Dissertations / Theses on the topic 'Gradient de porosité'

Cette thèse exploite certaines possibilités offertes par la fabrication additive pour concevoir et optimiser des traitements pour l'atténuation acoustique à base de matériaux poreux sous un nouvel angle. La fabrication additive permet de contrôler chaque pore d'un matériau individuellement. Le processus de conception de traitement poreux est chamboulé : pour répondre à un problème, au lieu de chercher parmi un catalogue de matériaux existants, il est possible de concevoir directement le matériau adéquat en ajustant sa microstructure. Cette recherche s'inscrit dans une démarche de réduction du bruit des réacteurs d'avion mais s'étend au-delà du domaine aéronautique, aussi bien au niveau théorique qu'à celui de ses possibles applications. Une méthode de prédiction de comportement acoustique de matériaux poreux produits par fabrication additive prenant en compte l'impact des défauts de fabrication est d'abord introduite. Les matériaux poreux à gradient de propriétés contrôlé sont ensuite étudiés. Une méthode d'optimisation des paramètres microstructuraux ou de fabrication est développée. La capacité des matériaux poreux à gradient de propriété à atténuer des fréquences hors de portée des matériaux sans gradient est ainsi prouvée et le gradient optimal pour l'atténuation large bande est défini. L'impact de la taille des parois des pores ainsi que l'impact de possibilité du son de se propager transversalement dans un matériau poreux est étudié. Enfin, un traitement métaporeux permettant l'absorption large bande et sub-longueur d'onde est développé. Les résultats de cette recherche peuvent être mis en application pour créer des traitements poreux à forte capacité d'atténuation du bruit. Cette recherche fait appel à des modèles analytiques et numériques basés sur l'hypothèse selon laquelle le matériau poreux peut être considéré acoustiquement comme un fluide équivalent, à l'analyse physique des comportements et à des validations expérimentales au travers de tests en tube d'impédance de spécimens produits par fabrication additive
This thesis exploits some of the new possibilities offered by additive manufacturing to design and optimize treatments for sound attenuation consisting in porous materials. Additive manufacturing allows to control individually each pore of a material. The porous treatment design process is turned upside down: instead of searching through a catalogue of existing materials to solve a problem, it is possible to directly design the right material by adjusting its microstructure. This research is part of a plan to reduce aircraft engine noise but extends beyond the aeronautical field, both theoretically and in terms of possible applications. A predicting method of the acoustic behaviour of porous materials produced by additive manufacturing and taking into account the impact of manufacturing defects is first introduced. Porous materials with controlled graded properties are then studied. A method for optimizing microstructural or manufacturing parameters is developed. The ability of graded porous materials to attenuate frequencies too low to be attenuated by non-graded materials is then proven and the optimal gradient for broadband attenuation is defined. The impact of the wall thickness of the pores along with the impact of transverse propagation inside porous materials is studied. Finally, a metaporous treatment allowing broadband and sub-wavelength absorption is developed. The results of this research can be applied to create porous treatments with a high noise attenuation. The analytical and numerical models used in this research are based on the hypothesis of porous materials acoustically behaving as equivalent fluids. The results are physically analyzed and experimentally validated through impedance tube testing of specimens produced by additive manufacturing

Un nouveau procédé de fabrication de biocéramiques en hydroxyapatite macroporeuse est présenté. L’originalité du concept proposé est d'assurer la maitrise de deux paramètres primordiaux pour le comportement biologique et la configuration poreuse, à savoir : - le diamètre de macropores, - le diamètre d'interconnexion entre macropores. La technique développée et brevetée, est basée sur l'imprégnation d'une structure polymérique totalement maitrisée par une suspension aqueuse de céramique. La structure polymérique est génératrice de porosité grâce à son élimination thermique. Cette structure est contrôlée au niveau du dimensionnel et de la morphologie de ces éléments de base (billes) mais également au niveau de ses contacts entre particules. Un mécanisme de densification par fluage visqueux de l'édifice ainsi élaboré assure la reproductibilité et la prévision de la configuration des substituts osseux produits. Des propriétés mécaniques importantes sont mises en évidence. Le procédé d'élaboration est approfondi afin d'accroitre le comportement mécanique notamment en compression de ces biocéramiques. Des pièces à gradient de porosité sont élaborées et quelques applications détaillées.

