Academic literature on the topic 'Μicro-tomographie aux rayons X'

L'objectif de cette thèse étudie puis d'implémenter une méthode de reconstruction sur la tomographie aux rayons X qui permette de scanner des gros échantillons avec une bonne résolution qui permettrait de scanner l'intérieur d'un cylindre(tomographie locale) et caractériser des matériaux réels. Notre méthode peut être réalisé pour améliorer la quantitative et la qualitative d'image de fantôme. Dans cette thèse, cet méthode est utilisé sue les matériaux cellulaires. Nous avons réalisé des essais in situ en tomographie aux rayons X sur le mousse ERG et les sphères creuses. Un comparaison entre les résultats d'Élément Finis et des essais réels montre le mécanisme d'endommagement de ces matériaux.

L’étude de la microstructure des roches est indispensable pour nos enjeux contemporains et futurs en matière d'énergie, d’ingénierie et de construction. D’autre part, cette étude permet de caractériser les processus de déformation géologique ayant conduit à l’état actuel des unités lithologiques. Les roches clastiques à grain fin, communément appelées "shales" en anglais, représentent environ deux-tiers de l’ensemble des roches sédimentaires. Les données 3D relatives aux grains de silt ou clastes inclus dans la matrice argileuse et poreuse de ce type de roche sont peu fréquentes. Ces données sont pourtant cruciales pour comprendre les propriétés anisotropes à l’échelle macroscopique mais aussi pour évaluer l’état de déformation de la matrice rocheuse. Mieux connaitre la microstructure de ces roches permettrait d’être prédictif quant à leurs propriétés mécaniques ou physiques indispensables pour les applications du secteur de l’énergie par exemple. La tomographie à rayons X (XCT) est une technique non destructive permettant d’obtenir une image 3D de la microstructure d'un objet. Une caractérisation géométrique directe des constituants des roches clastiques à grain fin est envisageable grâce à cette technique. Sur la base d'images XCT, cette thèse vise d’abord à développer des aspects méthodologiques pour étudier la fabrique de forme 3D des clastes ainsi que leur distribution spatiale. Ces aspects sont élaborés à partir de la méthode des moments d’inertie qui est appliquée sur les grains segmentés des images 3D numériques. Nous présentons ensuite des applications sur des roches à grain fin possédant une fabrique sédimentaire et sur des roches à grain fin déformées présentant une fabrique d’origine tectonique. Le premier volet applicatif de la thèse s’intéresse à une même unité lithologique ayant enregistrée différentes quantités de déformation. Des échantillons du bassin sud-pyrénéen et des échantillons issus d’un affleurement historique dans les Appalaches centrales ont été collectés. Nous apportons de nouvelles données sur l’évolution de la forme 3D des grains et des pores à l’échelle micrométrique et sur leur agencement dans la matrice rocheuse en fonction de la déformation. Les données obtenues permettent de discuter des mécanismes de déformation à l’échelle du grain des différentes phases minéralogiques. Cependant, la petite taille des échantillons imagés par XCT (≤ 2 mm de diamètre) soulève la question de la représentativité de ces analyses. Sur le chantier sud-pyrénéen, certains échantillons sont étudiés de manière plus approfondie pour vérifier l’homogénéité des résultats. Nous y montrons que les données XCT complètent les mesures indirectes pétrophysiques en permettant de décrire et de localiser les sous-fabriques intégrées dans une mesure globale de la fabrique. Les limites apparaissent lorsque la dimension caractéristique des structures de déformation avoisine la taille de l'échantillon imagé par XCT. Dans le second volet applicatif, des échantillons provenant de systèmes turbiditiques du bassin sud-pyrénéen sont analysés. Ces systèmes, lorsque déformés en tectonique compressive, présentent l’avantage d’enregistrer la même quantité de raccourcissement différemment exprimée dans les unités lithologiques qui les constituent. Les résultats obtenus à partir de la forme des clastes sont comparés à nos mesures magnétiques globales de la fabrique et montrent une bonne cohérence. La méthodologie présentée dans ce travail peut s’étendre à d'autres types de milieux poreux et granulaires pour une meilleure compréhension de l'influence de l'anisotropie structurale sur leurs propriétés macroscopiques et leur comportement mécanique
