Matériaux innovants

L'équipe

Responsable : Zohir YOUNSI
    NOM et PRÉNOMFONCTIONFONCTIONLABORATOIRE
    DUPONT DanielEnseignant-Chercheur HDRCTPIGEMTEX
    YOUNSI ZohirEnseignant-Chercheur HDRCCMLGCgE
    BRUE FloreEnseignant-Chercheur DRCCMLGCgE
    CHAMOIN JulienEnseignant-Chercheur DRCCMLGCgE
    GHANTOUS Rita MariaEnseignant-Chercheur DRCCMLGCgE
    GIDIK HayriyeEnseignant-Chercheur DRCTPIGEMTEX
    MARHABI DrissEnseignant-Chercheur DRCCMUML
    MOHSENZADEH ElhamEnseignant-Chercheur DRCTPIGEMTEX
    NIANGA Jean-MarieEnseignant-Chercheur DRCCMUML
    TALHA AbderrahimEnseignant-Chercheur DRCCMUML
    TAN ZhengEnseignant-Chercheur DRCCMLGCgE
    VOLOLONIRINA OlyEnseignant-Chercheur DRCCMLGCgE
    ABDELLATIF MakramDoctorantCCMLGCgE
    ANKOU AndréasDoctoranteCCMLGCgE
    BEN HAMAD GhadaDoctoranteCCMLGCgE
    BOUCHELARM MohammedDoctorantCCMUML
    GAUBERT ValentinDoctorantCTPIGEMTEX
    MAROLLEAU AdelineDoctoranteCTPIGEMTEX
    QABBAL LoubnaDoctoranteCCMLGCgE

    Thèmes

    Le pôle de compétences recherche matériaux innovants place le matériau au cœur de ses préoccupations.

    Matériau qui peut être souple, rigide, fibreux, plein, homogène, inhomogène, complexe, etc.
    Ces matériaux sont étudiés à diverses échelles microscopique, mésoscopique et/ou macroscopique, monocouche, multicouche, interaction entre les couches et aux interfaces, composite, et en fonction de l’environnement et de leurs usages, etc.

    L’ensemble des travaux abordés peuvent se classer en quatre thématiques :

    • conception des matériaux
    • caractérisation des matériaux
    • modélisation/simulation des matériaux
    • développement d’instrumentations spécifiques.

    L’objectif est de contribuer au développement de méthodologies d’études des matériaux.

    Conception des matériaux

    La conception d’un matériau repose sur la définition de ses attributs (propriétés) qui répondent à un usage donné, puis consiste à le réaliser et le valider en situation d’usage.

    Caractérisation des matériaux

    Cette thématique consiste à caractériser les propriétés/attributs du matériau en utilisant les instruments/normes de mesure ou bancs d’essai existants, via la mesure de grandeurs physiques.

    Modélisation/simulation des matériaux

    Le principe est d’étudier les lois reliant les grandeurs physiques aux propriétés/attributs du matériau afin de pouvoir identifier et/ou caractériser le matériau.

    L’application, l’implantation, l’implémentation de ces lois sur des outils numériques ou non permettent de faire des prévalidations de matériau (e.g. : prototypage virtuel) et/ou d’orienter la conception du matériau.

    Développement d’Instrumentations spécifiques

    Ceci concerne la conception/réalisation d’instrumentation et/ou de bancs d’essai spécifiques permettant de caractériser les propriétés/attributs d’un matériau au travers de la mesure de grandeurs physiques.

    Cela implique l’identification d’un manque ou défaut dans les outils instrumentaux de caractérisation (appareils de mesures, méthodes, normes, …) existants.

    L’ensemble des travaux réalisés au sein de ce pôle de compétences « recherche matériaux innovants » repose sur trois groupes d’expertise :

    • Confort et durabilité des bâtiments
    • Textile avancé
    • Fatigue des matériaux

    Confort et durabilité des bâtiments

    L’équipe Confort et durabilité des bâtiments s’intéresse à la problématique de la réduction de la consommation énergétique du bâtiment. Deux axes de recherche sont concernés :

     

    Matériaux et enveloppes du bâtiment

    La connaissance des propriétés thermo-physiques, hydriques et de durabilité des matériaux de construction (Matériaux à Changement de Phase, fibreux, biosourcés, structures végétalisées, béton, etc.) s’avère primordiale pour estimer les quantités d’énergie stockées/destockées et comprendre la cinétique des transferts de chaleur et de masse. Dans ce sens, le développement d’outils expérimentaux pour caractériser ces matériaux (durabilité, conductivité thermique, capacité calorifique, chaleur latente, etc.) est une étape indispensable. En parallèle, le développement de modèles numériques est une excellente alternative pour étudier l’intégration de ces matériaux dans l’enveloppe du bâtiment et de déterminer les conditions optimales de fonctionnement et les quantités intégrées.

