Thermomètre à l’échelle nanométrique en pointe de fissure

Sujet détaillé

Prédire quand, pourquoi et comment les solides cassent est crucial dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques, allant de l’ingénierie mécanique à la sismologie. Cette question est classiquement abordée en utilisant la théorie de la rupture de Griffith : une fissure commence à croître lorsque la force ouvrant celle-ci (facteur d’intensité de contrainte ou taux de restitution d’énergie) est supérieure à un seuil donné par une constante matériau (tenacité ou énergie de fracture). Néanmoins, des régimes de fissuration lente existent à des forces d’ouverture plus faibles et qui sont généralement interprétés en invoquant des dépendances spécifiques de certaines propriétés du matériau (modules viscoélastiques, ténacité) aux taux de déformation.
Récemment, Toussaint et Vincent-Dospital et al. [1] ont proposé de considérer la croissance de la fissure comme un processus de fissuration thermiquement activé. Dans ce nouveau cadre théorique, la production de chaleur en pointe de la fissure, due à des mécanismes d’endommagement locaux, est couplée à la diffusion de la chaleur. Ce couplage va produire une élévation de la température dans le solide environnant. Dans les régimes de fissuration lente, cette chaleur a le temps de diffuser dans le solide, par conséquent, l’élévation de température en pointe de fissure reste faible. Cependant, à mesure que la vitesse de propagation de la fissure augmente, la chaleur ne s’évacue plus assez rapidement par diffusion, ce qui provoque un échauffement local en pointe de fissure. Un processus d’emballement se produit ; l’échauffement local va conduire à l’accélération de la vitesse de propagation de la fissure par activation thermique et, par conséquent, produire un échauffement local plus important, à l’origine d’une spirale incontrôlable. Cette transition du premier ordre est identifiée au seuil de rupture catastrophique classiquement décrit par la théorie de Griffith. Ce cadre théorique doit maintenant être testé expérimentalement ; en particulier, l’échauffement en pointe de fissure doit être évalué. La zone correspondant à l’élévation de température est petite (échelle nanométrique à micrométrique, selon le matériau) et la vitesse de la pointe de la fissure est élevée (100 à 1000 mètres par seconde). Cela empêche l’utilisation de techniques conventionnelles de mesure de température (par exemple, caméras infrarouges).
Le laboratoire SPEC étudie une nouvelle voie expérimentale pour détecter et mesurer post-mortem cette élévation de température hautement localisée (dans le temps et l’espace). L’idée consiste à déposer une couche mince de quelques nanomètres d’un oxyde choisi et à détecter les changements induits thermiquement dans sa structure atomique du film. Le stage vise à établir une preuve de concept de cette nouvelle méthode. Le candidat sélectionné sera impliqué dans toutes les étapes : dépôt de la couche mince avec un contrôle de sa structure à l’échelle atomique, réalisation d’expériences de fracture couvrant plusieurs ordres de grandeur de vitesse de fissuration, évaluation post-mortem des changements induits thermiquement par des méthodes appropriées de microscopie et de spectroscopie en champ proche. Ce projet se situe à l’interface entre la mécanique expérimentale, la physique de la matière condensée et les sciences des matériaux, et le candidat sélectionné aura l’opportunité d’apprendre et d’utiliser des méthodes avancées de ces trois domaines.
Laboratoire d’accueil : Le/la stagiaire travaillera au SPEC, le Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC: UMR 3680 CEA-CNRS) du CEA-Saclay, situé à L’Orme des Merisiers. Un système de bus CEA permet d’accéder facilement à L’Orme des Merisiers depuis de nombreux endroits en Ile-de-France.
Profil recherché : Etudiant(e) en dernière année d’école d’ingénieur, M2 ou M1 issu(e) d’une formation en sciences des matériaux, chimie ou physique avec des connaissances en physique de la matière condensée, mécanique des matériaux et/ou surfaces. La curiosité, la motivation pour réaliser un travail expérimental et la capacité à travailler à la fois en équipe et en autonomie sont des compétences recherchées.

Lieu du stage

France

Conditions de stage

• Durée du stage : 6 mois
• Niveau d’étude requis : Bac+5
• Formation : Master 2
• Poursuite possible en thèse : Non
• Date limite de candidature : 1 février 2027

Méthodes, techniques :
Mécanique expérimentale, couche mince, spectroscopie en champ proche

Responsable du stage

Laure Chomat
Tél. : 0169087932
Email :

Responsable SPEC / SPHYNX

Sawako Nakamae
Tél. :