The study of the microstructure of rocks is essential for our contemporary and future challenges in energy, engineering and construction. Furthermore, this study allows us to characterize the geological deformation processes that led to the current state of geological formations. Fine-grained clastic rocks, commonly called "shales", represent about two-thirds of all sedimentary rocks. 3D data concerning silt-sized grains or clasts embedded in the porous clay-rich matrix of this type of rock are relatively scarce despite the fact that these data are crucial to understand the anisotropic properties of these rocks at the macroscale but also to evaluate the deformation state of the rock matrix. A better understanding of the microstructure of these rocks would allow us to predict their mechanical or physical properties, which are essential for applications in the energy sector, among others. X-ray computed tomography (XCT) is a non-destructive technique providing a 3D image of the microstructure of any object. A direct geometric characterization of the constituents of fine-grained clastic rocks is possible with this technique. Based on XCT images, this thesis aims first to develop methodological aspects to study the 3D shape fabric of silt particles and their spatial distribution. The moments of inertia of segmented grains from 3D digital images are used for this development. We then present applications on fine-grained rocks with a sedimentary fabric and on deformed fine-grained rocks with a tectonic fabric. The first application part of the thesis focuses on the same lithologic unit having experienced different amounts of deformation. Samples from the South Pyrenean Basin and samples from a historical outcrop in the Central Appalachians were collected. We provide new data on the evolution of the 3D shape of grains and pores at the micrometer scale and their arrangement in the rock matrix with respect to the deformation intensity. The obtained data allow discussing the deformation mechanisms at the grain scale of the different mineralogical phases. However, the limited size of the imaged samples by means of XCT (≤ 2 mm diameter) raises the question of the representativeness of these analyses. On the South Pyrenean site, some samples are studied in more detail to evaluate the homogeneity of the results. We show that the XCT data complement the indirect petrophysical measurements by providing access to localized sub-fabrics that are integrated in a bulk measurement of the rock fabric. The limits are reached when the characteristic length of the deformation structures are on the order of the sample size imaged by XCT. In the second application part, samples from turbiditic systems of the South Pyrenean basin are analyzed. These systems, when deformed in compressive tectonic settings, record the same amount of shortening differently expressed in the various siliciclastic matrices. The results obtained from the shape data of the clasts are compared to our bulk magnetic fabric measurements and show a good consistency. The methodology presented in this work can be extended to other types of porous and granular media for a better understanding of the influence of fabric anisotropy on their macroscopic properties and mechanical behavior

Dans le cadre des etudes de faisabilite du stockage des dechets radioactifs en couches geologiques profondes, l'etude de l'evolution de la permeabilite de la couche hote en fonction de l'endommagement est primordiale. Ce travail a consiste d'une part, a etudie experimentalement l'endommagement de deux roches argileuses (marne de beaucaire et argilite de l'est) a l'aide des techniques de micro tomographie a rayons x, et d'autre part, a developper une installation trixiale haute pression adaptee aux mesures de permeabilite sur des roches de tres faibles permeabilites. Des installations triaxiales originales ont ete realisees afin de caracteriser sous chargement deviatoire l'endommagement des roches argileuses a l'aide de la micro tomographie a rayons x sur une ligne synchrotron a l'esrf (grenoble). L'endommagement localise et son evolution en cours d'essai, ont ainsi pu etre caracterises a une echelle fine (de l'ordre de la dizaine de microns). Les techniques de correlation d'images numeriques etendues aux images tridimensionnellles ont ete utilisees pour mesurer les champs incrementaux de deformation et ont montre leur interet dans l'etude de l'endommagement localise dans les geomateriaux et notamment de son evolution. Enfin, une installation triaxiale haute pression a ete realisee pour mesurer l'evolution de la permeabilite de l'argilite de l'est en fonction du niveau de contraintes (isotrope et deviatoire) appliquees. Sa particularite est la petite taille des echantillons (cylindres de 10mm de diametre et 20mm de hauteur) afin de reduire les temps d'essais