Nous avons fabriqué un nouveau type de membrane polymère à traces avec des gradients de taille de pore et de densité de pore le long de la membrane. Ces gradients sont fort bien contrôlés de façon indépendante et par des procédés très simples. Dans une première étape, un gradient de densité de pores est obtenu par un déplacement d'un film de poly(éthylènetéréphtalate) –PET- devant un faisceau d'ions lourds de flux variable. Dans une seconde étape, la taille de pore est contrôlée par le trempage progressif du film préalablement exposé aux ions lourds dans une solution de soude 2N à 50°C. La relation entre densité de pores et taille de pore en chaque point de la membrane est préalablement choisie : nous avons fabriqué des membranes ayant une porosité constante et un gradient linéaire de taille de pore. Des mesures de microscopie électronique à balayage ont permis de contrôler la formation d'un pore cylindrique à travers toute l'épaisseur (13 µm) du film de PET, après exposition à un rayonnement UV centré autour de 312 nm. Un modèle théorique a été proposé pour décrire le phénomène de filtration tangentielle dans un canal ayant une paroi constituée d'une telle membrane : le cas d'une perméabilité constante donne lieu à des expressions analytiques relativement simples, contrairement au cas de la porosité constante. Une cellule a été montée et caractérisée par des mesures électriques et hydrauliques. Le caractère hydrophobe de la membrane est atténué en milieu basique (NaOH 10-2N) par ionisation des groupes carboxyliques. Nous avons montré que la durée variable du traitement à la soude concentrée permettant d'obtenir le gradient de taille de pore n'induisait pas un gradient de mouillabilité du matériau à la condition que celui-ci ait été exposé préalablement au rayonnement UV
A new type of polymer track-etch membrane was produced with a gradient of pore size and another gradient of pore density along the large dimension of the membrane. Those gradients are independently very well controlled and obtained by simple procedures. In a first step, the pore density gradient is created by displacing the poly(ethyleneterephthalate) –PET- film in front of a swift heavy ions beam of varying flux. In a second step, the pore size is controlled by dipping progressively the previously ion beam exposed film into an aqueous solution of 2N NaOH at 50°C. The relationship between both gradients at any position along the membrane is predetermined before preparation: we have chosen to maintain porosity constant with a linear gradient of pore size. Scanning electron microscopy measurements allowed verification of the existence of a cylindrical pore through the whole thickness (13 µm) of the PET film after exposure to UV light centred around 312 nm. A theoretical model has been proposed which describes tangential filtration in a channel where one wall is such a membrane: the case of constant permeability leads to relatively simple analytical expressions contrary to the case of constant porosity. One cell was built up and characterized by electrical and hydraulic measurements. The membrane hydrophobic character is attenuated at high pH (10-2N NaOH) by ionization of the carboxylic groups. We showed also that varying etching time to obtain a gradient of pore size did not induce a wettability gradient provided that the material was previously exposed to UV radiation

Ces travaux de thèse traitent de l’effet des gradients de porosité et de contrainte sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) de l’alliage d’aluminium AlSi9Cu3 coulé sous pression utilisé par l’industrie automobile. Ce matériau contient une population de défauts distribués de manière hétérogène avec un gradient de porosité entre la surface et le cœur des pièces. Une large gamme de taille et de nature de défaut (Pore gazeux, retassure, voiles d’oxydes…) est observée avec notamment des défauts formant des réseaux complexes tridimensionnelles de porosités.Afin d’étudier les effets des gradients de porosité et de contrainte, une méthodologie d’essai ayant recours à des éprouvettes de différentes épaisseurs, toutes obtenues par usinage à partir d’un même échantillon brut, est développée. Quatre géométries issues d’une même éprouvette brute sont testées en FGNC sous différents modes de sollicitations : flexion et traction avec un rapport de charge R=-1. L’analyse