Dissertations / Theses on the topic '3D microstructures'
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1
King, Philip Huw. "Towards rapid 3D direct manufacture of biomechanical microstructures." Thesis, University of Warwick, 2009. http://wrap.warwick.ac.uk/3749/.
Full textAbstract:
The field of stereolithography has developed rapidly over the last 20 years, and commercially available systems currently have sufficient resolution for use in microengineering applications. However, they have not as yet been fully exploited in this field. This thesis investigates the possible microengineering applications of microstereolithography systems, specifically in the areas of active microfluidic devices and microneedles. The fields of micropumps and microvalves, stereolithography and microneedles are reviewed, and a variety of test builds were fabricated using the EnvisionTEC Perfactory Mini Multi-Lens stereolithography system in order to define its capabilities. A number of microneedle geometries were considered. This number was narrowed down using finite element modelling, before another simulation was used to optimise these structures. 9 × 9 arrays of 400 μm tall, 300 μm base diameter microneedles were subjected to mechanical testing. Per needle failure forces of 0.263 and 0.243 N were recorded for the selected geometries, stepped cone and inverted trumpet. The 90 μm needle tips were subjected to between 30 and 32 MPa of pressure at their failure point - more than 10 times the required pressure to puncture average human skin. A range of monolithic micropumps were produced with integrated 4 mm diameter single-layer 70 μm-thick membranes used as the basis for a reciprocating displacement operating principle. The membranes were tested using an oscillating pneumatic actuation, and were found reliable (>1,000,000 cycles) up to 2.0 PSIG. Pneumatic single-membrane nozzle/diffuser rectified devices produced flow rates of up to 1,000 μl/min with backpressures of up to 375 Pa. Another device rectified using active membrane valves was found to self-prime, and produced backpressures of up to 4.9 kPa. These devices and structures show great promise for inclusion in complex, fully integrated and active microfluidic systems fabricated using microstereolithography alone, with implications for both cost of manufacture and lead time.
2
Sosa, John Manuel. "Development of Tools for 2D and 3D Microstructural Characterization and Their Application to Titanium Alloy Microstructures." The Ohio State University, 2015. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1420629389.
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3
Moroni, Riko [Verfasser], Lars [Akademischer Betreuer] Pastewka, and Simon [Akademischer Betreuer] Thiele. "Segmentation and computational analysis of 3D porous microstructures in Li-ion cells." Freiburg : Universität, 2020. http://d-nb.info/122783943X/34.
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4
Groeber, Michael Anthony. "Development of an automated characterization-representation framework for the modeling of polycrystalline materials in 3D." Columbus, Ohio : Ohio State University, 2007. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc%5Fnum=osu1187104216.
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5
Barry, Erin Patricia. "Three-Dimensional Reconstruction of Microstructures in α + β Titanium Alloys." The Ohio State University, 2008. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1211214635.
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6
Mutapcic, Emir, and n/a. "Optimised part programs for excimer laser-ablation micromachining directly from 3D CAD models." Swinburne University of Technology. Faculty of Engineering and Industrial Sciences, 2006. http://adt.lib.swin.edu.au./public/adt-VSWT20061117.154651.
Full textAbstract:
Fabrication of a 3D structure and surface texture using excimer laser mask
projection ablation processes typically requires the machine operator to develop a specific
NC part program for the desired structure geometry, and also incorporate appropriate
machine parameters to achieve the desired surface finish. The capability of the laser
ablation process could therefore be significantly improved by developing a CAD/CAM
system that automatically generates the NC part program using the 3D information of the
CAD model of the desired structure. Accordingly, the focus of this research was to
develop such a system that is, an effective CAD/CAM system specifically for excimer
laser mask projection micromachining tools.
To meet these requirements, a unique combination of commercially available
systems was used to develop the new CAD/CAM system. The systems used comprised of
a computer aided, feature based parametric design system (SolidWorks), together with
its extended programming capabilities based on Automated Programming Interface (API)
functions for Windows applications, and Visual Basic (VB) 6.0 programming utilities.
The system's algorithms use a novel methodology to extract the 3D geometry of a
microstructure. Two different techniques have been developed to extract the 3D data.
First, where 3D geometry information from a CAD model was defined as a Stereolithography
(STL) file, and second, where this information has been contained in a set of
bit-map (BMP) files that represent a sliced or layered structure of a CAD model. Based
on this, first an algorithm to create NC part programs to support Step-and-repeat
micromachining technique was developed and then successfully extended to be applicable
for another commonly used micromachining method, Workpiece-Dragging technique.
The systems algorithms for both techniques are based on the raster-colour
programming technique, resulting in substantially reduced mathematical complexity and
computational time. This is the first time this approach has been used to support direct
conversion of 3D geometry from a CAD model into an NC part program compatible with
the excimer laser CNC controller. 2D mathematical models for controlling edge and
stitching errors were also implemented in the system.
An additional technique, named as 'Common Nest' has been developed with the
aim to enable automatic NC part programming when microstructure design to be
completed successfully, requires use of multiple complex mask patterns as a projection
tool instead of just a single square aperture.
The effectiveness of the system was verified by NC part program generation for
several 3D microstructures and subsequent machining trials using polycarbonate (PC) and
Polyethylene terephthalate (PET), and optimised processing parameters. Excellent
agreement was obtained between the laser machined geometries and the microstructure
CAD models. The Laser Scanning Confocal Microscope (LSCM) measured the lateral
dimensions tolerance of 2m.
The system was also successfully applied for a practical micro-engineering
application, for the development of a microfluidics cell transportation device.
7
Vecchio, Irene [Verfasser], and Claudia [Akademischer Betreuer] Redenbach. "Image based characterization and geometric modeling of 3d materials microstructures / Irene Vecchio. Betreuer: Claudia Redenbach." Kaiserslautern : Technische Universität Kaiserslautern, 2015. http://d-nb.info/1070603740/34.
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8
Eichhorn, Melanie [Verfasser]. "3D-microstructures with designed surface chemistry for the study of cell adhesion and deformation / Melanie Eichhorn." München : Verlag Dr. Hut, 2018. http://d-nb.info/1166482510/34.
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9
Flin, Frédéric. "Description physique des métamorphoses de la neige à partir d'images de microstructures 3D naturelles obtenues par microtomographie X." Université Joseph Fourier (Grenoble), 2004. http://www.theses.fr/2004GRE10006.
Full text
10
Zerhouni, Othmane. "Etude des propriétés élastiques effectives de matériaux poreux à microstructure aléatoire : Impression 3D, caractérisation, expérimentale et numérique." Thesis, Institut polytechnique de Paris, 2019. http://www.theses.fr/2019IPPAX008.
Full textAbstract:
Dans le cadre de cette thèse, la combinaison de plusieurs outils numériques et expérimentaux a permis la génération de différents modèles de microstructures aléatoires afin d'étudier l'influence des descripteurs statistiques sur les propriétés élastiques effectives des matériaux poreux.Dans un premier temps, nous avons développé une procédure qui associe impression 3D, caractérisation expérimentale et numérique ainsi que les résultats théoriques sur les propriétés effectives de matériaux poreux désordonnée. Cette méthodologie est appliquée à la fabrication de microstructures constituées de pores sphériques, de taille unique ou avec une distribution de plusieurs tailles, qui sont disposés dans une volume cubique par un procédé d'ajout séquentiel et aléatoire (RSA). Un protocole expérimental est développé en commençant par la détermination du volume élémentaire représentatif (VER) afin d'obtenir des propriétés macroscopiques indépendantes des conditions aux limites imposées à l'échantillon numérique ou expérimental. A partir de ces résultats, une éprouvette standard est réalisée pour des essais multi-étapes de traction-relaxation sur matériaux polymères. Les résultats numériques et expérimentaux concernant les propriétés élastiques effectives de ces microstructures sont proches de la borne supérieure de Hashin-Shtrikman pour les matériaux isotropes pour une large gamme de porosité.Dans la seconde partie de cette thèse, on cherche à évaluer l'influence de certains descripteurs statistiques de la microstructure sur les propriétés élastiques macroscopiques pour les relier à l'espace poreux aléatoire et multi-échelle dans les carbonates. Pour cela, nous commençons par tester la pertinence des fonctions de corrélation à deux points en considérant deux familles différentes de microstructures poreuses qui ont les mêmes statistiques de second ordre. La première famille est générée par le code RSA avec différents élancements des pores ellipsoïdaux. La deuxième famille est, quant à elle, obtenue par seuillage de champs gaussiens générés à partir des fonctions de corrélations mesurées sur la première. Les propriétés élastiques effectives de ces deux familles sont obtenues par simulations numériques basées sur la transformée de Fourier rapide (FFT). Les résultats montrent que la fonction de corrélation est insuffisante pour prédire les propriétés effectives de matériaux poreux aléatoires. Nous proposons ensuite une manière d'évaluer l'influence de la connectivité sur les propriétés élastiques en considérant un réseau connecté de pores ellipsoïdaux reliés par des canaux cylindriques. Les propriétés effectives de ces microstructures montrent qu'une faible porosité additionnelle pour relier les pores ne change pas de manière significative la fonction de corrélation ou la distribution de cordes entre les microstructures mais peut engendrer d'important changement dans les modules élastiques des microstructures.Par la suite, une analyse du lien entre la géométrie locale dans l'espace poreux et les champs élastiques du matériaux est proposée. Cela consiste à étudier la distribution des fluctuations locales du champ de déformation par rapport à la distance euclidienne séparant un point de la phase solide de l'interface avec la phase poreuse. La moyenne et l'écart type des fluctuations de la composante hydrostatique du champ de déformation pour un chargement hydrostatique concordent qualitativement avec les modules de compressibilité effectives obtenus. Des observations similaires sont obtenues en analysant la composante de cisaillement pour un chargement en cisaillement. Compte tenu de ces résultats, il semble que les propriétés élastiques effectives des différentes microstructures étudiées sont fortement sensibles à l'information géométrique locale contenus dans la forme des pores et leur connectivitéThis thesis deals with the 3D-printing, numerical simulation and experimental testing of porous materials with random isotropic microstructures. In particular, we attempt to assess by means of well-chosen examples the effect of partial statistical descriptors (i.e., porous volume fraction or porosity, two-point correlation functions and chord-length distribution) upon the linear effective elastic response of random porous materials and propose (nearly) optimal microstructures by direct comparison with available theoretical mathematical bounds. To achieve this, in the first part of this work, we design ab initio porous materials comprising single-size (i.e. monodisperse) and multiple-size (polydisperse) spherical and ellipsoidal non-overlapping voids. The microstructures are generated using a random sequential adsorption (RSA) algorithm that allows to reach very high porosities (e.g. greater than 80%). The created microstructures are then numerically simulated using finite element (FE) and Fast Fourier Tranform (FFT) methods to obtain representative isotropic volume elements in terms of both periodic and kinematic boundary conditions. This then allows for the 3D-printing of the porous microstructures in appropriately designed dog-bone specimens. An experimental setup for uniaxial tension loading conditions is then developed and the 3D-printed porous specimens are tested to retrieve their purely linear elastic properties. This process allows, for the first time experimentally, to show that such polydisperse (multiscale) microstructures can lead to nearly optimal effective elastic properties when compared with the theoretical Hashin-Shtrikman upper bounds for a very large range of porosities spanning values between 0-82%. To understand further the underlying mechanisms that lead to such a nearly optimal response, we assess the influence of several statistical descriptors (such as the one- and two-point correlation functions, the chord-length distribution function) of the microstructure upon the effective elastic properties of the porous material. We first investigate the ability of the two-point correlation function to predict accurately the effective response of random porous materials by choosing two different types of microstructures, which have exactly the same first (i.e., porosity) and second-order statistics. The first type consists of non-overlapping spherical and ellipsoidal pores generated by the RSA process. The second type, which uses the thresholded Gaussian Random Field (GRF) method, is directly reconstructed by matching the one- and two-point correlation functions from the corresponding RSA microstructure. The FFT-simulated effective elastic properties of these two microstructures reveal very significant differences that are in the order of 100% in the computed bulk and shear moduli. This analysis by example directly implies that the two-point statistics can be highly insufficient to predict the effective elastic properties of random porous materials. We seek to rationalize further this observation by introducing controlled connectivity in the original non-overlapping RSA microstructures. The computed effective elastic properties of these microstructures show that the pore connectivity does not change neither the two-point correlation functions nor the chord-length distribution but leads to a significant decrease in the effective elastic properties. In order to quantify better the differences between those three microstructures, we analyze the link between the local geometry of the porous phase and the corresponding computed elastic fields by computing the first (average) and second moments of the elastic strain fluctuations. This last analysis suggests that partial statistical information of the microstructure (without any input from the corresponding elasticity problem) might be highly insufficient even for the qualitative analysis of a porous material and by extension of any random composite material
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Moussaoui, Hamza. "Microstructural optimization of Solid Oxide Cells : a coupled stochastic geometrical and electrochemical modeling approach applied to LSCF-CGO electrode." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019GREAI028/document.