WITHIN THE FRAMEWORK OF FEASABILITY STUDIES OF UNDERGROUND REPOSITORIES FOR RADIOACTIVE WASTE, THE STUDY OF PERMEABILITY EVOLUTION WITH DAMAGE OF THE HOST LAYER IS CRUCIAL. THE GOALS OF THIS WORK WERE : (i) TO CHARACTERIZE EXPERIMENTALLY THE DAMAGE OF TWO CLAYEY ROCKS (BEAUCAIRE MARL AND EAST SHALE) WITH X-RAY MICRO TOMOGRAPHY, (ii) TO DEVELOPP A HIGH PRESSURE TRIAXIAL SET-UP ADAPTED TO PERMEABILITY MEASUREMENT ON VERY LOW PERMEABILITY ROCKS. A NUMBER OF ORIGINAL TRIAXIAL DEVICES HAVE BEEN REALISED TO CHARACTERIZE DAMAGE OF CLAYEY ROCKS, UNDER DEVIATORIC LOADING, WITH X-RAY MICRO TOMOGRAPHY ON A SYNCHROTRON BEAMLINE AT THE ESRF (GRENOBLE). LOCALIZED DAMAGE AND ITS EVOLUTION HAVE BEEN CHARACTERIZED AT A FINE SCALE (OF ORDER OF TEN MICRONS). DIGITAL IMAGE CORRELATION TECHNIQUES, EXTENDED TO 3D IMAGES, HAVE BEEN USED TO MEASURE INCREMENTAL STRAIN FIELDS FROM TOMOGRAPHIC IMAGES. WE DEMONSTRATED THAT THESE TECHNIQUES ARE VERY USEFUL IN THE STUDY OF THE LOCALIZED DAMAGE OF GEOMATERIALS AND ESPECIALLY FOR THE INITIATION. A HIGH PRESSURE TRIAXIAL DEVICE HAS BEEN REALISED TO MEASURE PERMEABILITY EVOLUTION OF THE EAST SHALE AS A FUNCTION OF APLLIED STRESS (ISOTROPIC AND DEVIATORIC). THE PARTICULARITY OF THIS SET-UP IS THE SMALL SIZE OF THE TEST SPECIMEN (CYLINDER OF 10MM IN DIAMETER AND 20MM IN HEIGHT) WHICH ALLOWS SIGNIFICANT REDUCTION OF TEST DURATION

La mise en forme de renforts tissés de composites par le procédé RTM mène à des déformations importantes, en particulier pour les géométries à double courbure. La connaissance du comportement mécanique des renforts et de leurs géométries mésoscopiques déformées est nécessaire dans de multiples applications. Une analyse mécanique à l’échelle mésoscopique des déformations de renforts tissés est proposée. Elle inclue un modèle de comportement hypo-élastique continu, isotrope transverse, spécifique au comportement d’une mèche. La dérivée objective associée est basée sur la rotation de la direction des fibres. Dans le plan transverse aux fibres, les contributions sphériques et déviatoriques sont découplées. La tomographie aux rayons X est utilisée pour obtenir les géométries expérimentales non déformées et déformées des renforts tissés. Les simulations réalisées sur un volume élémentaire représentatif sont validées à la fois à partir d’essais mécaniques et de ces images de tomographie
The preforming stage of the RTM composite manufacturing process leads to fibrous reinforcement deformations which may be very large especially for double curvature shapes. The knowledge of the mechanical behavior of the reinforcements and their mesoscopic deformed geometry is necessary for various applications. A simulation method for woven composite fabric deformation at mesoscopic scale is presented. A specific continuum hypo-elastic constitutive model is proposed for the yarn behavior. The associated objective derivative is based on the fiber rotation. Spherical and deviatoric parts of the transverse behavior are uncoupled. X-ray tomography is used to obtain experimental undeformed and deformed 3D geometries of the textile reinforcements. The simulations performed on representative elementary volume are validated based on mechanical experimental tests and tomography images for the geometry

Les matériaux cellulaires sont des échantillons à très forte porosité qui peuvent être décrits à deux échelles : la mésostructure et la microstructure. Le lien entre l'architecture des matériaux et les propriétés mécaniques a été largement étudié dans la littérature. Les caractéristiques microstructurales peuvent avoir une influence importante sur les propriétés macroscopiques. Le but de ce travail est de relier les caractéristiques architecturales et microstructurales des matériaux cellulaires à leurs propriétés mécaniques grâce notamment à la tomographie aux rayons X. Une nouvelle approche combinant l'imagerie 3D à plusieurs résolutions, le traitement d'images et la modélisation éléments finis a permis de prendre en compte la microstructure de la phase solide. Quatre matériaux cellulaires modèles ont ainsi été étudiés : des mousses d'aluminium, des structures cellulaires périodiques en alliage de cobalt-chrome, des échantillons de β-TCP et des composites hydroxyapatite/β-TCP. Les matériaux métalliques ont été fournis par des collègues d'autres laboratoires, tandis que les matériaux céramiques ont été fabriqués dans le cadre de cette étude. Pour chaque type de matériaux (métaux et céramiques), une structure régulière et une stochastique ont été comparées. Pour utiliser la méthode multi-échelle développée dans ce travail, les échantillons ont d'abord été scannés grâce à la tomographie locale dans laquelle l'échantillon est placé près de la source de rayons X. La tomographie locale permet de scanner la petite partie irradiée de l'échantillon et d'obtenir une image agrandie par rapport aux images à plus basse résolution. Ces images permettent d'observer certains détails de la phase solide non visibles à plus basse résolution. Différentes étapes de traitement d'images ont ensuite été mises en œuvre pour obtenir une image à basse résolution incluant les informations provenant des images à haute résolution. Ceci a été réalisé grâce à une série d'opération de seuillage et sous-résolution des images à haute résolution. Le résultat de ces différentes étapes de traitement d'images donne une image de l'échantillon initial à basse résolution mais qui inclut l'information supplémentaire décelée à haute résolution. Ensuite, des essais mécaniques in situ ont été réalisés dans le tomographe pour suivre à basse résolution l'évolution des échantillons pendant la déformation. Les images initiales citées plus haut ont été utilisées pour produire des maillages éléments finis. Des programmes Java ont été adaptés pour créer des fichiers d'entrée pour les modèles éléments finis à partir des images initiales et des maillages. Les images initiales contenant les informations à propos de la phase solide, les images des essais mécaniques et les modèles éléments finis ont permis d'expliquer le comportement mécanique des échantillons en reliant les sites d'endommagement expérimentaux et les lieux de concentrations de contraintes calculés
