Quantification des impacts environnementaux de nouveaux procédés adaptés à la mise en forme de céramiques avancées. // Quantification of the environmental impacts of new processes adapted to advanced ceramic shaping.

Depuis 2015, des activités de recherche portant sur la formulation de matières d'œuvres céramiques (pâte, suspensions, poudres, solutions, etc.) éco-responsables sont développées au sein de l'axe 1 à l'IRCER. Deux thèses ont par exemple été réalisées, menant à des résultats probants et prometteurs pour divers procédés de mise en forme, intéressants le milieu industriel [1–3]. Pour aller plus loin, dans le cadre de l'ANR JCJC « microextrusion de céramiques éco-responsables », ce travail se poursuit afin d'investiguer de nouvelles formulations de pâtes plastiques céramiques à partir d'additifs naturels, principalement pour le robocasting. Par exemple, des liants biosourcés, semblant plus éco-responsables que ceux issus de la pétrochimie, tels que la gomme de Guar ou la gomme Karaya, sont utilisés. L'étude des caractéristiques des polymères utilisés et des propriétés rhéologiques des liants obtenus ainsi que des pâtes permet de préciser certains critères d'extrudabilité et de mettre en exergue l'importance du liant choisi. Ce travail est également le fruit de collaborations étroites avec les laboratoires Labcis à Limoges et Polymères, Bio polymères et Surface à Rouen.
Une partie des activités de recherche développée au sein de l'axe 2 est quant à elle, consacrée à l'élaboration de dépôts par projection plasma d'arc soufflé de poudre ou plus récemment d'intrant liquide (suspensions, solutions) pour des applications dans le domaine de l'énergie, de l'environnement, de la désinfection de surfaces [4-6]. Ce procédé utilise de l'électricité, éventuellement produite de manière durable, et des gaz plasmagènes à faible impact environnemental. Il fonctionne à pression atmosphérique à l'air libre réduisant considérablement les coûts de mise en œuvre et présente des vitesses de dépôt élevées atteignant quelques centaines de µm/min/cm². Bien qu'une analyse de cycle de vie basée sur la production de revêtements en zircone stabilisé à l'yttrium par le procédé de projection de solution ait permis de conclure que l'électricité, selon le mix énergétique utilisé, est responsable d'environ 50 à 80 % de l'impact environnemental [7], cette approche dans le domaine de la projection thermique reste encore marginale et l'impact environnemental des précurseurs (poudre ou intrant liquide) utilisés n'a pas été à ce jour correctement évalué. Afin de quantifier l'impact environnemental de ces différents procédés développés au sein de l'axe 1 et 2 de l'IRCER et de mettre en exergue leurs intérêts dans le cadre d'une démarche de développement durable, il semble indispensable de réaliser maintenant leurs analyses de cycle de vie. Pour cela, des outils de simulations tels que le logiciel d'analyse de cycle de vie SIMAPRO, connus au sein l'axe 2 de l'IRCER, peuvent être amenés à être développés afin de quantifier par exemple les impacts environnementaux des précurseurs fréquemment synthétisés et utilisés (pâtes céramiques, poudres...) par l'axe 1 de l'IRCER. Il s'agirait aussi de mettre en place une démarche interdisciplinaire au sein du laboratoire qui pourrait être à terme utilisée par les chercheurs des différents axes du laboratoire. Par ailleurs, ces outils permettraient également l'évaluation de la contribution de différents projets au développement durable.
Les objectifs de la thèse seraient alors de poursuivre le développement des procédés évoqués tout en quantifiant leur impact environnemental.
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Since 2015, research activities relating to the formulation of eco-responsible materials for ceramic works (paste, suspensions, powders, solutions, etc.) have been developed within axis 1 at the IRCER Laboratory. For example, two PhD. theses have been carried out, leading to convincing and promising results for various shaping processes of interest to the industrial sector [1–3]. To go further, as part of the ANR JCJC “microextrusion of eco-responsible ceramics”, this work is continuing to investigate new formulations of ceramic plastic pastes using natural additives, mainly for robocasting. For example, biosourced binders, which seem more eco-responsible than those from petrochemicals, such as Guar gum or Karaya gum, are used. The study of the characteristics of the polymers used and the rheological properties of the binders obtained as well as the pastes makes it possible to specify certain extrudability criteria and to highlight the importance of the selected binder. This work is also the result of close collaborations with the Labcis laboratories in Limoges and Polymères, Biopolymers and Surface based in Rouen.
Part of the research activities developed within axis 2 is devoted to the development of coatings by plasma spraying of powder or more recently of liquid feedstock for applications in the field of energy, environment, surface disinfection [4-6]. This process uses electricity, possibly produced sustainably, and plasma gases with low environmental impact. It operates at atmospheric pressure in the open air, considerably reducing implementation costs and has high deposition rate reaching a few hundred of µm/min/cm². Although a life cycle analysis based on the production of yttrium-stabilized zirconia coatings by the suspension projection spraying process made it possible to conclude that electricity, depending on the energy mix used, is responsible for approximately 50 at 80% of the environmental impact [7], this approach in the field of thermal spraying still remains marginal and the environmental impact of the precursors (powder or liquid feedstock) used has not to date been properly evaluated. In order to quantify the environmental impact of these different processes developed within axes 1 and 2 of the IRCER Lab and to highlight their interests within the framework of a sustainable development approach, it seems essential to currently carry out their life cycle analyses. For this, simulation tools such as the SIMAPRO life cycle analysis software, known within axis 2 of the IRCER, can be developed in order to quantify, for example, the environmental impacts of frequently synthesized precursors. and used (ceramic pastes, powders, etc.) by axis 1 of the IRCER. It would also involve setting up an interdisciplinary approach within the laboratory which could ultimately be used by researchers from the laboratory's different axes. Furthermore, these tools would also allow the evaluation of different projects contributions to sustainable development, that could be used by the different teams within the laboratory.
The objectives of the thesis would then be to continue the development of the processes mentioned while quantifying their environmental impact.
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Début de la thèse : 01/10/2024

https://www.unilim.fr/

Compétences techniques : - Connaissances dans le domaine de l'analyse de cycle de vie : méthodologie et mise en œuvre. - La connaissance dans la mise de céramiques avancées est un plus. - La connaissance des techniques de projection plasma est un plus. - La connaissance des techniques de caractérisation des matériaux massifs céramique et/ou des revêtements obtenus par projection plasma est un plus. Compétences générales : - Autonomie et rigueur - Bon sens de l'organisation - Capacité à rédiger des rapports et des articles scientifiques - Capacité à travailler en équipe - Capacité à discuter avec des personnes d'un autre domaine
Technical skills : - Knowledge in the field of life cycle analysis: methodology and implementation. - Knowledge in the installation of advanced ceramics is a plus. - Knowledge of plasma spraying techniques is a plus. - Knowledge of techniques for characterizing solid ceramic materials and/or coatings obtained by plasma projection is a plus. General skills : - Autonomy and rigor - Good organizational skills - Ability to write reports and scientific articles - The ability to work in a team - Ability to discuss with people from another field