Full textAbstract:
Ce travail porte sur la compréhension de l’impact de la microstructure sur les performances des Cellules à Oxyde Solide (SOC), avec une illustration sur l’électrode à oxygène en LSCF-CGO. Une approche couplant de la modélisation géométrique et électrochimique a été adoptée pour cet effet. Le modèle des champs aléatoires plurigaussiens et un autre basé sur des empilements de sphères ont été développés et adaptés pour les microstructures des SOCs. Ces modèles 3D de géométrie stochastique ont été ensuite validés sur différentes électrodes reconstruites par nano-holotomographie aux rayons X au synchrotron ou par tomographie avec un microscope électronique à balayage couplé à une sonde ionique focalisée. Ensuite, des corrélations semi-analytiques ont été proposées et validées sur une large base de microstructures synthétiques. Ces relations permettent de relier les paramètres ‘primaires’ de l’électrode (la composition, la porosité et les diamètres des phases) aux paramètres qui pilotent les réactions électrochimiques (la densité de points triples, les surfaces spécifiques interphases) et sont particulièrement pertinents pour les équipes de mise-en-forme des électrodes qui ont plus de contrôle sur ce premier ensemble de paramètres. Concernant la partie portant sur l’électrochimie, des tests sur une cellule symétrique en LSCF-CGO ont permis de valider un modèle déjà développé au sein du laboratoire, et qui permet de simuler la réponse électrochimique d’une électrode à oxygène à partir des données thermodynamiques et de microstructure. Finalement, le couplage des deux modèles validés a permis d’étudier l’impact de la composition des électrodes, leur porosité ou encore taille des grains sur leurs performances. Ces résultats pourront guider les équipes de mise-en-forme des électrodes vers des électrodes plus optimiséesThis work aims at better understanding the impact of Solid Oxide Cells (SOC) microstructure on their performance, with an illustration on an LSCF-CGO electrode. A coupled 3D stochastic geometrical and electrochemical modeling approach has been adopted. In this frame, a plurigaussian random field model and an in-house sphere packing algorithm have been adapted to simulate the microstructure of SOCs. The geometrical models have been validated on different electrodes reconstructed by synchrotron X-ray nano-holotomography or focused ion-beam tomography. Afterwards, semi-analytical microstructural correlations have been proposed and validated on a large dataset of representative synthetic microstructures. These relationships allow establishing the link between the electrode ‘basic’ parameters (composition, porosity and grain size), to the ‘key’ electrochemical parameters (Triple Phase Boundary length density and Specific surface areas), and are particularly useful for cell manufacturers who can easily control the first set of parameters. Concerning the electrochemical part, a reference symmetrical cell made of LSCF-CGO has been tested in a three-electrode setup. This enabled the validation of an oxygen electrode model that links the electrode morphological parameters to its polarization resistance, taking into account the thermodynamic data. Finally, the coupling of the validated models has enabled the investigation of the impact of electrode composition, porosity and grain size on the cell electrochemical performance, and thus providing useful insights to cell manufacturers
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Li, Jia. "Simulation par éléments finis de la propagation de fissures de fatigue dans les matériaux polycristallins imagés par tomographie aux rayons X." Thesis, Paris, ENMP, 2015. http://www.theses.fr/2015ENMP0079/document.
Full textAbstract:
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 discutéThe 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
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Liu, Chao Yuan. "Analyse quantitative des propriétés mécaniques de fraises dentaires rotatives en NiTi et étude de la fabrication de larges microstructures par polymérisation induite à deux photons." Phd thesis, Université de Grenoble, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01071805.
Full textAbstract:
Un tiers des urgences dentaires et un pourcentage élevé de maux de dents sont endodontie liés. Instruments rotatifs utilisés dans le traitement endodontique peuvent se briser à l'intérieur du canal radiculaire en raison de la fatigue des matériaux. Une fois cassé, l'extraction de la partie fracturée du canal est un travail difficile et ennuyeux de le patient et le dentiste. Par conséquent, l'alerte d'une fracture imminente lors de l'utilisation clinique ou développer de bonnes stratégies pour augmenter ses propriétés mécaniques sera d'une grande aide pour éviter les complications médicales / juridique. La recherche est étudié à partir de deux parties. La première partie a établi une plate-forme de test standard, simulant plusieurs paramètres de canal, propose une série de stratégies visant à améliorer la vie de la fatigue et des propriétés mécaniques de matériaux. Aussi, un système de surveillance utilisant de réseaux de Bragg (FBG) capteurs a été tentée. la raison de l'utilisation de la glycémie à jeun est sa petite taille qui est très prometteur dans l'intégration avec la pièce à main de l'équipement endodontique. dans le travail actuel, en ramassant et en analysant l'onde de contrainte par transformée de Fourier rapide (FFT), nous peut révéler la variation d'énergie et la fréquence phénomène déplaçant dans certaines fréquences caractéristiques. on espère que, avec ces informations, nous pouvons éviter / atténuer la survenue de fracture inattendue. Comme pour l'essai de fatigue, les données ont montré que la résistance à la fatigue peut être améliorée certain traitement thermique ou à mouvement alternatif méthode de rotation appliqué. tel phénomène peut être étroitement liée à la composition de la phase en ni-Ti en alliage et la contrainte de traction maximale est réduite lorsque le mouvement alternatif appliqué. études ont montré que plus la teneur de la phase martensite dans l'aiguille, l'plus de vie à la fatigue peut être atteint. Cependant, il peut être nécessaire de prendre des compromis avec l'efficacité de coupe de l'aiguille. pour cette question, nous pouvons combiner le traitement cryogénique et traitement thermique pour obtenir une meilleure résistance à la fatigue sans compromettre son efficacité de coupe. La deuxième partie est de fabriquer haute résolution, grande taille de la nouvelle Type aiguilles d'endodontie en utilisant la polymérisation à deux photons (TTP) technique. Le travail se fait à l'université de Joseph-Fourier LiPhy laboratoire, France. Contrairement à la fabrication traditionnelle du PPT, qui avait une limitation de sa taille de produits en raison du faible pouvoir lase, taux de redoublement et piézo entraîné stade, nous utilisons résine Ormocer, 130 kHz, 1W puissant laser de 532 nm à l'étape motorisé étage XY pour fabriquer une grande 800 échafaud um cellulaire bio-compatible et 1.2 cm aiguille de hauteur. aussi, pour améliorer la qualité du produit de TPP, l'approche de correction de la puissance du laser avait été tentée. Pendant TPP fabrication, la forme de focalisation laser changé lorsque la surface de la fabrication a été déplacé dans la direction z. Cela se traduit par le fait que nous avons besoin de plus afin d'assurer la taille de voxel est identique à z différent. pour corriger ce défaut, un procédé pour la correction de la puissance du laser et de la formule pour la puissance de correction sont proposées. la formule est dérivé du concept de maintien de conditions d'exposition identiques.
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Loughnane, Gregory Thomas. "A Framework for Uncertainty Quantification in Microstructural Characterization with Application to Additive Manufacturing of Ti-6Al-4V." Wright State University / OhioLINK, 2015. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=wright1441064431.
Full text
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Nguyen, Thanh Tung. "Modeling of complex microcracking in cement based materials by combining numerical simulations based on a phase-field method and experimental 3D imaging." Thesis, Paris Est, 2015. http://www.theses.fr/2015PESC1152/document.
Full textAbstract:
Une approche combinant simulation numérique et expérimentation est développée pour modéliser la microfissuration complexe dans des matériaux hétérogènes cimentaires. Le modèle numérique proposé a permis de prévoir précisément en 3D l'initiation et la propagation des microfissures à l'échelle de la microstructure réelle d'un échantillon soumis à un chargement de compression. Ses prévisions ont été validées par une comparaison directe avec le réseau de fissures réel caractérisé par des techniques d'imagerie 3D. Dans une première partie, nous développons et testons les outils de simulation numérique. Plus précisément, la méthode de champ de phase est appliquée pour simuler la microfissuration dans des milieux fortement hétérogènes et ses avantages pour ce type de modélisation sont discutés. Ensuite, une extension de cette méthode est proposée pour tenir compte d'un endommagement interfacial, notamment aux interfaces inclusion/matrice. Dans une deuxième partie, les méthodes expérimentales utilisées et développées au cours de cette thèse sont décrites. Les procédures utilisées pour obtenir l'évolution du réseau de fissures 3D dans les échantillons à l'aide de microtomographie aux rayons X et d'essais mécaniques in-situ sont présentées. Ensuite, les outils de traitement d'image utilisant la corrélation d'images volumiques, pour extraire les fissures des images en niveaux de gris avec une bonne précision, sont détaillés. Dans une troisième partie, les prévisions du modèle numérique sons comparées avec les données expérimentales d'un matériau modèle en billes de polystyrène expansé intégrées dans une matrice de plâtre dans un premier temps, et, dans un second temps, d'un béton léger plus complexe. Plus précisément, nous utilisons les données expérimentales pour identifier les paramètres microscopiques inconnus par une approche inverse, et utilisons les déplacements expérimentaux déterminés par corrélation d'images volumiques pour définir des conditions limites à appliquer sur les bords de sous-domaines dans l'échantillon pour les simulations. Les comparaisons directes de réseaux de microfissures 3D et de leur évolution montrent une très bonne capacité prédictive du modèle numériqueAn approach combining numerical simulations and experimental techniques is developed to model complex microcracking in heterogeneous cementitious materials. The proposed numerical model allowed us to predict accurately in 3D the initiation and the propagation of microcracks at the scale of the actual microstructure of a real sample subjected to compression. Its predictions have been validated by a direct comparison with the actual crack network characterized by 3D imaging techniques. In a first part, the numerical simulation tools are developed and tested. More specifically, the phase-field method is applied to microcracking simulations in highly heterogeneous microstructures and its advantages for such simulations are discussed. Then, the technique is extended to account for interfacial cracking, possibly occurring at inclusion/matrix interfaces. In a second part, the experimental methods used and developed in this work are described. The procedures to obtain the evolution of the 3D crack network within the samples by means of X-rays computed microtomography and in-situ mechanical testing are presented. Then, we focus on the developed image processing tools based on digital volume correlation to extract with good accuracy the cracks from the grey level images. In a third part, we compare the predictions of the numerical model with experimental results obtained, first, with a model material made of expanded polystyrene beads embedded in a plaster matrix, and second, to a more complex lightweight concrete. More precisely, we use the experimental data to identify by inverse approaches the local microstructural parameters, and use the experimental displacements measured by digital volume correlation to define boundary conditions to be applied on sub-domains within the sample for the simulations. The obtained direct comparisons of 3D microcrack networks and their evolutions demonstrate the very good predictive capability of the numerical model
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Yang, Zhugen. "3D-Microstructured Protein Chip for Cancer Diagnosis." Phd thesis, Ecole Centrale de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00780192.