Cellular materials are highly porous systems for which two scales are mainly important: the mesostructure and the microstructure. The mesostructure corresponds to the architecture of the materials: distribution of solid phase “walls” and macroporosity and can be characterized by X-ray tomographic low resolution images. The link between the architecture of the materials and the mechanical properties has been frequently studied. The microstructure refers to the characteristics of the solid phase. Its microstructural features (presence of a secondary phase or of defects due to the sintering) can have a strong influence on the macroscopic properties. The aim of this work is to link the morphological and microstructural features of metallic and ceramic based cellular materials and their mechanical properties thanks to X-ray tomography and finite element modelling. A new method combining X-ray tomography at different resolutions, image processing and creation of finite element modelling enabled to take into account some microstuctural features of the cellular samples. Four different cellular materials were studied as model materials: aluminium foam fabricated by a liquid state process, cobalt periodic structures made by additive manufacturing, β-TCP porous samples fabricated by conventional sacrificial template processing route and hydroxyapatite/β-TCP composites made by additive manufacturing (robocasting). The metal based materials were provided by colleagues while the ceramic based porous materials were fabricated in the frame of the current study. For each type (metals or ceramics), a stochastic and a regular structure have been compared. For implementing the multiscale method developed in this work, the samples were firstly scanned in a so called “local” tomography mode, in which the specimen is placed close to the X-ray source. This allowed to reconstruct only the small irradiated part of the sample and to obtain a magnified image of a subregion. These images enable to observe some details which are not visible in lower resolution. Different image processing steps were performed to generate low resolution images including microstructural features imaged at high resolution. This was done by a series of thresholding and scaling of the high resolution images. The result of these processing steps was an image of the initial sample. Then, in situ mechanical tests were performed in the tomograph to follow the deformation of the sample at low resolution. The above mentioned initial images were used to produce finite element meshes. Special Java programs were adapted to create finite element input files from initial images and meshes. The initial images containing information about the solid phase, the images from the mechanical tests and the finite element models were combined to explain the mechanical behaviour of the sample by linking the experimental damage locations in the sample and the simulated stress concentration sites

La propagation des fissures courtes de fatigue dans un matériau polycristallin dépend fortement de la microstructure. Bien que de nombreuses études de caractérisation et de modélisation existent sur le sujet, la prédiction du chemin et de la vitesse de propagation de ce type de fissure n'est pas encore possible aujourd'hui.Afin de bien comprendre les mécanismes de propagation, la caractérisation in-situ d'un échantillon par la tomographie aux rayons X a été réalisée à l'ESRF en combinant deux techniques de caractérisation. La tomographie par Contraste de Diffraction (DCT) qui est une méthode non destructive permettant de caractériser en 3D la morphologie et l'orientation des grains constitutifs de la microstructure, à l'état non-déformé, et la tomographie par Contraste de Phase (PCT) qui permet d'obtenir la forme de fissure à divers étapes de la vie de l'éprouvette. Grâce à ces informations, il est possible de simuler la propagation de fissure en utilisant un maillage réaliste reconstruit à partir des images tomographiques. Dans ce travail, une étude de l'anisotropie de comportement élastique est effectuée dans un maillage microstructural 3D reconstruit à partir des images tomographiques. Cette étude permet de comparer les tenseurs de déformation élastique moyennés à chaque grain avec