des faciès de rupture combinée à celle des courbes de Wöhler montre que le comportement en fatigue est contrôlé par l’interaction entre les gradients de porosité et de contrainte. La position de l’amorçage, interne ou en surface, la nature du défaut critique, ainsi que les niveaux de résistance sont entièrement déterminées par ces deux gradients.L’effet des défauts sur le comportement en fatigue est d’abord analysé sous l’angle d’une approche du type diagramme de Kitagawa-Takahashi et seuil du facteur d’intensité de contrainte (Kth). Cette analyse montre que la résistance en fatigue du matériau est pilotée par la taille des défauts au sens de Murakami (√aire). La large gamme de taille et de nature de défauts permet de caractériser le comportement du matériau en fissure courte et fissure longue. Peu d’effet de la position de l’amorçage, interne ou surface, est noté. Grâce à la comparaison des comportements en fatigue de l’alliage étudié avec d’autres alliages d’aluminium de fonderie coulés gravité, il apparaît que le niveau de résistance en fatigue et le comportement de propagation fissure courte – fissure longue est en partie contrôlé par les caractéristiques microstructurales des alliages telles que la taille de grain et l’espacement des bras de dendrites secondaires (SDAS) et par le comportement mécanique monotone et cyclique.La complexité de la distribution des défauts (définie par les paramètres taille, position, géométrie, type …) rend très difficile la caractérisation et la modélisation de la cinétique de propagation des fissures et de leurs interactions avec les défauts. Des essais de suivi de fissure in situ sur défauts naturels sont conduits en flexion à R=-1 à l’aide d’un dispositif adapté de corrélation d’image. L’analyse de la cinétique de fissuration et des faciès de rupture relatifs aux fissures observées révèle une forte interaction entre les fissures de fatigue et les défauts présents. Ces interactions provoquent de fortes accélérations de la fissure qui réduisent drastiquement la durée de vie en fatigue. Une modélisation de la propagation en FGNC est proposée grâce à une approche en moyenne qui fait appel à la loi de Paris. Les coefficients associés sont ajustés à partir des essais de suivi de fissure. La comparaison des courbes de Wöhler simulées à iso-taille de défauts initiaux et les courbes de Wöhler expérimentales montre que l’approche en propagation ne suffit pas à rendre compte de toutes les étapes conduisant à la ruine en fatigue. Il est clairement mis en avant la nécessité de la prise en compte d’une phase d’amorçage et la très grande complexité des mécanismes d’endommagement en fatigue dans les défauts de type réseaux de porosité.Mots clefs : Fatigue à grand nombre de cycle (FGNC), hétérogénéité microstructurale, gradient de porosité, gradient de contrainte, alliage d’aluminium, coulée sous pression, réseaux de porosités, durée de vie, interaction fissure – défaut
This research deals with the effect of porosity and stress gradients on the high-cycle fatigue behavior (HCF) of the high-pressure die-cast (HPDC) aluminum alloy AlSi9Cu3 used by the automotive industry. The components produced by HPDC are characterized by a high level of porosity compared to other casting processes. In addition, the porosity or defect distribution within a component is highly heterogeneous and the existence of a porosity gradient between the surface and the in-bulk material is notable. Defects of different nature and size are present, including defects formed by complex three-dimensional pore networks.To study the effects of the porosity and stress gradients on the HCF behavior, a test methodology based on reducing the thickness of as-cast specimens by machining was developed. Four geometries machined from the same as-cast specimens were tested in HCF under different loading modes: plane bending and tension-compression with a load ratio R=-1. The analysis of the fatigue failure surfaces, combined with fatigue results in the form of Wöhler curves shows that fatigue behavior is controlled by the interaction between the porosity gradient and the stress gradient. The position of the crack initiation site (surface or in-bulk), the nature of the critical defects, as well as the fatigue strength are entirely determined by these two gradients.The effect of defects on the fatigue behavior was analyzed