Full textAbstract:
Protein microarrays are becoming powerful tools to screen and identify tumor markers for cancer diagnosis, because of the multiplex detection and minute volume of sample requirement. Due to the diversity and variation in different cancers, no single tumor marker is sensitive and specific enough to meet strict diagnostic criteria. Therefore, a combination of tumor markers is required to increase sensitivity and to establish distinct patterns to increase specificity. To obtain reliable tests, the development of reproducible surface chemistry and immobilization procedure are crucial steps in the elaboration of efficient protein microarrays. In this thesis, 3D micro-structured glass slides were functionalized with various surface chemistries like silane monolayer (amino, epoxy and carboxy), and polymer layers of Jeff amine, chitosan, carboxymethyl dextran (CMD), maleic anhydride-alt-methyl vinyl ether copolymer (MAMVE) for physical adsorption or covalent binding with proteins. Surface characterizations, such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), confirmed the monolayer/polymer grafting on the glass slides. Colorimetric assay for determining amine density of three aminated surfaces demonstrated that APDMES had more grafting density than Jeffamine and chitosan. Contact angle measurements show that polymer surfaces were more hydrophilic than monolayer surfaces due to the increasing dosages of polar functional groups. Moreover, the parameters such as additives and pH of spotting buffer, probe concentration, blocking procedures etc, were optimized for tumor marker detection. Under the optimized conditions, antibody microarrays were validated with purified tumor antigens. The best analytical performances obtained for each tumor antigen tested were strongly dependent on functionalized surfaces, e.g. MAMVE exhibited best analytical performances for CEA andHsp60 while NHS leads to best results for PDI and CA19-9. Besides, the implemented antibody microarrays were applied to tumor marker detection from colorectal cancer sera. This evaluation shows the interest to combine several tumor markers on the same surface and the combination of tumor markers on their specific surface lead to remarkably increase the positive responses of tested cancer sera (even up to 100 %). A second type of microarrays (tumor-associated antigens - TAA microarrays) was designed to discriminate breast cancer patients from healthy donors through the detection of tumor autoantibodies. This study included a cohort of 29 breast cancer patients' and 28 healthy donors' sera. A panel of fiveTAAs (Hsp60, p53, Her2, NY-ESO-1 and Hsp70) immobilized on their respective optimized surface chemistry allowed to specifically detect over 82% of breast cancer patients.
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Tusamda, Wakhloo Nayana. "Deformability of cancer cells on 3D microstructured surfaces." Thesis, Mulhouse, 2018. http://www.theses.fr/2018MULH2259.
Full textAbstract:
Cette thèse traite de la compréhension du comportement de différents types de cellules cancéreuses sur des surfaces microstructurées. Nous avons étudié le comportement de cellules issues d’ostéosarcome (SaOS-2) et en particulier leur déformation nucléaire sur des micro-piliers confinés. Nous avons analysé le rôle du cytosquelette, des adhésions focales (AF), du nucléosquelette (LINC et lamin A) et de la chromatine, sur cette déformation. L'actomyosine et les filaments intermédiaires de vimentine jouent un rôle crucial dans l'orchestration de la déformation nucléaire. Nous avons constaté que la disposition des AF était principalement sur les parois latérales des piliers et que la connexion LINC-cytosquelette était essentielle pour le processus de déformation nucléaire contrairement à la lamine A. En utilisant des modulations chimio-topographiques des micro-piliers et un modèle de simulation numérique, nous avons démontré que ce sont les forces de traction et non pas les forces de poussée qui permettent la déformation cellulaire et nucléaire des cellules d'ostéosarcome.Nous avons également étudié la déformation nucléaire de SaOS-2 sur des micropiliers en hydrogel présentant différentes chimies et rigidités. Nous avons vu que la morphologie cellulaire, l'organisation de l'actine et le comportement des AF étaient modulés par la chimie et la mécanique du substrat. Pour explorer le rôle de l’origine du cancer, nous avons examiné le comportement de divers carcinomes du côlon sur des microtopographies différentes et constaté que les cancers d'origine épithéliale étaient moins sensibles à la microtopographie que les cellules cancéreuses d'origine mésenchymateuse. Par contre, leur comportement était affecté de manière plus visible sur des grandes cavités plus proches en termes de taille de celles des cryptes et villosités intestinalesThis thesis deals with understanding behaviour of different cancer cell types on microstructured topography. We studied the behaviour of osteosarcoma cell line (SaOS-2) on confined micropillar structures and in particular their nuclear deformation. We analysed the role of the cytoskeleton, focal adhesions (FAs), nucleoskeleton (LINC and lamin A) and chromatin in SaOS-2 deformation on micropillar topography. Actomyosin and vimentin intermediate filament were shown to play a crucial role in orchestrating nuclear deformation. We found that FAs arrangement was mostly on side walls of pillars and that the LINC-cytoskeletal connection was essential for the nuclear deformation process but not lamin A. Employing chemo-topography modulations of pillars and a computational simulation model we demonstrated that the pulling down forces and not pushing down forces drive the cellular-nuclear deformation in osteosarcoma cells. We also studied the nuclear deformation of SaOS-2 on hydrogel micropillars with different stiffness and chemistry. We saw that cell morphology, actin organization and FAs behaviour was modulated by the substrate mechanics and chemistry. To explore the role of cancer origin, we examined the behaviour of various colon carcinomas on various micro-topographies and found that the epithelial origin cancers are less responsive to microscale topography compared to mesenchymal origin cancerous cells. However, their behaviour was affected on large pits which resembled the intestinal crypt and villi arrangement in terms of size
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Anders, Sebastian [Verfasser]. "Interactions between biosystems and 3D microstructured surfaces / Sebastian Anders." München : Verlag Dr. Hut, 2019. http://d-nb.info/1181514142/34.
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Caccuri, Vincenzo. "Etude des propriétés mécaniques de technologies de report de puce pour électronique de puissance : influence du vieillissement." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2014. http://www.theses.fr/2014ESMA0002/document.
Full textAbstract:
Les contraintes environnementales imposent de trouver des solutions pour limiter les émissions gazeuses (gaz à effet de serre) ainsi que d’éliminer les matériaux nocifs dans les produits de consommation. L’étude de solutions alternatives devient donc un point clé au développement des produits futurs. Dans ce contexte, les véhicules électriques et hybrides sont en forte progression sur le marché mais leur développement commercial reste fortement lié à leur fiabilité, plus particulièrement à celle des organes contrôlés par l’électronique de puissance. Notre étude s’inscrit dans ce cadre et se focalise sur la pâte d’argent micrométrique, matériau candidat au remplacement des solutions à base de plomb pour le report des puces. Si la pâte d’argent est assez bien caractérisée pour ses propriétés électriques, peu de données sont reportées dans littérature quant à ses propriétés mécaniques, pourtant indispensables pour appréhender la durée de vie des assemblages complets. Dans la thèse, une méthode originale d’élaboration des échantillons a été développée. Basée sur les recommandations d’utilisation donnée par le fournisseur, elle a été adaptée afin de d’obtenir des échantillons massifs dont la microstructure brute et après vieillissement en température est identique à celle des brasures réelles. Après élaboration, le taux porosité, compris entre 15 % et 20 %, n’évolue pas au cours de vieillissements représentatifs des conditions d’utilisation réelles. Seule la morphologie des pores évolue, pour laquelle un grossissement, respectant les cinétiques du mûrissement d’Ostwald, et une évolution de la distribution spatiale est observée. Les propriétés mécaniques sont une fonction de la densité à l’état brut. Après vieillissement des échantillons massifs, si les propriétés élastiques ne varient pas (à densité constante), la dispersion des propriétés plastiques sont reliées à la modification de la distribution spatiale des pores. L’évolution des propriétés élastiques sur les échantillons représentatifs des brasures est attribuée aux mécanismes de relaxation des contraintes d’élaboration. Une fois celles-ci relaxées, les propriétés sont identiques pour les deux états (massif et couche mince) et sont donc intrinsèques au matériauThe requirement for reducing the use of harmful materials in convenience goods hasprompted investigation into alternative solutions. Along with the need to drastically limit theemission of greenhouse gases, the increase of electric or hybrid vehicles in the market reliesmostly on their dependability with a specific focus on reliability of the embedded powerelectronics. The study of alternative materials to lead (Pb) or Pb-based alloys for die bondingis a critical step towards realising an environmentally friendly solution. Micrometric silverpaste was chosen as a candidate because of its excellent electrical properties. However, fewdata are available in the literature concerning its mechanical properties, mandatory to modelthe entire electronic system for service life assessment. The processing route, based on thesintering of micrometric powder, provides a material with significant porosity that is knownto alter the mechanical properties when compared to the dense material. In this thesis, anoriginal processing route was developed in order to obtain bulk samples with the samemicrostructure of real solder joints either before or after ageing. The mechanical properties vsdensity was established prior to or after aging. After aging, the elastic properties do not varywhile the dispersion observed for the plastic properties is connected with the microstructureevolution. The evolution of the elastic properties on the representative samples of solder jointsafter aging is attributed to the mechanisms of stress relaxation. Once these relaxed, theproperties are identical for both states (bulk and thin layer) and are thus intrinsic in thematerial
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Engkvist, Gustav. "Investigation of microstructure and mechanical properties of 3D printed Nylon." Thesis, Luleå tekniska universitet, Institutionen för teknikvetenskap och matematik, 2017. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-66304.
Full textAbstract:
This thesis presents a multiscale investigation and characterization of additive manufactured Polyamide material using fused deposition modelling technique. Manufacturing was performed using Markforgeds – Mark one 3D printer. A multiscale investigation dedicated to minimizing the effect of shape distortion during 3D printing are presented, focusing on both molecular alignment in microstructure and implementing internal structures in mesostructure. Characterization on samples investigating microstructure was performed with coefficient of linear thermal expansion measurement and 3-point bending experiment. Different samples with varying infill patterns are tested and results indicates an isotropic behaviour through the manufactured samples and implies no molecular alignment due to printing pattern. In meso-structure, an implemented internal pattern is investigated. All samples are measured with 3D scanning equipment to localize and measure the magnitude of shape distortion. Attempts to find relationships in shape distortion and porosity between the samples resulted in no observed trends. Compressive experiments where performed on samples in axial- and transverse directions resulting in anisotropic behaviour. The largest compressive stiffness is recorded in axial direction reaching 0,33 GPa. The study is done in collaboration with Swerea SICOMP and Luleå University of Technology.