    Le but de cet axe est de comprendre les phénomènes intervenant à l’interface extérieur/intérieur d’une enveloppe de bâtiment. Pour cela, il est nécessaire de caractériser, d’analyser et de modéliser le couplage entre transferts thermiques, hydriques et aéraulique.

    Etude des environnements intérieur et extérieur

    Les objectifs de cet axe sont :

    • La compréhension des phénomènes de transferts liés au mouvement d’air.
    • L’analyse des interactions multiples entre le cadre bâti et le climat urbain, de l’échelle du bâtiment à celle du quartier voire de l’agglomération.
    • L’étude de la qualité de l’air intérieur dans les bâtiments représente une problématique majeure de santé publique.

    L’articulation de ces thématiques et challenges se déroule selon la Figure 1.


    Articulation des thématiques.

    Projet LACHT: Pièces intermédiaires : Le rôle des volumes intermédiaires dans la thermique et la qualité de l’air des logements.

    Projet VERISTANCE: Etude des parois complexes végétalisés.

    Thèses en cours :

    Thèse 1

    ABDELLATF Makram : “Optimisation dynamique du confort ressenti et des consommations énergétiques d’un bâtiment via un outil d’aide à la décision et de visualisation basé sur une maquette BIM”.

    Soutenance: fin 2020.

    Résumé: Les travaux envisagés consisteront à développer une plateforme associant une maquette numérique pour la phase exploitation permettant de réaliser des calculs énergétiques à l’échelle du bâtiment, de visualiser les consommations énergétiques et de prendre en compte en temps réel les informations fournies par les capteurs installés dans le bâtiment et par les usagers. Cette plateforme sera pensée de façon à être déployée de façon générique sur d’autres bâtiments tertiaires du même type.

     

    Schéma de présentation de la thèse.

     

    Thèse 2

    ANKOU Andreas: “ Développement de méthodes de mesures des caractéristiques thermo-hydriques de matériaux textiles pour une utilisation dans le bâtiment ”.

    Soutenance: 10/2020.

    Résumé: Face aux enjeux de la transition énergétique, un système d’isolation thermique adéquat doit être mis en œuvre sur les bâtiments existants, notamment dans les villes où le bâti est majoritairement ancien, afin d’améliorer leur performance énergétique.

    Pour ce faire, il est nécessaire de bien connaitre les caractéristiques thermo-hydriques des matériaux.

    Le projet propose de travailler sur l’identification de matériaux textiles et des matériaux issus de son recyclage en tant que composants de l’isolation du bâtiment.

    Principe de la thèse.

     

    Thèse 3

    MEZIANE Mohammed : “ Étude des matériaux isolants à base textile incorporant des Matériaux à Changement de Phase ”.

    Soutenance: 10/2019.

    Résumé: L’étude vise à concevoir, réaliser et tester un matériau textile isolant intégrant un matériau à changement de phase. L’idée est de concevoir un matériau isolant possédant une capacité de stockage capable de maintenir une ambiance intérieure stable, de stocker l’énergie la journée et la restituer la nuit.

    Exemple de paroi isolante avec MCP

     

    Thèse 4

    QABBAL Loubna: “ Ventilation intelligente au service d’une meilleure qualité de l’air intérieur dans les smart buildings ”.

    Soutenance: 10/2019.

    Résumé: Dans le cadre de la TRI (Troisième Révolution Industrielle), la rénovation énergétique est devenue incontournable pour réaliser des économies d’énergie dans le bâti existant. De ce fait, elle est devenue un impératif écologique et social. L’isolation accrue des bâtiments et l’utilisation de certains matériaux et produits sont susceptibles d’accroître les concentrations de contaminants de l’air intérieur en l’absence d’une ventilation efficace.

    Figure 9 : Processus général de la thèse sur la ventilation intelligente.

     

    Thèse 5

    DJEFFAL Rachid : “ Résolution de problèmes inverses de conduction thermique en présence de changement de phase ”.

    Soutenance: fin 2020.

