Thèse : Forgeage dynamique d’alliages à base de magnésium pour le stockage solide de l’hydrogène (H/F)

Sujet de thèse :
L’hydrogène constitue un vecteur énergétique de choix dans le contexte de la transition énergétique. Le stockage solide de l'hydrogène sous la forme d'hydrures métalliques réversibles permet d’atteindre une densité de stockage volumique plus élevée qu’avec un gaz comprimé ou un liquide à température cryogénique, tout en offrant une nette réduction du coût énergétique et une sécurité renforcée, puisque l’absorption se fait à des pressions de quelques dizaines de bars seulement.

Le magnésium, métal abondant au coût raisonnable, réagit avec l’hydrogène pour former un hydrure (MgH2) qui possède des capacités massique et volumique remarquables (7,6 % m. et 110 g.L-1). Le développement de réservoirs contenant du magnésium constitue donc un challenge majeur pour la filière hydrogène. Toutefois, une trop grande stabilité thermodynamique de la phase MgH2 et des cinétiques de sorption de l’hydrogène trop lentes restreignent son utilisation.

Le broyage mécanique de poudres de MgH2 en présence d’additifs jouant le rôle de catalyseurs s’est révélé très efficace pour améliorer la cinétique des réactions. Mais ce procédé conduit à des poudres pyrophoriques dont la manipulation est difficilement compatible avec une production à grande échelle. Plusieurs procédés de nanostructuration du magnésium par déformation plastique sévère (SPD : Severe Plastic Deformation) se sont également avérés efficaces pour améliorer la cinétique des réactions. Ces procédés permettent d’élaborer des matériaux massifs, ininflammables au contact de l’air. Toutefois, même s’ils permettent de fabriquer des « matériaux modèles », ces procédés n'ont que peu de potentiel au niveau industriel car les volumes de matériaux produits sont très faibles.

Au cours des dernières années, nous avons initié à l’Institut Néel un procédé de forgeage d'alliages de magnésium et montré que des propriétés de sorption très différentes pouvaient être obtenues selon les conditions appliquées. Une étude systématique et approfondie de la microstructure, menée en collaboration étroite avec le LEM3, a permis d’établir des corrélations entre les propriétés de sorption mesurées et les microstructures développées. Facilement extrapolable à grande échelle, le forgeage apporte des avantages à la fois en termes de sécurité et de coûts de production, et présente un fort potentiel applicatif. Le procédé optimisé à l’Institut Néel portait sur des échantillons d’une dizaine de grammes seulement et avec un dispositif de type « drop-forging » peu instrumenté. Aussi, afin de mener des études à la fois qualitatives et quantitatives, l’utilisation d’un système de sollicitation mécanique rapide et totalement instrumenté est nécessaire. Le dispositif de barres d’Hopkinson, développé par l'équipe thermomécanique du contact rapide (LEM3), permet de contrôler précisément les conditions de déformation appliquées via le projectile (contrainte, vitesse, température).
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