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Moneghan, Matthew John. "Microstructural Deformation Mechanisms and Optimization of Selectively Laser Melted 316L Steel." Thesis, Virginia Tech, 2020. http://hdl.handle.net/10919/104170.
Full textAbstract:
In this paper, a novel approach is utilized to investigate the deformation mechanisms at the microstructural level in 3D printed alloys. The complex in-situ heat treatments during 3D printing leaves a unique and complicated microstructure in the as-built 3D printed metals, particularly alloys. The microstructure is made of a hierarchical stacking of some interconnected geometrical shapes, namely meltpools, grains, and cells. These are connected to each other by boundaries that might have different element compositions, and consequently, material properties, compared to the interior region of each geometrical unit. Deformation mechanisms in this microstructure are still highly unexplored, mainly because of the challenges on the way of performing experiments at the micrometer length scale. In this work, we establish an image processing framework that directly converts the SEM images taken from the microstructure of 3D printed 316L stainless steel alloys into CAD models. The model of the complicated microstructure is then scaled up, and the scaled model is 3D printed using polymeric materials. For 3D printing these samples, two polymers with contrasting mechanical properties are used. Distribution of these two polymers mimics the arrangement of soft and stiff regions in the microstructure of 3D printed alloys. These representative samples are subjected to mechanical loads and digital image correlation is utilized to investigate the deformation mechanisms, particularly the delocalization of stress concentration and also the crack propagation, at the microstructural level of 3D printed metals. Besides experiments, computational modeling using finite element method is also performed to study the same deformation mechanisms at the microstructure of 3D printed 316L stainless steel. Our results show that the hierarchical arrangement of stiff and soft phases in 3D printed alloys delocalizes the stress concentration and has the potential to make microstructures with significantly improved damage tolerance capabilities.Master of Science
Many researchers have studied the impacts of laser parameters on the bulk material properties of SLM printed parts; few if any have studied how these parts break at a microstructural level. In this work we show how SLM printed parts with complex microstructures including grains, meltpools, and cells, deform and break. The cellular network that occurs in some SLM printed parts leads to a multi-material hierarchical structure, with a stiff network of thin boundaries, and a bulk "matrix" of soft cell material. This leads to similar properties as some composites, whereby the stiff network of cell boundaries leads to increased damage tolerance. We show both computationally through finite element analysis, and experimentally through multi-material 3D fabrication, that the microstructure leads to increased crack length in failure, as well as lower toughness loss and strength loss in the event of a crack. Essentially, the complex nature of the formation of these parts (high heating and cooling rates from laser melting) leads to a beneficial microstructure for damage tolerance that has not been studied from this perspective before.
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Alankar, Alankar. "Development of a 3D microstructure sensitive crystal plasticity model for aluminum." Pullman, Wash. : Washington State University, 2010. http://www.dissertations.wsu.edu/Dissertations/Spring2010/A_Alankar_020910.pdf.
Full text
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Ma, Lin. "Multi-scale 3D imaging of the microstructure in organic-rich shales." Thesis, University of Manchester, 2016. https://www.research.manchester.ac.uk/portal/en/theses/multiscale-3d-imaging-of-the-microstructure-in-organicrich-shales(514544f2-39f8-4fe2-b8f4-fecb27380c10).html.
Full textAbstract:
Technological advances in horizontal drilling and hydraulic fracturing have paved the way for the exploration and production of shale gas and shale oil, the fastest growing energy sector globally. The imaging and quantification of the geometry, sizes, network and distribution of extremely fine-grain minerals, organic matter and pores are a significant component for the macroscopic and microscopic characterisation of shale reservoirs but is also highly challenging. X-ray computed tomography (XCT) combined with 3D Electron Microscopy (EM) are used to address this challenge and give us information in 3D from multiple length scales over 3 orders of magnitudes: mesoscale (R1), microscale (R2), submicron-scale (R3), low-resolution nanoscale (R4) and high-resolution nanoscale (R5) with spatial resolutions of ~10micro metre, ~1micro metre, ~130 nm, ~50nm and ~5nm, respectively. The multi-scale imaging and quantification method was initially applied here to the Carboniferous Bowland Shale, the largest potential shale gas play in the UK. The appropriate length scales (both field of view and voxel size) of specified phases such as pores, organic matter, clay minerals and non-clay minerals were analysed. The low connectivity of pores and high connectivity of organic matter suggests that the 20 nm and larger pores imaged did not form connected flow paths, demonstrating that porous gas flow through this sample cannot be the main transport mechanism and diffusive transport through the organic matter and clay minerals must also be considered. Then, the variation of organic matter and pore distribution along a TOC gradient were analysis on Lublin gas-mature shale samples in Poland and Baltic oil-mature shale samples in Lithuania. The results show intergranular pores dominated in this series of samples, including organic interface pores and inter-mineral pores, which further confirm that organic matter is not the primary influencing factor for porosity, but the clay minerals. Finally, a novel multi-stage workflow of pore system is proposed relying on both image quantification and numerical modelling of geological features with studies in Jurassic Haynesville shale in the US. Three stages are divided according to pore variation, mineral variation and microfacies variation across four distinct length scales (R1-R4/R5), and permeability was simulated based on the upscaled pore system. The final computed porosity and permeability shows acceptable errors when compared with the helium porosity and press decay permeability. Beyond the lab measurements, the pore occurrence and size distribution were computed in the upscaling process. The combining of XCT and 3D-EM provides a powerful tool for the multi-scale imaging and quantification of microstructural information in shales, allowing the visualization of pores, organic matter and inorganic mineral phases over a range of scales over three orders of magnitude (~ 10 micro metre to ~ 5 nm), and the volume fraction of each phases shows a reasonable correlation to traditional physical and chemistry quantification data. The further studies, such as the variation of organic matter and pores, upscaling of porosity and permeability presented in this study, has verified the feasibility of the proposed multi-scale method and promises a bit potential for reservoir prediction and other challenges in geological studies.
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Alshehri, Saad. "Proton beam writing of 3D-microstructure for microfluidics and MEMS applications." Thesis, University of Surrey, 2016. http://epubs.surrey.ac.uk/809695/.
Full textAbstract:
This thesis describes the use of proton beam writing (PBW) for the fabrica- tion for microfluidic and microelectromechanical system (MEMS) devices. In particular, the fabrication of three-dimensional (3D) micro or nanostruc- tures with high aspect ratios is of growing interest in these fields. PBW is the only technique that has the capability to satisfy these requirements while providing full control of the geometrical parameters, such as the sur- face roughness and side wall angle. This technique is a direct microfabri- cation method that employs a focused, energetic (MeV) proton beam to structure the input pattern in resist materials. In the present work, a network of buried channels is fabricated as part of a project to develop a functional microfluidic device for neuronal studies and self-powered microfluidics (capillary micropump). Proton beam with energies of 0.75 to 2.5 MeV is used to fabricate the channels in 3D with a minimum feature size of approximately 1 μm and depths of 40 to 60 μm. The roughness of the sidewalls of the written channels is approximately 3 nm root mean square roughness (Rrms). Radio frequency (RF) MEMS switches, which consist of an overhanging structure, are also written using PBW, and new MEMS switch designs are proposed. These designs are constructed so as to provide full control of the main cantilever beam parameters, such as the thickness, spring constant, and actuation. The three main stages of the lithography process, i.e., pre-exposure, expo- sure, and post-exposure, are investigated and optimised for application to poly(methyl methacrylate)(PMMA), pure SU-8 polymer, and SU-8/silver- nanoparticle nanocomposites (SU-8/AgNp). During the exposure process, the proton beam energies, doses, and scanning method are also optimised, in order to attain a good-quality structure (i.e., a robust structure with smooth and straight walls). The mechanical and electrical properties of the nanocomposites, which are irradiated with a range of proton beam doses, are measured. Note that the structures written in this work are numerically validated prior to the writing process using COMSOL Multiphysics �R software. The fluid flow in the written buried channels is investigated using numerical methods.
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Alloing-Séguier, Léanie. "Modélisation de la microstructure de l’émail des mammifères : analyses 2D + 3D et approche Évo-Dévo." Thesis, Montpellier 2, 2014. http://www.theses.fr/2014MON20191.
Full textAbstract:
La microstructure de l'émail est étudiée depuis longtemps, mais ses modalités de formation sont encore floues. J'ai employé une approche multi-disciplinaire alliant paléontologie et biologie cellulaire dans une perspective évolution-développement afin de parvenir à une vision intégrée et en profondeur de la microstructure, de sa morphologie et de ses modes de formation. J'ai ainsi pu décrire en 2D l'évolution de la microstructure chez un grand groupe de mammifères fossiles et actuels, les cétartiodactyles, qui ont révélé que tous les caractères de l'émail ne se valent pas, et font état de différentes contraintes développementales les rendant plus ou moins labiles aux changements évolutifs. J'ai également travaillé au niveau cellulaire et en 3D avec des modèles actuels, en particulier des rongeurs, sur les rapports entre les prismes d'émail et leurs cellules sécrétrices, les améloblastes, révélant que l'agencement de ces derniers contribue en grande part à la morphologie de la microstructure. Enfin, j'ai réalisé une démarche de synthèse, en proposant un modèle de la microstructure de l'émail chez les mammifères sur la base de mes données 2D+3D. Il en est ressorti d'une part un nouveau logiciel de reconstruction virtuelle de la microstructure, Simulémail, et il a été mis en évidence différents moyens de générer la décussation chez les mammifères, ainsi que les probables mécanismes développementaux sous-jacentsI approached enamel microstructure's morphology and modes of formation with a dual angle, combining paleontological and cellular biology observations, in 2D and 3D. Studying microstructure of extinct and extant Cetartiodactyla in a phylogenetic context, I discovered that some enamel characters are more likely to evolve and change than others, which is linked to different developmental constrains. I also explored microstructure through the relationship between enamel prisms and ameloblasts, the enamel-secreting cells, showing that the arrangement of the cells is directly associated with the prisms'. Then, combining these data, I constructed a model of mammalian enamel microstructure based on 2D and 3D observations and suggested underlying cellular mechanisms, and created a new software dedicated to enamel reconstruction, Simulémail, based on this model. It helped to show that microstructure is not always created the same way for different mammals, and allowed to explore enamel characters efficiently
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Marijon, Jean-Baptiste. "Caractérisation 3D de la microstructure et des déformations élastiques des polycristaux par microdiffractiodiffraction Laue." Thesis, Paris, ENSAM, 2017. http://www.theses.fr/2017ENAM0023/document.