    Résumé : D’une façon générale, un problème direct modélisant mathématiquement un système, consiste en la recherche de la réponse de ce système, connaissant (1) les équations qui gouvernent le processus qui y est en cours, (2) la géométrie du domaine considéré, (3) toutes les conditions spatio-temporelles, (4) les propriétés des matériaux et (5) les sources agissant au sein du domaine d’étude. Le travail à faire, dans le cadre de cette thèse de doctorat, sera susceptible d’être utilisé aussi bien pour des processus thermiques dans le domaine du bâtiment que pour des processus pouvant être à caractère purement industriel.

    Tank without PCM and Tank with PCM in red

     

    Dispositif expérimental avec et sans MCP.

    Textile avancé

    Les principaux centres d’intérêt évoluent autour du confort thermique au sein des matériaux fibreux et peuvent se décomposer en deux parties :

    • Le management des transferts thermique et de masses au sein des matériaux fibreux, en lien avec le confort thermo-physiologique.

    Pour cela, il est nécessaire de caractériser, d’analyser et de modéliser ces transferts suivant les différents modes d’échanges : conductif, convectif, radiatif (notamment dans l’infrarouge), évaporatif et leurs interactions. Un des enjeux est d’élaborer un cahier des charges, de fournir des outils nécessaires à l’interprétation, à l’aide à la décision, à l’élaboration, et à la conception de matériaux textiles innovants.

    La finalité est de développer des structures mono ou multi couches fonctionnelles afin d’améliorer le rôle transfert/barrière des médias fibreux

    • L’Interaction lumière / matière (optique radiométrique et photométrique).

    Il s’agit tout autant de comprendre les interactions entre lumière et matière que de concevoir des matériaux (notamment nano-structurés).

    • L’équipe a développé des compétences dans le domaine des textiles techniques et intelligents y compris la conception et l’intégration des capteurs à base de textiles pour différentes applications.
    • L’équipe a des compétences sur les membranes électro-filées et des nano-filaments électro-filés pour les applications potentielles en particulière les applications médicales.

    L’articulation de ces thématiques et challenges se déroule comme suit (Figure 2) :

    Articulation des thématiques de l’équipe Textile avancé.

     

    Ces thématiques s’organisent et s’alimentent selon quatre challenges :

    • Conception des matériaux ;
    • Caractérisation des matériaux ;
    • Modélisation/simulation des matériaux ;
    • Développement d’instrumentations spécifiques.

    L’objectif est de contribuer au développement de méthodologies d’études des matériaux.

    Challenges de l’équipe Textile avancé.

     

    PROJETS

    Projet FLUTEX (2012 – 2014)

    Ce groupe d’expertise a travaillé sur différents projets : Projet Européen, ERANET- CrossTexNet, FLUTEX, « étude de la thermorégulation, des flux thermiques et hydriques au sein des assemblages multicouches textiles destinés aux équipements de protection individuels (EPI) de pompiers visant à l’amélioration du confort, des performances, et de la sécurité ».

    Gradient de température dans le multicouche textile (modélisation/simulation numérique)

    Projet HYDRAX (2013 – 2015)

    Projet Européen, ERANET- CrossTexNet, HYDRAX, « conception de textiles fluxmétriques intelligents capables de détecter, caractériser, et surveiller les transferts thermiques et de masses pour les applications EPI pompiers, médicales, sports et loisirs, et géotextiles ».

    Capteur textile et quelques résultats

    Projet TEXACOV (2016 – 2020)

    INTERREG France-Wallonie-Vlaanderen « Développement de textile fonctionnalisé pour la dépollution de l’air intérieur ».

    Processus de la photocatalyse

     

    Projet PHOTOTEX (2018 – 2022)

    Projet Européen INTERREG France-Wallonie-Vlaanderen « Développement de textiles microstructures pour filtres photoniques stimuli-dynamiques ».

    Cliché MEB d’opale inverse en TiO2 (un cristal photonique) (Source : Dr. T. BARAKAT, UNAMUR)

     

    Projet MOTION (2018 – 2022)

    INTERREG 2 Mers « Mechanised Orthosis for children with neurological disorders”.

     

    THESES EN COURS 

    Thèse 1 (2017 – 2020)

    GAUBERT Valentin – Thèse CIFRE avec Petit Bateau : « Développement de textiles instrumentés pour enfants ».

    Résumé: Cette recherche s’intéresse à la réalisation des textiles instrumentés pour équiper des vêtements d’enfants. Cette recherche est réalisée dans le cadre d’une thèse CIFRE avec comme partenaires l’entreprise Petit Bateau et le laboratoire scientifique GEMTEX (EA 2461) (avec les enseignants chercheurs en poste dans les écoles HEI, Lille et ENSAIT, Roubaix).