les mesures expérimentale. Ensuite, une nouvelle méthodologie est proposée pour simuler la propagation de fissure. Issue d'une simulation en plasticité cristalline, la direction et la vitesse de la propagation de fissure est déterminée par un post-traitement, ce qui permet de propager la fissure par remaillage. Cette méthode est appliquée dans un premier temps à un monocristal pré-fissuré pour prédire le trajet de fissuration en fonction des systèmes de glissement activés. L'ensemble de la démarche est enfin appliqué au polycristal complet imagé par tomographie. Le rôle du joint de grains et la vitesse de propagation sont également analysés. En comparant les résultats de simulation avec les mesures expérimentales, le critère de la propagation de fissure est discuté
The short fatigue crack propagation in polycrystal materials depends strongly on microstructure. Although numerous studies of characterisation and of simulation, the prediction of the short fatigue crack propagation remains a challenge.In order to understand the mechanisms of short fatigue crack propagation, an in-situ characterisation by X-ray tomography was carried out at ESRF, using two techniques of tomography. Diffraction Contrast Tomography (DCT) that is a non-destructive method can be used to obtain 3D morphology and grain orientations in an undeformed state of polycrystal materials. Couple with Phase Contrast Tomography (PCT), it allows to characterise the short fatigue crack propagation at different loading stages. Access to this information, it is possible to simulate the short fatigue crack propagation using a 3D reel microstructural mesh reconstructed from the tomographic images.In this work, the elastic anisotropic behaviour in a 3D microstructural mesh is performed. The elastic strain tensors averaged in grains are also compared to the experimental measurements. Then, a new numerical approach is proposed to simulate crack propagation. From a crystal plasticity FE simulation, the crack growth direction is determined by a post processing. Next, the crack is propagated through remeshing. This approach is firstly applied to the single crystals, then to the polycrystal mesh reconstructed from the tomographic images. The grain boundary effects and the crack growth rate are also analysed. By comparing between simulation and experimental crack, the damage indicator is discussed at the end

Les propriétés des matériaux cellulaires dépendent de leur architecture et des défauts de coulée. L'architecture se réfère à la forme et la distribution de la phase solide. Les défauts correspondent à la présence et aux distributions des cavités et d'intermétalliques dans la phase solide du fait de la procédure de fabrication. Deux types de matériaux produits de différentes façons sont étudiés dans cette thèse. D'une part, deux mousses ERG de tailles de pores différentes ont été choisies pour étudier l'effet de la présence des intermétalliques sur la plasticité et l'endommagement. Des tests de micro-traction et des expériences de nanoindentation ont été réalisés sur des éprouvettes extraites de la mousse pour déterminer leur comportement micro-élastoplastique de la phase solide. D'autre part, deux structures ayant la même forme et le même motif répétitif, mais différentes épaisseurs d'entretoises et de nœuds ont été produites par fusion sélective par laser pour étudier aussi la plasticité et l'endommagement. Ce travail de thèse visait à développer une procédure de modélisation par éléments finis générique basée sur les images 3D pour prendre en compte l'effet de la porosité locale et la présence des intermétalliques dans le comportement. Les états initiaux des échantillons ont été numérisés en utilisant des méthodes de tomographie "locale" et "stitching" à haute résolution. Les géométries 3D maillées, la porosité locale et les propriétés élastiques-plastiques de chaque élément ont été directement renseignées à partir des images 3D à haute résolution. Les procédures de déformation et de rupture des échantillons ont été illustrées en effectuant des expériences in-situ/ex-situ couplées à une numérisation tomographique à basse résolution. Des modèles éléments finis conformes à l'image 3D ont été développés pour la simulation des essais de traction/compression et montrent que la prise en compte des hétérogénéités locales de microstructure permet de prédire plus finement le comportement mécanique des structures cellulaires, en particulier dans la rupture. L'étude visait également à déterminer la conductivité thermique d'une mousse ERG hautement poreuse en utilisant des calculs par éléments finis basés sur l'image. Les résultats ont été vérifiés en comparant avec la conductivité thermique mesurée à partir des expériences de plaques chauffées