Full textAbstract:
La caractérisation des contraintes internes présentes dans les matériaux de structure ou fonctionnels est primordiale pour une optimisation de leurs propriétés et de leur tenue en service. Ce travail de thèse est une contribution au développement d'une technique de microscopie par diffraction des rayons X, appelée "Differential Aperture X-ray Microscopy", (DAXM, permettant la caractérisation 3D et non-destructive de la microstructure de matériaux cristallins et des contraintes internes présentes dans le matériau. Cette technique est basée sur l'utilisation du rayonnement synchrotron; nous avons utilisé la ligne CRG BM32 du synchrotron européen ESRF. Le faisceau de rayons incident est polychromatique (5-25keV) et fortement focalisé (section sub-micrométrique). En raison la pénétration du faisceau dans le matériau, qui est typiquement de quelques dizaines de microns, l'image de diffraction collectée est une superposition des diagrammes de Laue de tous les cristaux situés sur le trajet du faisceau incident. La DAXM utilise, en supplément de la microdiffraction Laue "classique", un masque mobile (ici un fin fil de tungstène) qui absorbe une partie des faisceaux diffractés. L'analyse de l'évolution des niveaux de gris des pixels de l'image en fonction de la position du masque permet non seulement de reconstruire la microstructure du matériau en profondeur mais aussi d'accéder à la distribution 3D des déformations élastiques (et des contraintes associées). L'un des avantages de la DAXM est sa résolution spatiale, de l'ordre du micromètre, qui permet d'envisager l'analyse des concentrations de contraintes dans les matériaux polycristallins, dans le cadre des approches micromécaniques expérimentales.Le travail mené dans cette thèse avait pour but d'améliorer le dispositif expérimental existant,de mettre en place la formulation théorique du problème, et de développer les outils numériques permettant le traitement des données.Du point de vue expérimental, nous avons notamment développé une machine d'essai mécanique in-situ (flexion 4-points) adaptée à la ligne BM32, et nous proposons un masque multi-fil qui devrait permettre de réduire significativement la durée de l'acquisition des données.Nous avons établi les équations de triangulation reliant la position des pixels du détecteur,la position du fil, et la profondeur de la source le long du faisceau incident. On montre ainsi que la reconstruction 3D nécessite une procédure de dérivation des niveaux de gris; nous nous sommes limités dans ce travail à une dérivation par différence finie d'ordre 1, qui reste sensible au bruit d'image. Ces équations font apparaître la nécessité de déterminer la géométrie du montage avec grande précision. On propose pour cela l'utilisation de la fluorescence de l'échantillon. On adjoint aux équations géométriques une description mathématique simplifiée de l'atténuation du faisceau par l'échantillon, prenant en compte un coefficient d'absorption unique. Le modèle de calibration est testé sur plusieurs matériaux, avec de très bons résultats.La capacité de la DAXM à reconstruire une microstructure est testée sur des échantillons modèles pour lesquels la géométrie 3D de la microstructure est parfaitement connue : empilement de fin fils de GaN sur un substrat, et plan de macle dans un polycristal d'acier inoxydable (316L). On montre que la résolution de la DAXM est variable d'un pixel à l'autre du détecteur; la microstructure peut cependant être reconstruite avec une précision de l'ordre du micromètre.La DAXM est ensuite testée sur un échantillon d'UO2 implanté d'ions Kr, créant une couche de surface d'épaisseur micrométrique fortement déformée (collaboration CEA-Cadarache). On observe que la méthode de reconstruction proposée produit d'importants artefacts, qui sont dus à la transmission variable des faisceaux diffractés dans le masque. Nous mettons en place la formulation permettant de prendre en compte cet effetThe characterization of the internal stresses present in structural or functional materials is essential for an optimization of their properties and their durability in service. This thesis work is a contribution to the development of the so-called '' Differential Aperture X-ray Microscopy'' (DAXM) technique, allowing 3D and non-destructive characterization of the microstructure of crystalline materials and internal stresses. This technique makes use of synchrotron radiation; we used the beamline CRG BM32 of the European synchrotron ESRF. The polychromatic and highly focused incident beam penetrates the sample, and the collected diffraction image is a superimposition of the Laue diagrams of all the crystals located along the path of the incident beam. The DAXM uses, in addition to the "conventional" Laue microdiffraction technique, a moving mask that absorbs part of the diffracted beams. The analysis of the evolution of the gray levels of the image pixels as a function of the position of the mask makes it possible not only to reconstruct the microstructure of the material at depth but also to access the 3D distribution of the elastic deformations (and associated stress). One of the advantages of the DAXM is its spatial resolution, of the order of a micrometer, which makes it possible to envisage the analysis of stress concentrations in polycrystalline materials, within the framework of experimental micromechanical approaches.The work carried out in this thesis was aimed at improving the existing experimental system,to put in place the theoretical formulation of the problem, and to develop the numerical tools allowing the processing of the data.From an experimental point of view, we have developed an in-situ mechanical test device (4-point bending) adapted to BM32, and we propose a multi-wire mask to significantly reduce the data acquisition time.We have established the geometric equations of the problem. It is thus shown that the 3D reconstruction requires a gray scale derivation procedure. This work is limited to the use of a finite difference derivation method of order 1, which remains sensitive to image noise. These equations show the need to determine the geometry of the setup with great precision. For this purpose, the use of the fluorescence of the sample is proposed, coupled with a simplified description of the beam attenuation by the sample taking into account only a single absorption coefficient. The calibration model is tested on several materials, with very good results.The capacity of the DAXM to reconstruct a microstructure is tested on model samples for which the 3D geometry of the microstructure is perfectly known: a stack of GaN wires on a substrate, and a twin plane in a stainless steel polycrystal. It is shown that the resolution of the DAXM is variable from one pixel to the other of the detector; the microstructure can however be reconstructed with an accuracy of the order of one micrometer.The DAXM is then tested on a sample of UO2 implanted by Kr ions, creating a highly deformed surface layer with micrometric thickness (collaboration with CEA-Cadarache). It is found that the proposed reconstruction method is affected by the variable transmission of the diffracted beams in the mask. We propose a formulation that takes this effect into account
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Doherty, Sharon Marie. "Advanced imaging and 3D measurement of microstructure in food emulsions and foams." Thesis, University of Ulster, 2010. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.551598.
Full textAbstract:
Standard commercially available food emulsions and foams, mayonnaise and ice cream respectively, have been examined by both ambient temperature transmission electron microscopy (TEM) and cryo-Dualbeam FIB/SEM and analysed by the 'One Stop Stereological' (OSS) method. In addition a series of specially produced mayonnaise samples with differing viscosities were examined and compared with the standard full fat and half fat mayonnaise samples. Furthermore a sub-optimally produced ice cream specimen was compared with the standard ice cream. Specimens were compared for quality of qualitative information in electron micrographs in both TEM and cryo-Dualbeam FIB/SEM following either chemical fixation for TEM of cryo preservation for SEM and FIB milling. Quantitative 3D structural geometrical data was obtained through the use of ass, on the Mercator (ExploraNova) software system. This estimates 1 st the order stereological quantities volume and surface density and star volume. In addition it gives the 2nd order covariance and cross covariance estimators. In mayonnaise oil, water and citrus fibres were measured. In ice cream air, ice and a continuous matrix were measured. The findings concluded that 1) cryo Dualbeam ™ (FIB/SEM)is superior to non-cryo TEM when measurement of structural geometry is planned; 2) stereo logical measurements are sensitive in detecting minimal changes about the structure function arrangements within food foams and emulsions; 3) the use of grazing incidence FIB planing considerably enhances the efficiency of specimen preparation; 4) a series of mayonnaise samples with different viscosities when analysed led to results that appear to be directly related to their differing physical properties; 5) comparison of ice cream, as in 4) above, with samples prepared optimally and sub-optimally detected significant differences in their 3D structure; 6) the use of 1 st and 2nd order stereological techniques are set to increase in use for analysing food emulsions and foams with respect to production control.
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Velichko, Alexandra. "Quantitative 3D characterization of graphite morphologiesin cast iron using FIB microstructure tomography." Aachen Shaker, 2008. http://d-nb.info/992480035/04.
Full text
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Oudinet, Ghislain. "Analyse d'images et modélisation 2D/3D de la microstructure du combustible MOX." Saint-Etienne, 2003. http://www.theses.fr/2003STET4011.
Full textAbstract:
La microstructure du combustible nucléaire MOX, élaboré à partir de UO2 et de PuO2, détermine son comportement en réacteur. Le CEA et la COGEMA portent un intérêt grandissant à sa caractérisation par imagerie, objet du présent travail. Les algorithmes de segmentation qui sont développés ici s'appuient sur des images issues d'une microsonde et d'un MEB, pour analyser la répartition du plutonium et des porosités dans les pastilles de combustible. Ils sont novateurs, automatisés et assez robustes pour être utilisés sur un faible nombre de données. Ils ont été testés avec succès sur différents combustibles, avant et après irradiation. Des informations tridimensionnelles ont été calculées à l'aide d'un algorithme génétique. Les distributions en taille d'objet 3D obtenues ont permis de modéliser en volume différents combustibles industriels et de recherche. La reconstruction 3D est fiable et stable, et ouvre de nombreuses perspectives, dont l'étude du comportement sous irradiation du MOXThe microstructure of the MOX fuel, made with UO2 and PuO2, determines his " in pile " behavior. The french companies CEA and COGEMA are highly interested in its description by image analysis, which is the object of the present work. The segmentation algorithms described here use pictures issued from a microprobe and a SEM, to analyse the plutonium and porosity distribution in the fuel pellets. They are innovating, automated and robust enough to be used with a small data set. They have been successfully tested on different fuels, before and after irradation. Three-dimensional informations have been computed with a genetic algorithm. The obtained 3D object size distributions allowed the modeling of many different industrial and research fuels. 3D reconstruction is accurate and stable, and provides a basis for different studies among which the study of the MOX fuel " in pile " behavior
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Matějka, Milan. "Technologie přípravy hlubokých struktur v submikronovém rozlišení." Doctoral thesis, Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2017. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-256584.
Full textAbstract:
The dissertation thesis is focused on research and development in the field of microfabrication by the technology of electron beam lithography. In the first part of this work, the extensive study is conducted in the field of technology of electron beam lithography in terms of physical principles, writing strategies and resist materials. This is followed with description of physical principles of etching for the transfer of relief structures into substrates. The thesis describes innovative techniques in modelling, simulation, data preparation and optimization of manufacturing technology. It brings new possibilities to record deep binary or multilevel microstructures using electron beam lithography, plasma and reactive ion etching technology. Experience and knowledge in the large area of microlithography, plasma and anisotropic wet-etching of silicon have been capitalized to the design process of manufacturing of nano-patterned membranes. It was followed with practical verification and optimization of the microfabrication process.
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Mosaliganti, Kishore Rao. "Microscopy Image Analysis Algorithms for Biological Microstructure Characterization." The Ohio State University, 2008. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1211390127.
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Lövy, Vít. "Získání 3D informací o struktuře vyvíjeného materiálu Si3N4 pro válcovávání legovaných drátů." Master's thesis, Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2014. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-231720.
Full textAbstract:
This diploma thesis is devoted to the use of 3D reconstruction using EBSD method for microstructural analysis of silicon nitride ceramic material predetermined for the rolling-mill used in the wire production. Application of this method can be used for the grain structure reconstruction and basic microstructural parameters can be than extracted. The development of a suitable method for 3D reconstruction of the structure of the materials the main aim of this work. There are described the different steps begun by sample preparation from the investigated material trough the optimisation of analysis parameters up to the visualization of the grain structure. New type of sample geometry has been designed which leads to the better and faster observation of the microstructure of ceramic materials. This thesis also describes optimal reconstruction parameters such as the geometry of the assembly used in the microscope without mechanical movement of the sample or the influence of conductive coating prepared via in-situ sputtering of suitable metal, or adjustment of the electron and ion beams. Further are described two options of software which can be used for the final generation of 3D structure information and are assessed their advantages and disadvantages. The effect of the filter setting and other parameters and their influence on the resulting structural parameters are also evaluated.
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Dang, Ning. "3d visualization for microstructure characteristics and damage evolution in dual phase titanium alloy." Thesis, Lyon, 2019. http://www.theses.fr/2019LYSEI053.
