Le 21 novembre 2023, le temps d’une journée parisienne, chercheurs et industriels ont pu découvrir toute l’expertise des instituts de recherche technologique et des instituts pour la transition énergétique en caractérisation au service de la confiance pour l’industrie : fiabilité des systèmes, analyse de défaillance et matériaux.
Webiniaire de présentation des capacités de 6 instituts en matière de caractérisation :
La caractérisation pour nourrir la démarche d’ingénierie technologique
La caractérisation englobe un vaste ensemble de procédés par lesquels la structure et les propriétés d’un matériau, d’un composant ou d’un système sont sondés, imagés et quantifiés. Elle permet d’appréhender les phénomènes mis en jeux et de construire des modèles prédictifs en termes de fiabilité, d’évolution et de vieillissement. Ainsi, la caractérisation est un processus fondamental, pleinement intégré au développement des matériaux et des produits qui en découlent. En son absence, toute appréhension scientifique et technique d’une démarche d’ingénierie technologique demeure hors d’atteinte.
Des techniques pointues et diversifiées
La caractérisation contribue à adapter les processus de manipulation, transport, traitement et mise en œuvre des matériaux et composants pour atteindre des performances adaptées aux applications recherchées. Elle porte autant sur l’organisation de l’objet étudié à échelle fine (structure cristalline ou amorphe, composition physico-chimique, défauts) que sur ses propriétés macroscopiques et fonctionnelles (résistance mécanique, réponse électrique, état de surface…).
Elle implique la mise en œuvre de techniques qui vont de l’imagerie à la spectroscopie dans différents domaines du spectre électromagnétique ainsi que des dispositifs de mise sous contrainte mécaniques, physico-chimiques et électromagnétiques, en particulier pour l’analyse de défaillance. La préparation et le conditionnement des échantillons d’étude, tout comme la consolidation et l’interprétation des données constituent une part prépondérante de tout travail de caractérisation.
Confiance et caractérisation : deux facteurs indissociables
La communauté de la caractérisation implique des acteurs industriels en tant qu’utilisateurs finaux, des fabricants d’équipements (grandes entreprises ou PME), des institutions de recherche et des organisations technologiques, ainsi que des établissements d’enseignement supérieur.
Pour la R&D, les données de caractérisation guident les chercheurs et les ingénieurs dans l’optimisation des concepts qu’ils déploient et les conditions de réalisation associées. Pour l’industrie, elle fournit des données pour garantir le bon fonctionnement et l’analyse de défaillances, la maitrise de l’empreinte environnemental et les durées d’utilisation des produits finaux. Elle contribue à la fiabilisation des procédés industriels, à la confiance et la crédibilité technologique qu’on doit nécessairement leur attribuer.
Une problématique partagée
De fait, la caractérisation est indispensable et pleinement intégrée aux développements technologiques conduits par les IRT et ITE réunis au sein de l’association FIT.
Le colloque Carac’2023 a pour but de présenter le potentiel des instituts de FIT en matière de caractérisation, tant du point de vue de la performance des plateformes que de l’excellence des équipes.
Plusieurs sujets seront documentés et discutés à travers de nombreux exemples applicatifs, tant sous l’angle des matériaux que sous celui des systèmes intégrés. Deux questions seront débattues : l’une sur l’exploitation performante des données de caractérisation, l’autre sur leur mise en œuvre dans une démarche de développement durable et responsable.
Programme du 21 novembre 2023
9h30 | Accueil & café
10h | Ouverture du colloque
Magali Vaissière, Présidente de l’IRT Saint Exupéry et Vice-président de FIT
10h15 | Session 1 | Concevoir des matériaux avancé ‘Safe by Design‘
Présentation par Abdelkrim Talaalout, Directeur Valorisation de l’Innovation | Railenium
L’imagerie X pour l’analyse de défaillance des brasures de cartes électroniques : vers un monitoring du développement de fissures en cours de vieillissement ?, par Julien Lesseur, Research Engineer in X-ray Tomography | IRT Saint Exupéry
Les cartes de circuits imprimés peuvent être exposées, selon les conditions environnementales dans lesquelles elles opèrent, à des contraintes thermomécaniques aboutissant à des défaillances. La compréhension et la maîtrise de l’origine de ces défaillances sur les différents composants de la carte sont essentielles pour améliorer les performances des systèmes embarqués. Les essais de cyclages thermiques font parties des tests standardisés permettant de soumettre les cartes à de fortes variations thermiques (cycles entre -55 °C et 125 °C), en vue de leur qualification et de l’évaluation de la durée de vie en fatigue des brasures. Lors de l’expansion thermique, l’émergence de fissures dans les joints de brasages en cours de cyclage est couramment observée en raison des contraintes de dilatations différentielles entre les composants, et peut intervenir à différents stades. Mais le suivi du développement de ces fissures dans un composant unique embarqué tout au long de l’essai de cyclage peut se révéler complexe à mettre en œuvre. Les moyens utilisés sont souvent destructifs (découpe et observation microscopique des assemblages), et nécessitent donc un grand nombre de véhicules de tests et de prélèvements au fil de l’eau. Nous proposons d’étudier les potentialités offertes par l’imagerie X non-destructive et notamment la laminographie pour le monitoring de l’apparition progressive de fissures en cours de vieillissement thermique.
