Contexte :
La cellule à enclumes de diamants est un dispositif élégant qui permet d’appliquer sur un petit échantillon des pressions extrêmes (jusque 4 millions d’atmosphères). On reproduit ainsi en laboratoire les mêmes conditions que dans des systèmes naturels comme le centre de la Terre. Des propriétés fondamentales des matériaux (état, phase, densité, propriétés électroniques, …) peuvent alors être mesurées. La pression, en rapprochant les atomes, modifie aussi la possibilité de création et de mobilité de défauts comme les dislocations. On s’attend donc à ce que le comportement mécanique (limite élastique, comportement plastique) des matériaux évolue sous pression ; mais cette évolution est encore très mal caractérisée du fait de la petite taille des échantillons en cellule à enclumes de diamants. Elle est pourtant importante, autant pour la modélisation d’appareillages ou de systèmes naturels comme le noyau terrestre.
 | Principe de la cellule à enclumes de diamants. Deux enclumes en diamant (car c’est le matériau le plus dur connu, donc qui permet d’atteindre les pressions les plus élevées) compriment un échantillon (en orange) inclus dans un joint métallique (en gris) |
Objectif de la thèse :
Récemment, de nouvelles techniques de manipulation, caractérisation, usinage et soudure à l’échelle nanométrique et micrométrique sont apparues : usinage laser femtoseconde, microscopes électroniques à balayage équipés d’un dispositif Focused Ion Beam. Le sujet de cette thèse est la conception de « micro-machines de traction » en cellule à enclumes de diamants, en utilisant ces techniques de pointe, afin de réaliser des tests mécaniques élémentaires sous très haute pression. De petites éprouvettes adaptées à la taille de la chambre de pression de la cellule à enclumes de diamants seront préparées et fixées sur les enclumes. Grâce à la différence de compressibilité entre le matériau de l’éprouvette et le diamant, l’augmentation de pression s’accompagnera de la création d’une contrainte déviatorique contrôlée sur l’éprouvette ; des tests de mécanique seront alors réalisés.
Déroulement de la thèse :
Dans la première partie de son travail, afin de se familiariser avec les techniques de micro-usinage et de hautes pressions (disponibles au laboratoire), l’étudiant participera à un projet visant à la mesure des constantes élastiques du fer sous haute pression et haute température (expériences au synchrotron). En parallèle, il dimensionnera les éprouvettes destinées à être insérées en cellule à enclumes de diamants, en utilisant les logiciels d’éléments finis disponibles au CEA/DAM. La préparation de ces éprouvettes aura lieu en au laboratoire. Les tests auront lieu par détection optique de la rupture, mesure par diffraction de rayons X de la contrainte et de la densité en défauts (expériences au synchrotron).
Directeur de thèse et école doctorale
Agnès DEWAELE – ED Physique en Ile de France (PIF) – ED 564 – Université Paris-Saclay
Contact :
Agnès DEWAELE & Christophe DENOUAL – CEA/DIF – Bruyères-le-Châtel – 91297 Arpajon – 01 69 26 40 00