Full textAbstract:
Le titane et ses alliages, qui possèdent des propriétés intégrées, notamment une faible densité, une résistance spécifique élevée et une excellente résistance à la corrosion, sont des "bêtes de somme" dans le domaine des industries modernes. Au cours des dernières années, avec le développement des technologies industrielles, nous avons imposé des exigences strictes aux propriétés des composants fabriqués en alliages de titane dans des environnements difficiles. Comment explorer d'autres propriétés potentielles dans les alliages de titane? Une telle question a attiré les yeux des chercheurs. Par conséquent, afin de révéler de manière intensive le micromécanisme des dommages et des fractures pour les alliages de titane, il est tout à fait nécessaire de renforcer nos connaissances sur les caractéristiques de la microstructure et les caractéristiques d'évolution des dommages, en particulier sur l'interaction entre les caractéristiques de la microstructure et le développement des vides. Dans cette thèse, visant à la variation des morphologies de la microstructure au cours du développement des dommages, basée sur une approche de tomographie par rayons X (tomographie à rayons X), une méthodologie intégrée comprenant une expérience in situ et une simulation CP (Crystal Plasticity) a été mise en œuvre pour morphologies de microstructure et comportement de nucléation / propagation de vide de l'alliage Ti-6Al-4V (TA6V) au cours de l'évolution des dommages. En outre, avec l’aide d’une modélisation RVE (élément de volume représentatif) réaliste basée sur la microstructure et d’une simulation de déformation subséquente, combinant post-mortem par SEM / EBSD, nous avons révélé le mécanisme de développement des dommages en analysant de manière approfondie les caractéristiques de fracture. Enfin, la corrélation entre microstructure et évolution est discutée sur la base de simulations et d’expériencesTitanium and its alloys, which have integrated properties including low density, high specific strength and excellent corrosion resistance, are "workhorses" in the field of modern industries. In recent years, with the development of industrial technologies, we have strict requirements on the properties of components made by titanium alloys in severe environment. How to explore further potential properties in titanium alloys? Such question has attracted researchers' eyes. Therefore, in order to reveal the micro-mechanism of damage and fracture for titanium alloys intensively, it is quite necessary to enhance our knowledge on the microstructure characteristics and damage evolution features, particularly on the interplay between microstructure characteristics and voids development. In this thesis, aiming at the variation of microstructure morphologies during damage development, based on X-ray computed tomography (X-ray CT) approach, an integrated methodology containing in situ experiment and CP (Crystal Plasticity) simulation was implemented to focus on the microstructure morphologies and void nucleation / propagation behavior of Ti-6Al-4V (TA6V) alloy during damage evolution. Besides, with the help of realistic microstructure-based RVE (Representative Volume Element) modeling and subsequent deforming simulation, combining with post-mortem by SEM / EBSD, we have revealed the mechanism for damage development by severely analyzing the fracture features. Finally, the correlation between microstructure and evolution is discussed on the basis of simulations and experiments
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Asfaw, Habtom Desta. "Multifunctional Carbon Foams by Emulsion Templating : Synthesis, Microstructure, and 3D Li-ion Microbatteries." Doctoral thesis, Uppsala universitet, Strukturkemi, 2017. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-312897.
Full textAbstract:
Carbon foams are among the existing electrode designs proposed for use in 3D Li-ion microbatteries. For such electrodes to find applications in practical microbatteries, however, their void sizes, specific surface areas and pore volumes need be optimized. This thesis concerns the synthesis of highly porous carbon foams and their multifunctional applications in 3D microbatteries. The carbon foams are derived from polymers that are obtained by polymerizing high internal phase water-in-oil emulsions (HIPEs). In general, the carbonization of the sulfonated polymers yielded hierarchically porous structures with void sizes ranging from 2 to 35 µm and a BET specific surface area as high as 630 m2 g-1. Thermogravimetric and spectroscopic evidence indicated that the sulfonic acid groups, introduced during sulfonation, transformed above 250 oC to thioether (-C-S-) crosslinks which were responsible for the thermal stability and charring tendency of the polymer precursors. Depending on the preparation of the HIPEs, the specific surface areas and void-size distributions were observed to vary considerably. In addition, the pyrolysis temperature could also affect the microstructures, the degree of graphitization, and the surface chemistry of the carbon foams. Various potential applications were explored for the bespoke carbon foams. First, their use as freestanding active materials in 3D microbatteries was studied. The carbon foams obtained at 700 to 1500 oC suffered from significant irreversible capacity loss during the initial discharge. In an effort to alleviate this drawback, the pyrolysis temperature was raised to 2200 oC. The resulting carbon foams were observed to deliver high, stable areal capacities over several cycles. Secondly, the possibility of using these structures as 3D current collectors for various active materials was investigated in-depth. As a proof-of-concept demonstration, positive active materials like polyaniline and LiFePO4 were deposited on the 3D architectures by means of electrodeposition and sol-gel approach, respectively. In both cases, the composite electrodes exhibited reasonably high cyclability and rate performance at different current densities. The syntheses of niobium and molybdenum oxides and their potential application as electrodes in microbatteries were also studied. In such applications, the carbon foams served dual purposes as 3D scaffolds and as reducing reactants in the carbothermal reduction process. Finally, a facile method of coating carbon substrates with oxide nanosheets was developed. The approach involved the exfoliation of crystalline VO2 to prepare dispersions of hydrated V2O5, which were subsequently cast onto CNT paper to form oxide films of different thicknesses.
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Yang, Xuan. "Three-dimensional Characterization of Inherent and Induced Sand Microstructure." Diss., Georgia Institute of Technology, 2005. http://hdl.handle.net/1853/7557.
Full textAbstract:
In the last decade, a significant amount of research has been performed to characterize the microstructure of unsheared and sheared triaxial sand specimens to advance the understanding of the engineering behavior of soils. However, most of the research has been limited to two-dimensional (2-D) image analysis of section planes that resulted in loss of information regarding the skeleton of the soil (pore structure) and other attributes of the three-dimensional (3-D) microstructure. In this research, the 3-D microstructures of triaxial test specimens were, for the first time, characterized. A serial sectioning technique was developed for obtaining 3-D microstructure from 2-D sections of triaxial test specimens. The mosaic technique was used to get high-resolution large field of view images. Various 3-D characterization parameters were used to study the microstructures of the specimens.
To study the preparation method induced variation in soil microstructure, two specimens prepared with air pluviation and moist tamping methods were preserved with epoxy impregnation. A coupon was cut from the center of each specimen, and following a serial sectioning and image capture process, the 3-D structure was reconstructed. To study the evolution of structure during shearing tests, two additional specimens prepared to the same initial conditions with the same methods were subjected to axial compression loading under constant confining pressure up to an axial strain level of 14%. After shearing, the structure of these specimens were also preserved and analyzed following the same procedures as the unsheared specimens. The evolution of the pore structures was investigated accordingly.
It was found that generally, moist tamped specimens were initially less uniform but had a more isotropic structure than air pluviated specimens. The standard deviations of 2-D local void ratio and 3-D pore size in dilated regions of sheared air pluviated and moist-tamped specimens were found to be smaller than those of as-consolidated specimens at a given void ratio. Tortuosity decreased with increasing pore size. It was also evident that the soil structures evolved differently depending on the initial structure. Comparison between 2-D and 3-D results indicated that it is not sufficient to use 2-D section information for characterizing some microstructural features.
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Dumont, Mikaël. "Composites Carbone/Carbone 3D densifiés par imprégnation/carbonisation de brai mésophasique." Bordeaux 1, 2001. http://www.theses.fr/2001BOR12344.
Full textAbstract:
L'utilisation des composites C/C reste encore très limitée; des efforts importants sont menés pour développer de nouveaux procédés de fabrication moins coûteux. L'objectif de cette recherche était d'évaluer la potentialité d'une nouvelle génération de brai synthétique 100% anisotrope à taux de coke élevé comme précurseur de matrice de carbone. A partir des caractérisations du brai et de son comportement lors de la pyrolyse, un procédé de densification à basse pression a été développé. Les matériaux composites C/C ainsi réalisés ont été caractérisés au plan structural, microstructural, thermique, mécanique et en dilatation. Le comportement mécanique plus linéaire et moins endommageable comparé à celui des C/C obtenus par voie gazeuse peut être expliqué par la texture de la matrice ex-brai anisotrope et la présence de liaisons fortes fibre/matrice résultant de la réactivité du brai avec les fibres.
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Peyrega, Charles. "Prédiction des propriétés acoustiques de matériaux fibreux hétérogènes à partir de leur microstructure 3D." Phd thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2010. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00568918.
Full textAbstract:
Cette thèse se situe à l'interface de plusieurs disciplines, dans le cadre du programme de recherche Silent Wall qui a pour vocation d'élaborer un système isolant acoustique et thermique pour le bâtiment, à base de matériaux fibreux. La problématique d'isolation acoustique étant le fil rouge de ce travail, différents domaines de recherche sont abordés dans l'étude des propriétés microstructurales de ces matériaux. Un matériau fibreux de référence, le Thermisorel, élaboré par procédé papetier à base de fibres de bois, est retenu par le consortium Silent Wall pour ses bonnes propriétés d'isolation phonique et thermique. Des images 3D de ce matériau, réalisées par microtomographie aux rayons X, sont analysées par morphologie mathématique afin de caractériser la microstructure de ses phases fibreuse et porale. Un modèle booléen de cylindres aléatoires permet de simuler un tel matériau fibreux. L'adéquation des mesures morphologiques des milieux ainsi simulés, avec celles du Thermisorel valident ce modèle morphologique. Enfin, les propriétés thermo-acoustiques de cellules périodiques élémentaires microscopiques de milieux fibreux 3D simplifiés et composés de fibres parallèles, sont estimées par éléments finis, afin de relier leurs performances en absorption acoustique, à la taille des fibres et à l'épaisseur de l'échantillon. Après comparaison, les coefficients d'absorption acoustique des milieux fibreux simulés sont en adéquation avec les valeurs expérimentales mesurées sur des échantillons de Thermisorel. Ainsi, notre démarche globale de caractérisation, et de modélisations morphologique et thermo-acoustique à l'échelle de la microstructure, est validée par les propriétés morphologiques et acoustiques de panneaux de Thermisorel, et ouvre la voie à l'optimisation des performances acoustiques macroscopiques de tels matériaux fibreux par modification de leur microstructure.
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Hollette, Matthieu. "Modélisation de la propagation des ondes élastiques dans un milieu composite à microstructure 3D." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00840603.
Full textAbstract:
En contrôle non-destructif par ultrasons, la simulation présente un intérêt majeur en permettant à la fois d'optimiser les configurations de contrôle des pièces et de simplifier l'analyse des données acquises. Cette thèse traite de la modélisation de la propagation des ultrasons dans les matériaux composites tissés. Ces matériaux sont constitués de fibres de Carbone (micrométriques) regroupées en mèches (millimétriques) qui sont ensuite tissées pour former une couche de matériau : leur structure est donc hétérogène à deux échelles distinctes. L'étude à l'échelle du tissage nécessite la connaissance préalable des propriétés mécaniques des mèches. Nous proposons deux méthodes visant à effectuer l'homogénéisation dynamique du matériau à l'échelle microscopique. Une première consiste à identifier les rigidités complexes d'un milieu effectif représentatif de la mèche en comparant les nombres d'ondes des modes guidés s'y propageant à ceux calculés dans un milieu hétérogène de même géométrie ; nous avons développé un algorithme génétique permettant de faire correspondre les jeux de nombres d'onde, dont l'application permet d'identifier certaine des rigidités recherchées. La seconde consiste à étendre un modèle existant permettant d'homogénéiser la structure de la mèche en tenant compte de la diffraction multiple des ondes de volume par les fibres. Le modèle initial (modèle à trois phases) ne traitant que le cas de l'incidence normale aux fibres est étendu au cas plus complexe de l'incidence oblique : un calcul de la diffraction multiple en incidence oblique par un réseau dense de fibres et tenant compte de l'anisotropie des différents milieux est donc proposé. Comme pour la première méthode, on utilise un algorithme génétique pour effectuer l'identification des rigidités effectives. Les résultats obtenus nous amènent à remettre en cause certaines hypothèses de base faites pour effectuer cette homogénéisation dynamique ; particulièrement, la dépendance des résultats à l'angle d'incidence semble remettre en cause le choix de la loi de Hooke comme loi fondamentale pour effectuer une homogénéisation dynamique des composites à structures complexes.
