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Matériaux sobres, architecturés et à taille de grain contrôlée pour nouveaux composants magnétiques à haute fréquence

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire des Matériaux et Composants Magnétiques

Sciences des matériaux

01-09-2021

SL-DRT-21-0696

gerard.delette@cea.fr

L'émergence de la haute fréquence (> 1 MHz) utilisant la technologie GaN ouvre la voie à une amélioration importante du rendement et de la compacité des convertisseurs de puissance avec un bénéfice environnemental (rendement énergétique de conversion, réduction de la masse pour la mobilité, longévité) et économique (enjeux de compétitivité et marchés très importants) à court terme. Pour atteindre ces gains, cette technologie nécessite des composants magnétiques parfaitement calibrés en termes de propriétés électriques à haute fréquence. De même, l'intégration de multiples fonctions au sein d'un dispositif électromagnétique communicant large bande pour répondre aux enjeux de réduction de masse et d'augmentation de la compacité, nécessite le développement et la maitrise de nouvelles techniques d'élaboration. La fabrication additive (FA) multi-matériaux offre des possibilités pour élaborer des architectures innovantes au sein de composants électromagnétiques. La sobriété intrinsèque des procédés de FA permet également de minimiser les apports de matière et d'énergie lors de l'élaboration. Toutefois, la conception de composants performants nécessite de mieux connaitre les relations entre les propriétés et les microstructures qui découlent de la FA. La caractérisation de la distribution de taille de grain et la compréhension de son rôle sur la magnétisation des matériaux sont au c?ur du sujet proposé. Ces paramètres déterminent les processus dynamiques (ancrage et vibration des parois de domaines). L'optimum est en général obtenu pour des grains de taille peu dispersée et comparable à celle des domaines (1-2 µm) pour minimiser les pertes des transformateurs. Pour les absorbants magnétiques, qui permettent de réduire le bruit électromagnétique entre composants et donc la puissance consommée (enjeu de sobriété énergétique), l'optimum se situe à la taille de grains juste supérieure pour ajuster la résonance de paroi à la fréquence d'absorption visée.Les travaux de thèse ont pour objectif d'établir ces relations dans le cas de procédés déjà abordés au DTNM (stéréolithographie) dans le cadre de la thèse d'A. Harmon et en cours de déploiement (binder jetting et robocasting). On s'attachera à caractériser les processus de paroi en déterminant les tailles de domaines magnétiques dans différents échantillons issus de la FA et présentant des structures homogènes, puis des gradients ou des interfaces entre matériaux. Ces données seront corrélées aux caractérisations magnétiques (mesures de perméabilité en fréquence, avec application d'un champ, d'une contrainte mécanique ou d'une température) effectuées au CEA/Le Ripault. Des poudres de l'état de l'art devront être approvisionnées. Les travaux à caractère générique visent à l'amélioration de l'efficacité des convertisseurs qui seront déployés en masse dans différentes applications indispensables à l'Economie Circulaire : mobilité, réseaux d'énergie. Ils contribueront, par ailleurs au changement de paradigme dans la fabrication de composants intégrant, à terme, des enjeux d'écoconception, de recyclage ou de réutilisation.

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