Caractérisations avancées pour l’étude des cellules et des modules photovoltaïques, par Romain Bodeux, Ingénieur-Chercheur | EDF
Ces dernières années, le coût des installations des centrales photovoltaïques n’a cessé de diminuer. L’intégration de technologies de rupture toujours plus performantes (cellules silicium TOPCon, HET, pérovskite, tandem…), tout en augmentant la durée d’exploitation, devient une voie incontournable pour rester compétitif. Pour cette raison, EDF s’appuie sur la plateforme de l’IPVF pour développer des nouvelles méthodes de test ainsi que des outils avancés de caractérisation et de modélisation afin de prédire à terme le comportement en centrale des prochaines générations de modules.
Fiabilité des transformateurs de traction fixes ferroviaires : Comment utiliser la caractérisation des matériaux isolants pour connaitre l’état de santé et la durée de vie utile résiduelle des transformateurs, par Smail Ziani, Coordinateur technique et scientifique | IRT Railenium
Les transformateurs sont des actifs indispensables dans la chaine de traction électrique fixe. Le suivi de l’état de santé de cet actif est une préoccupation majeure pour les exploitants d’infrastructures ferroviaires. Ce key-note présente les travaux menés en collaboration avec SNCF Réseaux sur la détermination de l’état santé ainsi que la durée de vie utile des transformateurs de traction fixes basés sur la caractérisation des matériaux isolants de ces derniers.
Caractérisations operando des pertes résistives dans les cellules PV silicium à haut rendement, par Wilfried Favre, Chef du laboratoire des cellules photovoltaïques à hétérojonction | CEA-Liten
Pour approcher les limites théoriques de conversion PV, la quantification des pertes résistives aux différentes interfaces des composants, qui représentent une part importante des limitations du facteur de forme, est indispensable. Dans cette logique, de nombreuse équipes étudient les contacts trous et électrons via des véhicules de test et des approches qui ne permettent pas de se placer dans les conditions représentatives du fonctionnement d’une cellule PV, ie 25°C, MPP. Le CEA a développé une procédure et un outil de mesure inédits permettant d’étudier ces contacts en fonction de l’illumination et de la température. Ces méthodes permettent de mieux comprendre les mécanismes physiques à l’œuvre à ces interfaces et d’orienter les développements pour l’ingénierie de contacts ultimes.
11h15 | Pause café, réseautage, corners des instituts ITE SuperGrid Institute, IRT Railenium, IRT Saint Exupéry, ITE Ines.2S, IRT Nanoelec
11H45 | Session 2 | Mesurer et garantir la fiabilité des dispositifs & des systèmes
Présentation par Narciso Gambacorti, Program Manager Nanocharacterization & Metrology | CEA-Leti
Mobilité électrique : Fiabilité des composants grand gap pour la conversion d’énergie (GaN, SiC), par Fabio Coccetti, Head of the Center of Competence High Density and Reliability Energy | IRT St Exupéry
Dotés de performances supérieures en terme de température, vitesse de commutation, d’efficacité et de tenu hautes tensions, les transistors de puissance à base de WBG introduisent un changement de paradigme dans la conversion de puissance électrique et donc des prochains générations d’équipement embarqué. L’adoption commerciale complète de cette technologie est toutefois entravée par de limitations en “fiabilité”, et notamment par le manque de i) protocoles d’essai/de caractérisation et qualification adaptés et ii) de modèles de fiabilité et de règles de conception tenant compte de la marge de sécurité. Par conséquent, bien que l’électronique de puissance à base de WBG soit considérée comme une rupture technologiques dans l’électrification massive des systèmes et des fonctions des futurs moyens de transport, en particulier dans le secteur de l’aéronautique, des activités de R&D visant ce sujet sont nécessaires. C’est l’objectif principal des projets comme SICRET/GANRET, financés par le secteur public et privé, dont les teneurs et aboutissants seront présentés à cette occasion.
