lignin-Content, Removable, and Glycol-Assisted Repairable Coating Based on Dynamic Covalent Bonds,  ChemSusChem, 2019
[11] Marlies Thyset al. Reversible Lignin-Containing Networks Using Diels−Alder Chemistry. : Macromolecules 2021.
[12] Avenet, J., Levy, A., Bailleul, J. L., Le Corre, S., & Delmas, J. (2020). Adhesion of high performance thermoplastic composites: Development of a bench and procedure for kinetics identification. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 138(July). https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106054
[13] Avenet, J., Cender, T. A., Le Corre, S., Bailleul, J.-L., & Levy, A. (2021). Experimental correlation of rheological relaxation and interface healing times in welding thermoplastic PEKK composites. Composites - Part A: Applied Science and Manufacturing, 149(oct), 106489. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106489
Compétences

Savoir - Connaissances théoriques   

●    Mise en œuvre des matériaux composites
●    Transferts Thermiques
●    Physico-chimie des polymères
●    Méthodes numériques  

Savoir-faire - Compétences méthodologiques & organisationnelles   

●    Caractérisation thermique et physico-chimique
●    Rigueur expérimentale (campagne de caractérisation et de mesures)
●    Analyse et synthèse de résultats
●    Présentation aux partenaires industriels
●    Anglais lu, écrit, parlé  

Savoir-être - Compétences relationnelles & comportementales
●    Travail en équipe
●    Autonomie, motivation, optimisme
●    Curiosité scientifique
●    Capacité à s’auto-former sur des sujets variés
●    Intérêt pour l’industrie

Profil souhaité

●    Formation Ingénieur/Master 2 en Génie Thermique ou Matériaux Polymères et composites.
●    Une sensibilité expérimentale est nécessaire pour la caractérisation et l’instrumentation

Contact :   

Merci de bien vouloir envoyer un CV détaillé, une lettre de motivation à : recrutement@irt-jules-verne.fr ; nicolas.boyard@univ-nantes.fr; eric.legallasalle@icam.fr; juliana.preisner@icam. fr