Doctoral position (PhD) – High-performance ceramic coatings from high-entropy materials

largement utilisé pour sa résistance à l'usure, contient 68 % en masse de chrome, un matériau dont l'extraction pose des risques écologiques et sanitaires majeurs, tout en étant listé en tant que matériau critique.

Les matériaux à haute entropie (HE), définis par la combinaison de cinq éléments ou plus en proportions quasi équiatomiques, offrent une alternative prometteuse. Leur stabilité de phase à haute température et leur résistance à la diffusion atomique en feraient des candidats idéaux pour des applications en conditions extrêmes. Des études récentes ont montré que des oxydes HE comme Al₂(CoCrCuFeNi)O (structure spinelle) ou (AlCrTaTiZr)O (structure rock-salt) atteignent des duretés comparables à celles du Cr₂O₃ (22–23 GPa vs 25–30 GPa) tout en réduisant la teneur en chrome à 7–13 % en masse. Cependant, ces résultats ont été obtenus avec le procédé de dépôt par pulvérisation cathodique, une méthode coûteuse et généralement limitée aux couches minces (< 1 µm). Aucune méthode industrielle n'existe aujourd'hui pour produire des revêtements épais (> 50 µm) adaptés aux applications tribologiques ou de barrière thermique.

High-performance ceramic coatings, used in the aerospace, defense, and energy sectors, currently rely on critical materials such as chromium, nickel, titanium, and rare earth elements. Their supply is threatened by geopolitical tensions, market fluctuations, and strict environmental regulations, such as the European Critical Raw Materials Act (2024). For example, Cr₂O₃, widely used for its wear resistance, contains 68 %wt. of chromium—a material whose extraction poses major environmental and health risks, while also being listed as a critical material.

High-entropy (HE) materials, defined by the combination of five or more elements in near equiatomic proportions, offer a promising alternative. Their high-temperature phase stability and resistance to atomic diffusion make them ideal candidates for applications under extreme conditions. Recent studies have shown that HE oxides such as Al₂(CoCrCuFeNi)O (spinel structure) or (AlCrTaTiZr)O (rock-salt structure) achieve hardnesses comparable to those of Cr₂O₃ (22–23 GPa vs. 25–30 GPa) (Oses et al., Nat. Rev. Mater., 2020) while reducing the chromium content to 7–13 %wt. However, these results were obtained using sputtering, a costly method generally limited to thin films (< 1 μm). No industrial method currently exists to produce thick coatings (> 50 μm) suitable for tribological or thermal barrier applications.

Début de la thèse : 01/02/2027

Funding category: Autre financement public

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Requirements

Specific Requirements

• Formation : Master (ou équivalent) en Science des Matériaux, Génie des Procédés ou Chimie du Solide.
• Compétences techniques :
  • Expérience en caractérisation des matériaux (DRX, MEB, TEM) et/ou en traitement des poudres (broyage, synthèse).
  • Connaissances en projection thermique (atout majeur, mais non obligatoire).
  • Expérience pratique des outils d'analyse de données (Python, Origin, ImageJ).
• Qualités personnelles :
  • Autonomie, rigueur scientifique et capacité à travailler en équipe pluridisciplinaire.
  • Intérêt pour les enjeux industriels et environnementaux.
  • Bon niveau en français et en anglais scientifique (écrit et oral).

• Education: Master's degree (or equivalent) in Materials Science, Process Engineering, or Solid-State Chemistry.
• Technical skills:
  • Experience in materials characterization (XRD, SEM, TEM) and/or powder processing (milling, synthesis).
  • Knowledge of thermal spraying (a major asset, but not required).
  • Practical experience with data analysis tools (Python, Origin, ImageJ).
• Personal qualities:
  • Ability to work independently, scientific rigor, and ability to work in a multidisciplinary team.
  • Interest in industrial and environmental issues.
  • Proficiency in French and scientific English (written and spoken).