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Microtomographie

Plateforme de microtomographie

Plateforme d’imagerie microtomographique pour l’analyse des matériaux et des structures sous sollicitations thermo-hydro-mécaniques

La plateforme fédérative de tomographie aux rayons X nouvellement installée au Laboratoire Navier est un dispositif unique permettant d’observer en trois dimensions des échantillons en cours de sollicitation. Elle permet ainsi d’étudier de manière non-destructive et en volume, non seulement les microstructures des matériaux mais également leurs réponses mécaniques et leurs évolutions sous charge. Elle permet ainsi de mieux comprendre l’origine des propriétés des matériaux, de les décrire par des modèles prédictifs, physiquement représentatifs et bien fondés, et de proposer des voies d’amélioration.

Les caractéristiques de la plateforme lui permettent de couvrir des échelles allant du micromètre à la dizaine de centimètres et d’aborder une vaste gamme de matériaux hétérogènes d’intérêt pour le génie civil, l’énergie ou les transports. Les sollicitations appliquées aux échantillons combinent chargement mécaniques, thermiques et hydriques et sont représentatives des conditions d’emploi réelles des matériaux étudiés.

La plateforme est constituée d’un microtomographe « Ultratom » spécifiquement conçu et réalisé par la société RX-Solutions pour répondre à ce cahier des charges, complété par un ensemble de dispositifs de sollicitation in situ des échantillons.

Quelques caractéristiques de l’imageur « Ultratom » :

- Deux sources de rayons X « permutables » : source nano-foyer Hamamatsu L10712 (160kV, 8W, 0,25µm-filament LaB6 et 0,75µm-filament W) et source micro-foyer Hamamatsu L10801 (230kV, 200 W, 5µm).
- Deux imageurs « interchangeables » : caméra HD PhotonicScience VHR (4008x2672 pixels, taille de pixel 9µm) et capteur "flat-panel "Paxscan Varian 2520V (1920x1560 pixels, taille de pixel 127µm). Possibilité de créer un imageur virtuel plus large pour augmenter la résolution d’image.
- Platine de rotation creuse (diamètre interne 300mm) capable de supporter des charges lourdes (100kg) sans perte de performance mécanique.
- Bâti en granit avec axes principaux sur coussin d’air.
- Grande cabine de radioprotection (4,5x3x3m, 8 ou 10mm de Pb) avec plusieurs chicanes pour le passage de câbles, fluide,... pour le contrôle des dispositifs de sollicitations depuis l’extérieur.
- Reconstruction des images sur processeur graphique (GPU) : volumes de 10003 voxels reconstruits en quelques minutes
- Résolution d’image ultime de 0,25µm (liée à la taille minimale du foyer X).
- Taille d’échantillon maximale décimétrique (typiquement 11cm de béton).

Principaux dispositifs d’essai in situ  :

Plusieurs dispositifs de sollicitations sont disponibles ou sont prévus. Ils sont conçus et réalisés par Navier et les autres laboratoires partenaires de la plateforme. Sont disponibles :

  • Un dispositif œdométrique avec injection d’eau (Navier)
  • Une machine de traction/compression (10kN) réalisée par le LMS (Ecole polytechnique ParisTech)
  • Une machine de traction (2kN) de géométrie originale dans laquelle l’échantillon tourne dans un bâti fixe, et permettant de chauffer les échantillons (700°C) en cours d’observation. Résolution max. d’observation : 5µm (CdM, Ecole des Mines ParisTech)
  • Un dispositif de cisaillement pour l’étude de la rhéologie des pâtes (Navier)
  • Une enceinte thermo-hydrique contrôlée (10-50°C et 50-95% HR) (Navier)

Sont prévus :

  • Une machine de compression biaxiale de révolution (Navier et LMS)
  • Un système biaxial de traction-torsion (LMS)

Les images 3D obtenues avec la plateforme sont traitées par divers outils logiciels pour en extraire les informations pertinentes sur les microstructures et leurs évolutions. En particulier, les techniques de corrélations d’images volumiques donnent accès aux champs de déplacement et de déformation.

Financement :

L’ensemble du projet (tomographe et dispositifs de sollicitation) a été financé par l’École des Ponts ParisTech, la région Ile-de-France (au travers du programme SESAME 2007), l’Institut Carnot VITRES, le CNRS (par l’intermédiaire de la Fédération Francilienne de Mécanique, Matériaux Structures et Procédés) et l’Ecole Polytechnique, au travers des laboratoires LMS et PMC et sur crédits de la chaire Science des Matériaux pour la Construction Durable soutenue par la société Lafarge. Les dispositifs de sollicitation sont financés par les laboratoires partenaires (Navier, LMS et CdM) sur ressources propres ou projets spécifiques (Carnot, ANR, GnR Matinex...).

Quelques dates :

  • 2007 : demande SESAME déposée en juin, acceptée en décembre
  • 2008 : analyse du marché, définition détaillée du projet
  • printemps 2009 : lancement du marché public. La proposition de la société RX-Solutions est retenue en juillet 2009
  • automne/hiver 2009-2010 : aménagement des locaux
  • avril 2010 : début de l’installation
  • 2011 : mise au point du dispositif, premiers essais
  • printemps 2012 : premiers essais de compression in situ
  • 2013 : changement des sources de rayons X (notamment passage de 0,9 à 0,25µm de taille de foyer ultime).

Principaux partenaires :

  • Laboratoire Navier
  • Fédération Francilienne de Mécanique, Matériaux Structures et Procédés, dont en particulier le LMS et le CdM
  • Synchrotron Soleil, et en particulier la ligne PSICHE en cours de construction. La plateforme de microtomographie de Navier et cette ligne de haute énergie consacrée partiellement à la microtomographie seront complémentaires. Les dispositifs d’essai de la plateforme seront adaptés à la ligne PSICHE.

Contact  : Michel Bornert et Nicolas Lenoir