The properties of cellular materials depend on their architecture and casting defects. The architecture refers to shape and distribution of the solid phase. Defects correspond to the presence and distribution of cavities or intermetallic particles in the solid phase due to the fabrication procedure. Two types of materials produced by different fabricating routes are studied in this manuscript. On the one hand, two ERG foams with different cell sizes were chosen to study the effect of the presence of intermetallic particles on the plasticity and damage. Micro-tensile tests and nanoindentation experiment were also performed on the struts extracted from the foam to determine their micro elastoplastic behaviour. On the other hand, two structures with the same shape and repetitive pattern but different struts and nodes thicknesses were produced by selective laser melting manufacturing route to study the effect of porosity on plasticity and damage. This PhD-work aimed at developing a generic image-based finite element procedure to take into account the effect of the local porosity and the presence of intermetallic particles into the finite element simulations of the cellular materials. The initial state of the samples was pictured by performing high resolution "local" tomography and "stitching" methods. The 3D geometries were meshed and the local porosity and elastic-plastic properties of each element were directly informed according to high-resolution 3D images. The deformation and fracture procedures of the samples were pictured by performing in-situ/ex-situ experiments coupled with low-resolution tomography scanning. 3D image-based finite element models were developed for the simulation of the tension/compression tests. The microstructurally informed FE models better capture the mechanical behaviour of the cellular structures, especially for the prediction of the fracture. The study also aimed at determining the thermal conductivity of a highly porous ERG foam using image-based finite element calculations. The results were verified by comparing with the measured thermal conductivity from guarded hot plates experiments

Dans l’optique de refroidir les parois des chambres de combustion aéronautiques le plus efficacement possible, un intérêt particulier est aujourd’hui porté à la technologie de refroidissement par transpiration. L’air de refroidissement s’écoule au travers d’une paroi poreuse dans laquelle une grande quantité de chaleur est échangée par convection. L’éjection de l’air profite ensuite de la distribution des pores pour former une couche limite protectrice relativement homogène.Les matériaux métalliques obtenus à partir de poudres partiellement frittées sont de bons candidats pour former ces parois poreuses. Ce travail se focalise sur les échanges internes et consiste à développer une méthodologie permettant de dégager les architectures partiellement frittées les plus adaptées à ce type d’application.L’écoulement et les échanges de chaleur lors du refroidissement par transpiration sont régis par quelques propriétés effectives des matériaux qui sont fonction de l’architecture : la conductivité thermique effective, le coefficient de transfert convectif volumique et les propriétés de perméabilité. A l’aide de travaux expérimentaux ou d’études numériques sur des échantillons numérisés par tomographie aux rayons X, des relations simples entre les propriétés effectives des matériaux partiellement frittés et leurs paramètres architecturaux sont tout d’abord développées. La porosité, la surface spécifique et le type de poudre utilisé sont retenus pour prédire les paramètres effectifs.Ces relations sont finalement intégrées dans un modèle de transfert de chaleur prédisant la performance d’une solution dans les conditions de fonctionnement du moteur. Une optimisation "multi-objectifs" et une analyse des designs optimaux permettent alors de mettre en valeur quelques architectures montrant un fort potentiel pour des applications de refroidissement par transpiration. Des matériaux peu poreux formés à partir de larges poudres irrégulières semblent assurer le meilleur compromis entre tous les critères pris en compte
In order to cool aero-engine combustion chambers as efficiently as possible, there is today a special interest given to transpiration cooling technology. The cooling air flows through a porous liner in which a large amount of heat can be exchanged by convection. The air injection could then take benefit of the pore distribution to form a more homogeneous protective boundary layer.Partially sintered metallic materials are potential candidates to form these porous liners. The present work focuses on internal heat transfers. It aims to develop a methodology capable of highlighting the most adapted partially sintered architectures to this kind of application.During transpiration cooling, flows and heat transfers are governed by some effective material properties which depends on the porous architecture: the effective solid phase thermal conductivity, the volumetric heat transfer coefficient and the permeability properties. Thanks to experimental