    Thèse 2 (2015 – 2018)

    MAROLLEAU Adeline – Thèse CIFRE avec DAMART : “ Comprendre, analyser et documenter les mécanismes d’interactions sous-vêtement/peau sous les aspects thermiques et hydriques couplés en régime transitoire afin de concevoir des textiles innovants chauds permettant de maintenir un seuil d’hydratation cutanée optimum ”.

    Résumé: Cette étude vise à comprendre, analyser et documenter les mécanismes d’interaction textile/peau sur les aspects thermiques et hydriques afin de développer des textiles innovants chauds permettant de maintenir une humidité idéale sur la peau.

    Caractérisation d’interaction sous-vêtement/peau sous les aspects thermiques et hydriques couplés en régime transitoire.

    Fatigue et rupture des matériaux

    Deux thèmes de recherche sont développés :

    a) Modélisation de la Rupture des Matériaux Piézoélectriques

    Le but de cet axe est de comprendre le comportement à la rupture des composants contenant des singularités géométriques, et principalement, ceux doués de propriétés piézoélectriques. De ce fait, la caractérisation mécanique du matériau, l’élaboration de modèles analytiques et numériques qui doivent par la suite être confrontés à l’expérimentation, ainsi que la mise en œuvre de codes de calculs adéquats, constituent les principaux enjeux de cet axe.

    b) Fatigue, endommagement des matériaux et des structures

    Les enjeux de la compétitivité industrielle s’articulent de plus en plus, aujourd’hui, autour de l’allègement des composants mécaniques tout en assurant un fonctionnement sécuritaire vis-à-vis des pièces sollicitées. Ce double challenge nécessite le développement d’outils prédictifs performants de plus en plus complexes. En effet, ils doivent prendre en compte la diversité des matériaux utilisés et de leurs propriétés (alliages métalliques, polymères, (nano) composites, etc.), leurs mises en œuvre dans les structures mécaniques (multimatériaux, assemblages…) mais également les conditions réelles de leurs utilisations, le plus souvent opérées, sous des chargements multiaxiaux, variables et aléatoires.

    Deux axes de recherche sont développés dans le cadre de cette thématique :

    1. Endommagement et cumul de dommage en fatigue multiaxiale.
    2. Fiabilité mécanique des assemblages multimatériaux.

     

    Thèses en cours

    Thèse 1

    BENGALA Toufik : “ Fatigue et endommagement des polymères PEHD ”.

    Soutenance: Fin 2020.

    Résumé:

    Les travaux de recherche menés dans le cadre de cette thèse concernent l’étude des mécanismes d’endommagement par fatigue des joints soudés des matériaux polymères de type PEHD.

    Machine à souder bout à bout

     

    Les étapes du soudage bout à bout

    Illustration du procédé de soudage de conduites PE.

     

    Stratégie 2019 – 2023

    Optimisation topologique – Fabrication additive & Fiabilité mécanique

    Le projet « Optimisation topologique – Fabrication additive & Fiabilité mécanique » s’inscrit dans la stratégie en cours de développement au sein d’Yncrea Hauts de France « Usine du futur ». Il s’intéresse à la conception et à la mise en œuvre des matériaux entrant dans la fabrication additive de composants et structures mécaniques, tout en prenant en compte la garantie d’un fonctionnement sécuritaire, à savoir la fiabilité mécanique de ces structures. Celui-ci répond notamment aux divers besoins sociétaux d’une usine innovante, disposant de modes et d’outils de production flexibles et reconfigurables, puis affranchissant l’homme de taches pénibles et répétitives, par le biais d’automatisation et de robotique collaborative. Une particularité de ce projet consiste en l’utilisation de l’internet des objets connectés et du cloud; s’assurant ainsi d’une précision dans la traçabilité des opérations, via le pilotage de la production à partir des objets eux-mêmes.

     

    La nécessité de concevoir et de fabriquer, selon les nouvelles exigences environnementales, et au-delà des limites respectives de l’usinage traditionnel et de procédés conventionnels, est devenue une préoccupation primordiale pour tous les domaines de l’ingénierie. Conjuguant ainsi, l’optimisation topologique (Conception de géométries complexes), la fabrication additive (Création de formes complexes avec optimisation de la matière) et la fiabilité mécanique (Prise en compte des objectifs de sécurité de fonctionnement / Prédiction de durée de vie des composants mécaniques). L’équipe a pour ambition le développement d’outils numériques, qui permettraient d’aider, dès l’étape de la conception, à une mise en œuvre optimale.

