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Miniaturisation de micromanipulateurs en caractérisant et modélisant des nanomatériaux [Miniaturization of micromanipulators by characterizing and modelling nanomaterials]

Le développement des N/MEMS (Nano/Micro ElectroMechanical Systems) fait l'objet de nombreuses recherches, de par leur apport dans divers domaines (capteurs et actionneurs pour les technologies de l'information, la médecine et de l'énergie). Le passage aux échelles micro- et nanométriques implique des modifications des procédés de fabrication des matériaux, ainsi que de leur modélisation. L'effort de recherche lié aux N/MEMS est centré sur la technologie du silicium et bénéficie des investissements importants réalisés durant les 40 dernières années. Les dispositifs comportant des pièces en contact et en mouvement basés sur le silicium sont handicapés par l'usure. Des composants cruciaux doivent présenter des dimensions de plus en plus petites, une masse faible et une résistance accrue à la corrosion et à la déformation. Ce projet a pour objectif d'étudier des approches de développement de N/MEMS basées sur des matériaux conventionnels (alliages métalliques, céramiques). Les N/MEMS formés de composants individuels doivent être assemblés, à la différence de dispositifs basés sur le silicium qui sont fabriqués sous forme de sous-unités complètes. Il est donc nécessaire d'aborder la conception de ces composants via une approche multidisciplinaire, basée sur les compétences de trois groupes de l'ULB: (1) la conception et la production de microcomposants (Prof. A. Delchambre), (2) la simulation du comportement des matériaux (Prof. Ph. Bouillard), et (3) les caractérisations et modifications de surfaces (Prof. M.-P. Delplancke). Afin de caractériser le comportement mécanique des nanomatériaux, des modèles seront développés pour différentes situations (dépôts mous sur substrats durs, dépôts durs sur substrats mous). Plusieurs outils seront développés pour les simulations de nano-indentation, dont (1) des formulations de plasticité à gradients et leur adaptation aux grandes déformations, (2) le traitement de contacts unilatéraux avec prise en compte du frottement. Ces outils seront utilisés pour étudier l'influence des revêtements sur les propriétés mécaniques et tribologiques des matériaux, en vue de coupler l'influence de la friction et l'usure des matériaux aux modèles ci-dessus. Les simulations seront alimentées par les résultats expérimentaux et le modèle final sera utilisé pour améliorer les couches expérimentales dans une phase ultérieure du projet. [The development of N/MEMS (Nano/Micro ElectroMechanical Systems) are the focus of an intense research activity, owing to their potential benefits in different fields (sensors and actuators for information technologies, health and energy sectors). Leaping to micro- and nanometric scales requires important changes in the manufacturing of materials, as well as in their modelling and design. The main emphasis of the current research effort in N/MEMS lies in silicon technology, which benefits from important investments made over the past 40 years. Devices built on silicon, and composed of parts in contact and relative motion, are adversely affected by wear. Crucial components require properties like ever smaller dimensions, low mass and increased resistance to corrosion and deformation. This project aims at studying alternate approaches to the N/MEMS development based on conventional materials (metal alloys, ceramics and polymers). The N/MEMS made of individual components have to be assembled, contrarily to silicon-based devices which are manufactured as entire subsystems. To meet those demands, it is necessary to adopt a multidisciplinary approach, relying on the expertise of three ULB groups skilled in (1) the design and production of microcomponents (MCFAO laboratory, Prof. A. Delchambre), (2) the simulation of materials behaviour (SMC, Prof. Ph. Bouillard), and (3) the characterization and modification of surfaces (SCI, Prof. M.-P. Delplancke). In order to characterize the mechanical behaviour of nanomaterials, various models will be investigated (soft deposits on hard substrata, hard cristalline or amorphous deposits on soft substrata, ...), each demanding a specific strategy. Moreover, various tools will be developed for simulating nanoindentation, among which (1) plasticity gradient models with intrinsic length scales and their large deformation adaptation, (2) computational contact mechanics potentially with frictional contact laws. These tools will be used to study the influence of coatings on the mechanical and tribological properties of materials with the aim of coupling the role of friction and material wear to the models developed previously. The simulations will be fed with experimental results, and the final model will be used to improve the experimental layers in a forthcoming phase of the project.]



responsable


Thierry J. MASSART


équipe


Peter BERKE


disciplines et mots clés déclarés


Programmation et méthodes de simulation Résistance et comportement des matériaux Tribologie

frottement et usure mécanique du contact miniaturisation nanotechnologies simulations numériques tribologie