works and numerical studies on samples digitized by X-ray tomography, simple relationships are first developed between the effective material properties of partially sintered materials and their architectural parameters. The porosity, the specific surface area and the powder type are selected to predict the effective properties.These relationships are finally integrated into a heat transfer model predicting the thermal performance of a design at working engine conditions. A multi-objective optimization and an analysis of the optimal designs highlight some architectures as being potentially interesting for transpiration cooling. Materials with a low porosity and made of large irregular powders seem to ensure the best trade-off among the different criteria taken into consideration

Une plaque de plâtre allégée est un produit constituée d’un cœur, « mousse de plâtre », dont la porosité peut atteindre 75% et de revêtements de carton. Il est important de comprendre et caractériser le comportement mécanique de la plaque de plâtre pour optimiser le compromis résistance thermique / tenue mécanique. Pour répondre à cet objectif, des méthodologies spécifiques de corrélation d’images numériques et d’identification du comportement mécanique dans des régimes fortement non-linéaires (endommagement, effondrement de la porosité, fissuration macroscopique…) ont été développées et mises en œuvre. Une première classe de propriétés mécaniques, conditionnant la manutention et la pose des plaques, concerne la tenue à la flexion. Des essais de flexion trois et quatre points ont été réalisés jusqu’à la rupture. La corrélation d’images numériques 2D a été utilisée pour suivre la cinématique de l’essai. Le comportement de la plaque de plâtre en flexion a été identifié grâce à une description continue et homogénéisée de type poutre où la dégradation progressive de la rigidité de la plaque est décrite par une loi d’endommagement. Une procédure d’identification spécifique est présentée où imperfections expérimentales et brisures éventuelles de symétrie sont prises en compte. L’analyse montre que le comportement de la plaque en flexion est essentiellement piloté par les propriétés mécaniques de la face cartonnée et de la qualité de l’interface papier-plâtre. Le mécanisme de rupture en flexion a été également identifié par des essais in-situ dans un tomographe. Une deuxième catégorie de propriétés mécaniques concerne un essai normatif d’arrachement. Grâce à des tests réalisés au sein d’un tomographe, et à l’analyse de la cinématique par corrélation d’images volumiques, les différentes étapes clefs ont été identifiées, et la compaction du cœur par effondrement de la porosité sous compression a été reconnu comme le facteur limitant. Dans le but de mieux comprendre ce mécanisme de ruine des essais d’indentation sphérique tomographiés ont été réalisés sur des échantillons de mousse constitutive du cœur de la plaque. Sous l’indenteur, une transition brutale entre comportement élastique et compaction forte accompagnée d’un effondrement de la porosité est visible. Pour répondre à la nécessité d’estimer finement l’état de déformation multiaxiale qui caractérise cette transition, une procédure originale de corrélation d’images volumiques intégrée a été développée. Elle s’appuie sur un code commercial d’éléments finis comme moyen de générer une base cinématique adaptée à l’essai d’indentation sphérique. Le couplage d’essais mécaniques in-situ, la corrélation d’images volumiques et la simulation numérique d’une part, et l’intégration d’informations connues a priori dans la démarche d’identification d’autre part ont permis d’identifier un critère de ruine local. Le comportement triaxial du plâtre poreux a été caractérisé également via des essais triaxiaux homogènes, en suivant différents trajets de chargement. Le comportement triaxial du plâtre moussé a été identifié. Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats de l’identification conduite sur l’essai d’indentation
Lightweight plasterboard is a product composed of a "plaster foam" core whose porosity can reach 75% lined with two sheets of paper. To optimize the compromise between thermal resistance and mechanical strength, it is important to understand and characterize the mechanical behavior of the plasterboard. In the present work, specific methodologies for digital image correlation and identification of the mechanical behavior in highly nonlinear regimes (damage, collapse of porosity, macroscopic cracking ...) have been developed and implemented. A first set of mechanical properties, crucial for handling and placarding, concerns the bending strength. Three and four points bending tests were performed until failure. Digital image correlation was used to follow the kinematic of the test. The behavior of the plasterboard has been identified through a homogenized continuum description based on plate kinematic where the progressive degradation of bending