Méthodes de diagnostic avancées des batteries pour favoriser leur utilisation en seconde vie, par Nicolas Guillet, Ingénieur | ITE INES.2S
Nous faisons face à une très forte croissance de la demande en batteries Li-ion ; que ce soit pour les applications liées à la mobilité électrique ou le stockage de l’énergie électrique issue des sources d’énergie renouvelable intermittentes et variables. Les batteries de véhicules électriques usagés pourraient, dans certaines conditions, être réutilisées pour des applications présentant moins de contraintes en terme de densité d’énergie et de puissance. Il pourrait ainsi être possible de disposer d’un important gisement d’unités de stockage d’énergie dont la valeur économique est faible et dont la dette environnementale liée à leur fabrication est déjà partiellement réduite. Encore faut-il pouvoir faire la distinction entre les batteries qui présentent encore un potentiel d’utilisation suffisant de celles qui doivent rejoindre les filières de recyclage des matériaux qui les composent. Pour cela, des méthodes de diagnostic des batteries à la fois fiables, rapides et faciles à mettre en œuvre doivent être proposées. Elles font appel à des données issues d’un ensemble de techniques de caractérisation qui peuvent être électriques et électrochimiques, mécaniques, thermiques… et prennent également en compte l’historique des batteries. Nous proposons de présenter la problématique liée au développement de ces méthodes de diagnostic et d’illustrer les avancées avec quelques exemples de résultats expérimentaux issus de plusieurs projets.
Fiabilité des dielectriques et des isolants : Comment concilier contraintes et fiabilité dans la conception d’isolants pour les systèmes électriques, par Alain Girodet | Program Director of research on AC\DC equipment | ITE SuperGrid Institute
Améliorer la fiabilité des équipements électriques est un point essentiel dans leur conception car tout défaut peut entraîner des conséquences néfastes pour l’exploitant, le consommateur mais aussi pour l’environnement. La fiabilité de l’isolation repose sur une analyse des différentes contraintes qui lui sont appliquées, la connaissance des différents mécanismes de vieillissement et des propriétés des matériaux. Enfin des plateformes pour la caractérisation, avec la capacité de reproduire les conditions d’utilisation, sont nécessaires pour valider les modèles qui serviront dans les simulations. Ces différentes phases du processus, qui conduit à une conception fiable, seront présentées au travers d’une comparaison entre les systèmes d’isolation électrique AC et DC.
Développement durable et sécurité : vers une réutilisation de tirefonds usagés, par Valentin Vlieghe, ingénieur Conception Simulation Mécanique | IRT Railenium
Les tirefonds sont des éléments mécaniques emblématiques du réseau ferroviaire. Ces éléments restent souvent en service pendant de nombreuses années avant d’être définitivement sortis de la circulation. Cependant, grâce à une caractérisation multi-échelle et multi-physique, la réutilisation de tirefonds âgés de 20 à 30 ans est envisagée en toute sécurité.
ESRF : repousser les limites de la caractérisation des matériaux, par Athanasios Papazoglou, Business Developer at ESRF – The European Synchrotron
Découvrez le potentiel des rayons X synchrotron à l’ESRF. Nous vous présenterons comment cette technologie de pointe redéfinit la caractérisation des matériaux, des nanomatériaux aux produits industriels. Explorez les avantages tangibles pour les industries en quête d’innovation et d’excellence.
13h | Buffet-déjeuner, réseautage, corners des instituts ITE SuperGrid Institute, IRT Railenium, IRT Saint Exupéry, ITE Ines.2S, IRT Nanoelec
14h30 | Conférence invité : la roadmap européenne de la caractérisation (EMCC)
Par Costas Charitidis, Professor, RNanoLab | National Technical University of Athens
The European Materials Characterisation Council (EMCC) proposes and elaborates strategic actions in characterisation of materials that are necessary to spur and support industrial exploitation of innovative materials in Europe. This roadmap describes the actions that are expected to address the needs of a broad set of stakeholders in the field of materials characterisation, and to have a similar impact on the materials modelling and manufacturing communities.
15h | Débat : La caractérisation peut-elle nous faire avancer sur la voie du développement durable ?
coordination & animation : Ennio Capria, Directeur du programme Caractérisation par les grands instruments | IRT Nanoelec
