Matériaux

Mécanique topologique et non-linéarité

Bien que d'abord lié aux électrons, le domaine en développement rapide des isolants topologiques a stimulé la recherche pertinente également dans des contextes classiques, par exemple en acoustique et en mécanique. Cela a révélé une pléthore de configurations d'ondes classiques avec une localisation et un transfert robustes du son - offrant potentiellement de nouvelles applications dans la récupération d'énergie, l'isolation des vibrations et le guidage d'ondes phononiques.

En utilisant de mécaniques topologiques à une ou deux dimensions, nous essayons de révéler et de comprendre des phénomènes topologiques intrigants, tels que les transitions topologiques dépendant du désordre et de l'amplitude, le transfert non adiabatique d'états topologiques, et l'existence et la stabilité de solitons gap.

Fig .1 (a)

Mode d'interface topologiquement non trivial et (b) trivial dans un graphène mécanique granulaire, (c-e) mode de bord non linéaire stable topologiquement non trivial.                                             

Métamatériaux élastiques flexibles non linéaires    

Les métamatériaux élastiques flexibles (flexEM) peuvent être définis comme des structures artificielles architecturées possédant la capacité de se déformer de manière substantielle, répétée et réversible.

Ces dernières années, flexEM a connu des développements rapides dans ses usages et applications, comme dans le cadre de la robotique douce, de l'actionnement innovant (locomotion, préhension), de la commutation mécanique et du contrôle précis du mouvement, ou encore de la reconfiguration à grande échelle.

Fig. 2 Schémas du flexEM.

Parmi toutes les conceptions flexEM possibles, nous nous intéressons à celle composée de masses rotatives, comme celles montrées sur la Fig. 2.

En effet, la coexistence de deux / trois degrés de liberté par site (translation et rotation) et la non-linéarité provenant des grandes rotations, donne lieu à de nouveaux phénomènes non linéaires dans de telles architectures, tels que les solitons à impulsions élastiques vectorielles et les ondes de transition.

Ces derniers ont notamment prouvé leur intérêt pour la reconfiguration macroscopique d'un flexEM bistable.

Cette opération de recherche étudie les propriétés acoustiques et mécaniques des matériaux poreux et méta-poreux utilisés dans diverses applications acoustiques.

Elle comprend différents sujets d’études : matériaux poreux anisotropes à gradients de propriétés, méthodes numériques pour poreux et métaporeux, méthodes de caractérisation expérimentale, (par ex, méthode SLATCoW, Spatial LAplace Transform for Complex Wavenumber recovery), cristaux phononiques et milieux hyperuniformes, plaques/densité nulle et dopage,  couplage critique, onde lente et absorption parfaite, métadiffuseurs et structures minces pour la diffusion du son, description acoustique nonlocale des propriétés inspirée de l’électromagnétisme nonlocal.

Méthode SLATCoW :  (Geslain et al., J. Appl. Phys. 120: 135107, (2016))

Métasurfaces : (N Jiménez, TJ Cox, V Romero-García, JP Groby, Metadiffusers: Deep-subwavelength sound diffusers, Sci. Rep. 7: 5389, (2017))

La recherche en opto-acoustique a pour objectif d'introduire des méthodes innovantes de génération et de détection d'ondes acoustiques par des lasers pour l'évaluation acoustique et le contrôle non-destructif des matériaux et des structures.

Ici, le rôle joué par le transducteur piézoélectrique dans les mesures ultrasonores traditionnelles est attribué à un laser, mais ce dernier peut jouer ce rôle à distance et sans aucun contact avec les matériaux. Si nécessaire, l'excitation et la détection du son peuvent être très locales (jusqu'à l'échelle du micron, diamètre du faisceau laser focalisé) ou, au contraire, peuvent balayer rapidement et optiquement de grandes surfaces (jusqu'à quelques mètres).

L'opto-acoustique, en plus d'autres gammes de fréquences accessibles par des méthodes traditionnelles, donne accès à des fréquences hypersoniques d'ondes acoustiques (supérieures à 1 GHz). En particulier, les ondes acoustiques avec des fréquences supérieures à 10 GHz ont des longueurs d'onde plus courtes que le micromètre dans les solides. Cela fait de l'hyperson généré et détecté par laser un outil unique pour l'évaluation non destructive des matériaux nanocristallins et des nanostructures, ainsi que pour l'imagerie tridimensionnelle à l'intérieur de milieux continument inhomogènes avec une résolution axiale à l'échelle du nanomètre. 

La nature sans contact de cette technique la rend particulièrement adaptée pour l’évaluation des matériaux dans des environnements hostiles, comme des températures très élevées et/ou des très hautes pressions, ce qui en fait un outil de contrôle très intéressant autant pour la recherche fondamentale et que pour des applications industrielles.

Cette opération de recherche est principalement orientée, à travers des approches à la fois fondamentales et appliquées, vers le développement de méthodes ultrasonores pour l’évaluation et le contrôle non destructifs (ECND) des matériaux.