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Dake, Jules [Verfasser]. "Experimental investigations of microstructural coarsening in 3D using X-ray microscopy / Jules Dake." Ulm : Universität Ulm, 2020. http://d-nb.info/1208296272/34.
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Kerdja, Youcef. "Caractérisation 3D et modélisation multi-échelle des matériaux actifs de batteries." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2020. http://www.theses.fr/2020GRALI033.
Full textAbstract:
Quatre matériaux actifs de batteries Li-ion de type NMC (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) ayant la même composition chimique, mais des microstructures différentes ont été synthétisés puis mis en œuvre sous forme d’électrodes composites afin de quantifier l’impact de la microstructure sur leurs performances électrochimiques. La tomographie FIB-SEM a été utilisée afin d’imager ces différentes microstructures. Les résultats 3D obtenus sur deux de nos matériaux permettent de montrer le lien entre tortuosité ionique et capacités en décharge. Des images 2D de ces microstructures ont été également extraites afin d’aller au-delà des mesures de tortuosité et de réaliser des simulations multi-physiques à l’échelle microstructurale sur des structures réelles d’électrodes. En parallèle, un modèle de simulations électrochimiques sur microstructures de matériaux d’électrodes a été développé. Ce dernier a permis dans un premier temps, via une étude paramétrique sur les propriétés physiques des matériaux, de visualiser sur une ‘microstructure modèle’, les mécanismes et les conditions par lesquels la diffusion de lithium (liquide et solide) et la cinétique électrochimique influencent la capacité en décharge et les hétérogénéités de lithiation au sein de la microstructure modèle. Les compétitions entre les différents mécanismes ont été également visualisées et quantifiées. Dans un deuxième temps, le modèle développé a été mis en œuvre sur deux des microstructures réelles (2D) extraites auparavant afin de simuler des décharges galvanostatiques. Cette démarche permet de suivre operando le courant local, ainsi que la surtension aux interfaces des particules de matériau actif au cours des décharges galvanostatiques. L’accès à ces grandeurs permet d’expliquer le biais par lequel ces deux électrodes de même composition chimique et de microstructures différentes présentent des capacités expérimentales en décharge différentesFour NMC type materials having the same chemical composition (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) but different microstructures were synthesized and then used as positive electrodes to probe the impact of the microstructure over their electrochemical performances. FIB-SEM tomography was used to get 3D images of the synthesized materials, compute their ionic tortuosity and link the results to the observed electrochemical performances. 2D microscopy images were also obtained on the four materials to go beyond tortuosity computation and realize multi-physics simulations at the microstructure scale on real electrodes. To that end, an electrochemical model at the microstructure level has been developed. This model allows the visualization of the electrochemical kinetics’ as well as lithium liquid and solid diffusion’s influences over the global battery capacity and lithiation heterogeneities at the microstructure level. This study was performed, via a sensitivity analysis of the material physical properties, on a ‘template microstructure’ and allowed us to understand and quantify the different influences’ mechanism and the competition between them over the characteristics of the battery at multiple scales. After that, the developed model was used to simulate galvanostatic discharges on two of the previously extracted 2D microstructures. These simulations allowed us to get a real-time visualization of the local current density as well as of the overpotential at active material-electrolyte interface. The real-time visualization helped us to explain how two NMC type materials having the same chemical composition, but different microstructures led to different discharge capacities
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Hwang, Junyeon. "Characterization and Mechanical Properties of Nanoscale Precipitates in Modified Al-Si-Cu Alloys Using Transmission Electron Microscopy and 3D Atom Probe Tomography." Thesis, University of North Texas, 2007. https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc3661/.
Full textAbstract:
Among the commercial aluminum alloys, aluminum 319 (Al-7wt%Si-4wt%Cu) type alloys are popularly used in automobile engine parts. These alloys have good casting characteristics and excellent mechanical properties resulting from a suitable heat treatment. To get a high strength in the 319 type alloys, grain refining, reducing the porosity, solid solution hardening, and precipitation hardening are preferred. All experimental variables such as solidification condition, composition, and heat treatment are influence on the precipitation behavior; however, precipitation hardening is the most significant because excess alloying elements from supersaturated solid solution form fine particles which act as obstacles to dislocation movement. The challenges of the 319 type alloys arise due to small size of precipitate and complex aging response caused by multi components. It is important to determine the chemical composition, crystal structure, and orientation relationship as well as precipitate morphology in order to understand the precipitation behavior and strengthening mechanism. In this study, the mechanical properties and microstructure were investigated using transmission electron microscopy and three dimensional atom probe tomography. The Mn and Mg effects on the microstructure and mechanical properties are discussed with crystallographic study on the iron intermetallic phases. The microstructural evolution and nucleation study on the precipitates in the low-Si 319 type aluminum alloys are also presented with sample preparation and analysis condition of TEM and 3DAP tomography.
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Velichko, Alexandra [Verfasser]. "Quantitative 3D Characterization of Graphite Morphologies in Cast Iron using FIB Microstructure Tomography / Alexandra Velichko." Aachen : Shaker, 2009. http://d-nb.info/1161310541/34.
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Dischler, Jean-Michel. "La génération de textures 3D et de textures a microstructure complexe pour la synthese d'images." Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008), 1996. http://www.theses.fr/1996STR13015.
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Weiss, Cédric. "Solidification dirigée d'alliages transparents 3D : dynamique de formation de la microstructure interfaciale en présence de convection naturelle." Aix-Marseille 3, 2007. http://www.theses.fr/2007AIX30019.
Full textAbstract:
La solidification est ici étudiée in situ en temps réel sur des alliages transparents massifs par observation optique directe et interférométrie. Diverses améliorations expérimentales ont été apportées au niveau du four pour contrôler la courbure d'interface ainsi qu'au niveau des méthodes de préparation des échantillons. Des protocoles d'analyse des images d'interférométrie ont été développés permettant de caractériser la pointe des dendrites (rayon de courbure, vitesse). Les effets de la courbure d'interface et de la convection dans la phase liquide ont été étudiés en croissance cellulaire et dendritique. Nous avons observé un phénomène d'advection des cellules, affecté par la convection dans le bain fondu. En régime dendritique, la microstructure est fortement affectée par la courbure (orientation, paramètres de forme). Enfin, un dispositif spécifiquement développé a permis une étude exploratoire du rôle de la fragmentation des dendrites dans la transition colonnaire – équiaxeDirectional solidification of bulk transparent alloys has been studied by optical means with direct observation and interferometry. Some experimental improvements have been done concerning the Bridgman furnace in order to control the interface curvature and also concerning the samples preparation. Interferogram analysis procedures have been developped allowing the characterization of the dendrites (tip radius and tip velocity). The effects of the interface curvature and the convection in the liquid phase have been studied in the cellular and the dendritic regimes. We have observed a cells advection phenomenon affected by the fluid flow in the melt. In dendritic growth, the microstructure is strongly affected by the interface curvature (orientation, shape factor). Finally, a specific device dedicated to the columnar-to-equiaxed transition study has been developped clarifying the role of the dendrites fragmentation in this process
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Mirea, Iulia. "Analyse de la microstructure 3D du tissu cardiaque humain à l’aide de la micro-tomographie à rayons X par contraste de phase." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEI076/document.
Full textAbstract:
Les pathologies cardiovasculaires restent un des problèmes majeurs de santé publique qui justifie les recherches menées pour améliorer notre compréhension de la fonction cardiaque. Celles-ci nécessitent une bonne connaissance de la microarcInstitut de Technologie de Harbin - Chineecture myocardique afin de mieux comprendre les relations entre les fonctions mécanique, hémodynamique et les changements structuraux induits par les maladies cardiaques. Pour ce faire il est nécessaire d’accéder à une connaissance précise de l’arrangement spatial des composants du tissu. Cependant, notre compréhension de l’arcInstitut de Technologie de Harbin - Chineecture du coeur est limitée par le manque de description 3D de l’organisation des structures à l’échelle microscopique. Nous proposons d’explorer la structure 3D du tissu cardiaque en utilisant l’imagerie X synchrotron par contraste de phase disponible à l’ESRF. Pour la première fois, 9 échantillons de tissu de la paroi du ventricule gauche (VG) humain sont imagés à la résolution isotrope de 3,5 μm et analysés. Cette thèse est centrée sur la description 3D d’un des constituants principal du tissu: la matrice extracellulaire (MEC). La MEC inclue: l’endomysium qui entoure et sépare les myocytes et les capillaires de façon individuelle, le perimysium qui entoure et sépare des groupes de myocytes et l’épimysium qui enveloppe le muscle cardiaque dans son ensemble. Chaque échantillon reconstruit fait environ 30 Gb, ce qui représente une quantité importante de données à traiter et à visualiser. Pour ce faire, nous avons développé un algorithme automatique de traitement d’image pour binariser chaque échantillon et isoler la MEC. Ensuite, nous avons extrait des parametres statistiques relatifs à la microarcInstitut de Technologie de Harbin - Chineecture de l’ECM, principalement l’épaisseur des plans de clivage (PC) et les distances inter-PC. Les résultats montrent que l’arrangement local des PC diffère selon l’emplacement au sein du VG (postérieur, antérieur, septal) et de leur distance à l’apex (plus complexe). L’épaisseur des PC extraite de tous les échantillons va approximativement de 24 μm à 59 μm et la distance inter-PC de 70 μm à 280 μm avec une variation locale significative de la déviation standard. Ce sont de nouveaux marqueurs quantitatifs de la MEC du tissu cardiaque humain qui sont d’un intérêt majeur pour une meilleure compréhension de la fonction cardiaqueCardiovascular diseases remain one of the most serious health problems, motivating research to deepen our understanding of the myocardial function. To succeed, there is a need to get detailed information about the spatial arrangement of the cardiac tissue components. Currently, our understanding of the cardiac microarcInstitut de Technologie de Harbin - Chineecture is limited by the lack of 3D descriptions of the cardiac tissue at the microscopic scale. This thesis investigates the 3D cardiac tissue microstructure using X-Ray µ-CT phase contrast imaging available at the ESRF. For the first time, 9 human cardiac left ventricle (LV) wall samples are imaged at an isotropic resolution (3.5 µm) and analysed. We focus on the description of the cardiac extracellular matrix (CEM) that is one of the main components of the tissue. The CEM includes: the endomysium that surrounds and separates individual myocytes and capillaries, the perimysium that surrounds groups of myocytes and the epimysium that surrounds the entire heart muscle. Each reconstructed sample is about 30 Gb which represents a large amount of data to process and display. To succeed, we developed an automatic image processing algorithm to binarise each sample by selecting the CEM. We extract statistical features of the ECM, mainly the thickness of the cleavage planes (CP) and the inter-CP distances. The results show that the local 3D arrangement of the CP differs according to their location in the LV (posterior, anterior, septal) and their distance from the apex (more complex). The thickness of the CP extracted from all the samples roughly ranges from 24 µm to 59 µm and the inter-CP distances from 70 µm to 280 µm with significant local variations of the standard deviation. Those new quantitative markers of the ECM of the human cardiac are of main interest for a better understanding of the heart function
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Serre, Benoit. "Simulation numérique 3D de la croissance de grains par la méthode des éléments finis." Saint-Etienne, EMSE, 2008. http://www.theses.fr/2008EMSE0005.