     

    Travaillant en synergie avec l’ensemble des enseignants-chercheurs du département CCM, impliqués dans le projet « Usine du futur », l’équipe de recherche entend développer des solutions en matière d’optimisation de la conception et de la fabrication en prenant en compte les aspects de fiabilité mécanique liés à l’histoire d’utilisation de ces composants à développer.

     

    ETUDE D’OPTIMISATION SOUS SOLIDWORKS

    Analyse statique d’un prototype de pont :

    L’étude réalisée porte sur l’optimisation topologique d’un pont.

    Le pont est constitué de 2 parties :

    • La partie haute 300 *100
    • Le tablier 300*100*10

     

    Paramètres de l’étude

     

    • Zone à optimiser : la partie haute du pont
    • Matériau : Acier inox (AISI 304)
    • Conditions aux limites : Appui Articulé et Appui simple Chargement : Pression = 1MPa sur la base

     

      • Objectif : raideur optimale par rapport au ratio de poids
      • Limites imposées : Réduire la masse de 74% et 82% de celle initiale

     

    • Contrôles de fabrication :

     

    • Epaisseur minimale = 13 mm
    • Plans de symétrie horizontal et vertical

     

    Phases de l’Optimisationet de Lissage:

    Après un choix de maillage à 4,2mm, on exécute un calcul Linéaire et on obtient :


    Pièce optimisée à 18% de la masse initiale


    Pièce lissée à 26% de la masse initiale
    Validation du Couplage d’un tablier en élément Coque et d’une ossature métallique 3D

     

    Analyse pièce non optimiséeOptimisation 1
    18% de la masse initiale
    Optimisation 2
    26% de la masse initiale
    Poids (Kg)9,6321,7682,523
    Contrainte de Von
    Mises maximale (N/mm2)
    1,66E+021,51E+021,52E+02

    Plateformes expérimentales et logicielles

    LES LABORATOIRES EN IMAGES

    Laboratoire Sciences de la Couleur

    Comme son nom l’indique, ce laboratoire est dédié aux sciences de la couleur, notamment sur tous les aspects liés à la métrologie. Il est équipé de divers spectrophotocolorimètres avec différentes géométries, mono ou multi angles, dédié aux couleurs de surface ou lumineuse, d’armoires à lumière. Ces différents appareils permettent non seulement d’évaluer la couleur et les attributs d’apparence de différents matériaux (en réflexion ou en transmission, classique ou couleur à effet, brillance, …) mais également d’aborder la gestion de la chaîne numérique et les différentes calibrations de ses périphériques.

     

    Laboratoire d’Analyse des Matériaux Fibreux

    Ce laboratoire est dédié à la caractérisation des matériaux fibreux notamment sur les aspects concernant le confort thermique. Ainsi on y retrouve essentiellement trois domaines d’instrumentation :

    • Le premier concernant les propriétés thermiques – Résistance thermique (Skin Model, ISO 11092)
    • Le second concernant les propriétés de gestion de l’humidité :
      • Résistance évaporatoire (Skin Model, ISO 11092),
      • Perméabilité à la vapeur d’eau (BS 7209),
      • Moisture Managment Tester (MMT, AATCC 195).
    • Le troisième concernant les propriétés radiométriques avec
      • Spectrophotomètre UV-visible-IR proche,
      • Spectrophotomètre IR (proche, moyen) FTIR avec système de sphère intégrante.

     

    Ainsi ce laboratoire permet d’étudier l’axe couplage transferts thermiques et transferts hydriques essentiel dans le confort thermique.

    Ces deux laboratoires sont complétés par :

    Un espace dédié à la modélisation et à la simulation des transferts thermiques et hydriques,
    Un espace dédié à la conception d’instrumentation spécifique.

    Laboratoire de Fonctionnalisation des Matériaux Fibreux

    Ce laboratoire permet de fonctionnaliser les matériaux fibreux afin de leur apporter des propriétés spécifiques. Cette fonctionnalisation peut se faire par microencapsulation, développement de membrane spécifique, enduction, …
    Il est équipé en particulier de :

     

    • Matériel de micro encapsulation par voie chimique,
    • Ligne d’enduction râcle au rouleau et foulardage avec système de rame pour fixation/ séchage,
    • Etuves de conditionnement,
    • Gamme de matériels dédiés à l’ennoblissement (autoclave…).