stiffness is described through a damage law. A specific procedure for identification is presented where experimental imperfections and symmetry breakdown are tolerated and accounted for. The analysis shows that the mechanical behavior of the plasterbaord in bending test is controlled primarily by the mechanical properties of the paper lining and the quality of gypsum / paper interface. The failure mechanism in bending test was also identified through in-situ tests performed inside the tomograph. A second category of mechanical properties relates to a normative test “Nail pull test”. Through tests conducted inside the tomograph and the analysis of the kinematics by digital volume correlation, the different key stages of the failure mechanism have been identified. The compaction of the core by the collapse of porosity in compression has been recognized as the limiting factor. In order to better understand the compaction mechanism in-situ spherical indentation tests were performed on foamed samples prepared from the board core. The results from the in-situ experiment show that a compacted zone develops under the indenter, displaying a very sharp boundary with the undamaged material that behaves elastically. To meet the need for estimating accurately the state of multiaxial strain that characterizes this transition, a new methodology is presented. It is an integrated digital volume correlation based on a library of fields adapted to the spherical indentation test and computed from commercial finite element software. Coupling in-situ mechanical tests, digital volume correlation and numerical simulations on the one hand, and integration a priori known information in the identification process on the other hand allowed us to identify a local failure criterion. The behavior of porous plaster was also characterized via homogeneous triaxial tests, by following different loading paths. The triaxial behavior of foamed plaster has been identified. The results are in agreement with those obtained via the identification procedure conducted on the spherical indentation tests

Cette thèse s’intéresse à la conception de nouveaux matériaux compositesferroélectriques/diélectriques aux propriétés accordables en tension. Des granules diélectriques(MgO, TiO2) obtenues par atomisation sont dispersées dans une matrice ferroélectrique (Ba1-xSrxTiO3). Le mélange est ensuite densifié par Spark Plasma Sintering (SPS). Une approcheoriginale est développée afin de déterminer les paramètres reliant la microstructure aux propriétésphysiques pour chacune des étapes de la boucle d’optimisation élaboration - caractérisation -modélisation. La stratégie adoptée s’appuie sur i) l’utilisation des propriétés spécifiques du frittageSPS qui offre une gestion précise des interfaces entre les différents composés. Cette méthode nonconventionnellea permis l’élaboration de composites ferroélectriques architecturés, constituésd’inclusions diélectriques de géométries contrôlées ; ii) les potentialités offertes par lamicrotomographie X comme moyen de description de la microstructure 3D des matériauxcomposites aux étapes clés de leur conception. Couplée à de puissants outils de traitements desimages elle permet d’extraire les éléments pertinents guidant l’optimisation et la compréhension despropriétés finales ; iii) le développement d’un modèle numérique 3D de l’accordabilité appliquédirectement à la géométrie réelle des matériaux extraite des images de microtomographie. Cetteétape est essentielle pour comprendre l’origine de la redistribution du champ électrique entre lesphases. Les résultats numériques obtenus sont directement confrontés aux mesuresexpérimentales
This thesis is focused on the conception of new tunable ferroelectric/dielectric compositematerials. Dielectric granules (MgO, TiO2) obtained by spray-drying are dispersed in a ferroelectricmatrix (Ba1-xSrxTiO3). Mixing powder is then densified by Spark Plasma Sintering (SPS). An originalapproach is developed in order to determine parameters linking the microstructure to the physicalproperties for each step of the elaboration - characterization - modelling optimization procedure.The adopted strategy is based on i) specific SPS properties which provide an accurate control of theinterfaces between each components; ii) potentialities offered by X-ray microtomography to describethe internal 3D microstructure of the composite materials during the key steps of their elaboration.Associated with powerful image processing tools, it allows to obtain relevant elements guiding theoptimization and understanding of the final properties; iii) the development of a 3D numerical modelof tunability applied directly to the real geometry which has been extracted from 3Dmicrotomography images. This step is essential to understand the origin of the redistribution of theelectric field between the different phases. Numerical results are directly compared to experimentalmeasurements