Full textAbstract:
La microstructure des matériaux influence leurs propriétés physiques. L'objectif de la thèse est de concevoir un logiciel capable de simuler l'évolution de la taille et de la forme des grains formant la microstructure. Une approximation par éléments finis du modèle de croissance de grains a été utilisée Un nombre variable de degrés de liberté est appliqué à chaque nœuds pour tenir compte des conditions issues de l''hypothèse de croissance normale des joints de grains tout en réduisant le nombre de degrés de libertés du problème. La prise en compte de la forte évolution géométrique des microstructures est prise en compte grâce à un outil de remaillage dédié. L'unique algorithme développé et utilisé par cet outil est capable de traiter l'ensemble des transformations topologiques possibles avec ou sans condition de périodicité. L'ensemble des outils développés sont mis en œuvre dans le cadre de simulation d'évolution de plusieurs microstructures comportant plusieurs dizaines de grainsPhysical properties of material are influenced by microstructure. The main objective of this thesis is a software creation for simulation of microstructure evolution. A finite element approximation based on grain growth model is used. A variable number of degrees of freedom is applied for each node to take into account normal grain growth hypothesis and to reduce the number of degrees of freedom of problem. A dedicated tools for remeshing is used to follow large evolution of microstructures. A single algorithm is able to treated all topological transformations with or without periodic condition. All these tools are used to simulate microstructure evolution with several decades of grains
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Yeddu, Hemantha Kumar. "Martensitic Transformations in Steels : A 3D Phase-field Study." Doctoral thesis, KTH, Metallografi, 2012. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-95316.
Full textAbstract:
Martensite is considered to be the backbone of the high strength of many commercial steels. Martensite is formed by a rapid diffusionless phase transformation, which has been the subject of extensive research studies for more than a century. Despite such extensive studies, martensitic transformation is still considered to be intriguing due to its complex nature. Phase-field method, a computational technique used to simulate phase transformations, could be an aid in understanding the transformation. Moreover, due to the growing interest in the field of “Integrated computational materials engineering (ICME)”, the possibilities to couple the phase-field method with other computational techniques need to be explored. In the present work a three dimensional elastoplastic phase-field model, based on the works of Khachaturyan et al. and Yamanaka et al., is developed to study the athermal and the stress-assisted martensitic transformations occurring in single crystal and polycrystalline steels. The material parameters corresponding to the carbon steels and stainless steels are considered as input data for the simulations. The input data for the simulations is acquired from computational as well as from experimental works. Thus an attempt is made to create a multi-length scale model by coupling the ab-initio method, phase-field method, CALPHAD method, as well as experimental works. The model is used to simulate the microstructure evolution as well as to study various physical concepts associated with the martensitic transformation. The simulation results depict several experimentally observed aspects associated with the martensitic transformation, such as twinned microstructure and autocatalysis. The results indicate that plastic deformation and autocatalysis play a significant role in the martensitic microstructure evolution. The results indicate that the phase-field simulations can be used as tools to study some of the physical concepts associated with martensitic transformation, e.g. embryo potency, driving forces, plastic deformation as well as some aspects of crystallography. The results obtained are in agreement with the experimental results. The effect of stress-states on the stress-assisted martensitic microstructure evolution is studied by performing different simulations under different loading conditions. The results indicate that the microstructure is significantly affected by the loading conditions. The simulations are also used to study several important aspects, such as TRIP effect and Magee effect. The model is also used to predict some of the practically important parameters such as Ms temperature as well as the volume fraction of martensite formed. The results also indicate that it is feasible to build physically based multi-length scale model to study the martensitic transformation. Finally, it is concluded that the phase-field method can be used as a qualitative aid in understanding the complex, yet intriguing, martensitic transformations.QC 20120525
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Simsir, Caner. "3d Finite Element Simulation Of Steel Quenching In Order To Determine The Microstructure And Residual Stresses." Phd thesis, METU, 2008. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12609412/index.pdf.
Full textAbstract:
In the course of thermal treatments, materials are usually subjected to continuous heating and cooling cycles during which microstructural evolution and mechanical interactions occur simultaneously at different length and time scales. Modeling of these processes necessitates dealing with inherent complexities such as large material property variations, complex couplings and boundary conditions, coupled heat and mass transfer mechanisms and phase transformations. In this study, a mathematical framework based on finite element method (FEM) capable of predicting temperature history, evolution of phases and internal stresses during heat treatment of metals and alloys was developed. The model was integrated into the commercial FEA software MSC.Marc®by user subroutines. The accuracy of the model was verified by simulating the quenching of eccentrically drilled steel cylinders. Simulation results were justified via SEM observations and XRD residual stress measurements. According to the results, the model can effectively predict the trends in the distribution of microstructure and residual stresses with a remarkable accuracy.
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Amsellem, Olivier. "Simulations 2D et 3D de microstructure d'alumine projetée plasma pour l'étude de ses propriétés mécaniques et électriques." Phd thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00331802.
Full textAbstract:
L'alumine est un matériau réputé pour ses propriétés d'isolation électrique. Elle est utilisée dans les sondes géologiques qui mesurent la résistivité des roches. Le contexte pétrolier incite les sociétés telles que Schlumberger à développer de nouvelles générations de revêtement dont certains en alumine. Ils sont obtenus par le procédé de projection plasma qui génère dans la structure des fissures et des pores interconnectés. Ce réseau caractérise la porosité de la céramique et dégrade plus ou moins les propriétés des revêtements. Ce travail de thèse propose l'étude d'une gamme de revêtements d'alumine réalisés par projection plasma. Il définit le revêtement d'alumine comme un composite présentant deux phases : la matrice céramique et la porosité. Tout d'abord, une analyse bidimensionnelle classique (employant la microscopie électronique à balayage) a été comparée à une analyse tridimensionnelle (employant la microtomographie) pour déterminer la nature, l'orientation et la répartition des phases : -l'analyse 2D de la microstructure des dépôts a permis de différencier les matériaux en fonction de leur méthode d'élaboration. Nous avons élaboré des composites « alumine-défauts » avec différentes densités surfaciques de pores et de fissures. Pour la co-projection, des composites présentant une matrice d'alumineverre ont été élaborés. Un post-traitement par laser à excimère a généré des matériaux possédant des propriétés de surface différentes. Enfin, les techniques d'imprégnation ont produit des composites présentant une matrice d'alumine, une porosité remplie de résine ou de phosphate d'aluminium et une porosité non remplie. -l'analyse par microtomographie synchrotron a permis uniquement de caractériser les pores dans les composites. L'étude a montré leur orientation parallèle à la direction de projection et leur morphologie plutôt filaire dans les revêtements d'alumine. De plus, cette technique a mis en évidence les changements de morphologie et de répartition des pores dans une matrice d'alumine-verre ayant subi des traitements thermiques ou bien dans les surfaces traitées par laser. Toutes ces informations complémentaires ont permis de mettre en place une simulation des propriétés mécaniques et électriques fonction des caractéristiques microstructurales. Les mesures d'impédance en milieu liquide ont défini les microstructures composites par des schémas électriques équivalents. Cette mesure s'est révélée être une méthode expérimentale propre à définir les connexions de la porosité. Elle a permis de comparer les composites. Enfin, à partir des images 2D et 3D, une simulation numérique par éléments finis de microstructures réelles a permis de calculer les propriétés élastiques et diélectriques des composites. Ces simulations ont permis d'établir le lien entre microstructures et propriétés des dépôts. Elles semblent très prometteuses pour établir les conditions d'élaboration des revêtements en fonction des propriétés souhaitées.
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PICO, RUBY LORENA HERNANDEZ. "INFLUENCE OF MICROSTRUCTURE ON MECHANICAL PROPERTIES OF CARBONATE ROCKS USING 3D DIGITAL IMAGES OF X-RAY MICROTOMOGRAPHY." PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO, 2013. http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=23966@1.
Full textAbstract:
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIROCOORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR
PROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICA
Reservatórios carbonáticos contêm entre 50 e 60 por cento de petróleo e gás do mundo. No entanto, estas rochas têm apresentado problemas operacionais consideráveis durante as etapas de perfuração e produção. Tais problemas são originados pelas dificuldades na caracterização adequada destas rochas em função da complexa distribuição espacial de sua micro e macro estrutura. Enquanto ambas as escalas possuem importância no entendimento do comportamento de carbonatos, o presente trabalho trata da análise da microestrutura. Nesse âmbito, a proposta deste trabalho integra o processamento e análises de imagens digitais adquiridas mediante microtomografia de raios-X, elaboração de malhas de elementos finitos e simulação numérica de forma a prever propriedades elásticas, com o objetivo de correlacionar a microestrutura e o módulo de Young. Foram utilizadas imagens digitais de amostras de afloramento (travertinos) considerados como possíveis análogas a rochas carbonáticas de reservatório. A metodologia implementada permitiu obter sub-amostras que incluem uma gama de microestruturas e porosidades numa única amostra para assim simular numericamente o módulo de Young. Os resultados dos ensaios virtuais foram comparados com os resultados de ensaios reais executados em amostras da mesma rocha e dados encontrados na literatura. A aplicação da metodologia e os resultados obtidos indicam o potencial e as limitações atuais desta técnica. Conclui-se neste estudo que o valor do módulo de Young das amostras simuladas numericamente é afetado pela distribuição espacial, conectividade dos poros e pela microporosidade da rocha. Os valores encontrados no ensaio virtual tendem a serem superiores aos obtidos em ensaios reais devido à dificuldade de inserir, no modelo de micro estrutura, os contatos entre os grãos assim como regiões mais compressíveis não determinadas na aquisição das imagens.
Carbonate reservoirs contain between 50 and 60 per cent of oil and gas in the world. However, these rocks have presented considerable operational problems during drilling and production steps. Such problems are caused by the difficulties in proper characterization of these rocks due the complex spatial distribution of their micro and macrostructure. Although both scales have importance in understanding the behavior of carbonates, the present work deals with the analysis of the microstructure. In this context, the proposal of this work integrates the processing and analysis of digital images acquired by x-ray microtomography, finite element mesh generation and numerical simulations to predict elastic properties in order to correlate the microstructure and the Young s modulus. We used digital images of samples of outcrop (travertine) considered as a possible analogous to carbonate rocks of reservoir. The methodology implemented allowed get sub-samples that include a range of microstructures and porosities in a single sample to determine numerically the Young s modulus. The virtual test results were compared with laboratory test results performed on samples from the same rock and data found in the literature. The application of the methodology and the results obtained indicate the potential and current limitations of this technique. This study concluded that the value of Young s modulus of numerically simulated samples is affected by spatial distribution, pore connectivity and microporosity of these rocks. The values found in the virtual test tend to be higher than those obtained in laboratory tests due to the difficulty of inserting, in the model of micro structure, contacts between the grains as well as more compressible regions not certain on the acquisition of the images.