Les activités de recherche visent à contribuer à une meilleure compréhension des interactions linéaires et non-linéaires entre les ondes ultrasonores et les solides complexes regroupant ainsi différentes approches mises en œuvre sur les plans théoriques et expérimentaux :

• Ondes ultrasonores et ondes guidées dans les solides et les milieux biologiques
• Emission acoustique pour la caractérisation de matériaux de structure,
• Acoustique non-linéaire et interférométrie par ondes de CODA pour l’ECND,
• Sollicitation mécanique pour la caractérisation de matériaux composites.Cette OR comprend 10 chercheurs permanents.

En 2020, 10 doctorants travaillent au sein de cette OR (15 thèses ont été soutenues depuis 2015).

Cette OR présente par ailleurs certaines spécificités: (i) les permanents impliqués sont répartis sur différents sites (UFR S&T, ENSIM, IUT,ESEO et CTTM), (ii) les approches proposées sont diverses aussi bien dans les méthodes utilisées que dans les matériaux d’application. Il faut enfin noter le caractère fédérateur de la thématique ECND au LAUM, qui suscite la participation à divers degrés de 9 autres collègues dans les travaux menés ici. À l'échelle nationale, en plus de ses collaborations académiques (par exemple les laboratoires du projet ECND-PdL et de FANO), l'OR ULTRASONS dispose de solides collaborations industrielles. À l’échelle régionale, le projet d’émergence collective «ECND-PdL»a permis de renforcer le caractère fédérateur de la thématique ECND et s’est traduit par la création du GIS ECND-PDL (https://ecnd-pdl.fr/) en 2018.

Thématiques poursuivies dans l’OR

Contrôle non destructif de rugosité par décohérence d'ondes modales, caractérisation du collage de plaques rugueuses par ondes SH.

Émission Acoustique et représentations parcimonieuses pour le suivi d’endommagement de  matériaux multicouches.

CND et Matériaux à gradient de propriété.

Collaborations

De par ses activités, l'OR Ultrasons s'inscrit pleinement dans l'axe transversal « ECND » du laboratoire qui a pour vocation de regrouper l'ensemble des activités ayant potentiellement une application à l'ECND. Cela se traduit par des collaborations étroites avec, en particulier, les OR «Opto-acoustique, ultrasons laser » et « MOSAIC» de l’équipe Transducteur.

Collaborations académiques

• FANO et réseau GDR
• GEPEA, GEnie des Procédés Environnement - Agroalimentaire
• GREMI, Groupe de Recherches sur l’Energétique des Milieux Ionisés
• I2M, Institut de mécanique et d'ingénierie - IMMM, Institut des Molécules et Matériaux du Mans
• IMP, Laboratoire Ingénierie des Matériaux Polymères - INRAE, Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement
• IREENA, Institut de recherche en Energie Electrique de Nantes Atlantique - LIMATB, Laboratoire d'Ingénierie des Matériaux de Bretagne
• LMA, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique
• LOMC, Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, Le Havre
• LS2N, Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• UGE, Université Gustave Eiffel, Nantes
• UTC, Université de Technologie de Compiègne

Collaborations industrielles

CTTM (Le Mans), AIRBUS, ASTRIUM, BIOMODEX, CEA, DAHER-SOCATA, DB-SAS, EDF, INTRADEF, IRT Jules Verne, MECACHROME, SAFRAN, SANOFI.

Perspectives scientifiques

Les recherches au sein de l'OR Ultrasons seront développées via une double approche.

Parallèlement aux techniques expérimentales ultrasonores passives et actives (imagerie ultra sonore aérienne et immergée, ultrasons au contact, émission acoustique, acoustique non linéaire), les efforts seront également consacrés au développement de modèles physiques permettant de décrire la propagation des ondes ultrasonores dans les milieux complexes (milieux multi-diffusants, avec non-linéarités localisées, avec porosité, hétérogènes et anisotropes, avec rugosité). La richesse des techniques expérimentales en développement représente un atout pour la validation des modèles et permet de fournir les données nécessaires aux algorithmes de traitement du signal testés.

Par ailleurs, sur la base des compétences acquises dans le domaine du CND sur différents matériaux et assemblages, l'OR s’intéressera également à l’amélioration des modèles ainsi qu’à l’élargissement du champ d'application des différentes techniques expérimentales.

Plus spécifiquement, concernant les méthodes d’investigation, de nouvelles pistes prometteuses utilisant l’intelligence artificielle ont été explorées avec succès (exemple des réseaux de neurones artificiels pour la fusion) et seront poursuivies dans les prochaines années.

Perception des ondes mécaniques par des plantes, coll. INRAE.

Parallèlement, une autre perspective déjà engagée consiste à déployer les méthodes ultrasonores à des milieux biologiques avec une analyse particulière sur la variabilité des données qui constituent un nouveau défi pour cette OR comme illustré sur la figure suivante.

Enfin, l'OR Ultrasons, poursuivra le développement de son activité par l’entretien et la diversification des collaborations industrielles et académiques d’ores-et-déjà fructueuses aussi bien au niveau régional (GIS ECND-PdL) qu’au travers des nouvelles collaborations nationales et internationales.