using an approach based on the Kitagawa-Takahashi diagram and the stress intensity factor threshold (Kth). This analysis shows that the fatigue strength of the material is controlled by the size of the defects in terms of the Murakami parameter (√area). The wide range of defect size and the variety of defect types makes it possible to characterize the behavior of the material in both the short crack and long crack regimes. It is observed that the position of the crack initiation site (surface or in-bulk) has only a small effect on the fatigue behavior. Thanks to a comparison between the studied alloy and other gravity-cast aluminum alloys, it is shown that both the fatigue strength and the crack propagation behavior, is partly controlled by (a) the microstructural characteristics of alloys (grain size and secondary dendrite arm spacing (SDAS)) and by (b) the monotonic and cyclic mechanical behavior of the materials.The complexity of the defect distribution (type, size and spatial distribution) complicates the characterization and modeling of the kinetics of crack propagation and their interactions with defects. To investigate this, in-situ image correlation was used to monitor crack growth during fatigue tests, with the aim of observing the crack interaction with natural defects, in bending at R=-1. The analysis of the crack growth kinetics and the fatigue failure surfaces reveals a strong interaction between fatigue cracks and defects. These interactions cause rapid crack accelerations, which drastically reduce the fatigue life. A HCF crack propagation model is proposed using an averaging approach with the Paris law. The coefficients are adjusted using the crack monitoring tests. The comparison between the simulated Wöhler curves at initial iso-defect-size and the experimental Wöhler curves shows that the propagation approach is not sufficient to account for all the stages leading to fatigue failure. It is clearly highlighted that the initiation phase must be taken into account and that the fatigue damage mechanisms, associated with defects comprised of complex three-dimensional pore networks, are extremely complex.Keywords: High cycle fatigue (HCF), microstructural heterogeneity, porosity gradient, stress gradient, aluminum alloy, high-pressure die-casting, porosity networks, fatigue life, crack – defect interaction

Des couches minces poreuses de compositions massiques (1) 71,8% Al2O3 28,2% SiO2, (2) 90% Al2O3 - 10% SiO2 et (3) 72,7% Al2O3 - 18,2% ZrO2 - 9,1% SiO2 ont été réalisées par dépôt par trempage sur des fibres de carbure de silicium Hi-Nicalon. La porosité des couches a été créée par l'incorporation dans la solution de précurseurs d'additifs qui sont ensuite pyrolysés lors du traitement thermique : le polyéthylèneglycol, le bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) et des billes de latex fonctionnalisées. Les principaux paramètres de dépôt influençant la qualité et l'épaisseur des couches ont été étudiés. L'optimisation de ces paramètres a permis l'obtention de couches minces homogènes et mésoporeuses. Le CTAB et les billes de latex dans des concentrations précises, associés à la composition 90% Al2O3 - 10% SiO2 qui possède la température de cristallisation la plus élevée, ont composé les systèmes les plus intéressants. Les fibres revêtues testées en traction après traitement thermique à 1200ʿC sous air ont présenté des propriétés mécaniques (contrainte à rupture, module d'Young) équivalentes à celles des fibres de départ. Le dépôt oxyde protège la fibre de l'oxydation, en évitant la perte des propriétés mécaniques de la fibre non revêtue. Les couches minces réalisées ont été évaluées en tant qu'interphases dans les Composites à Matrice Céramique. Les interphases à gradient de porosité (poreuses au contact de la fibre et denses au contact de la matrice) réalisées par incorporation de CTAB ont montré les meilleures potentialités.

L'inspection ultrasonore de pièces composites est une problématique d'importance au regard de l'utilisation croissante de ces matériaux dans l'industrie aéronautique. La porosité est habituellement évaluée à travers une mesure d'atténuation qui mène à l'estimation d'un taux global de porosité. Cependant la répartition spatiale des pores est également une donnée d'importance. Une méthode numérique modélisant la propagation des ondes élastiques en milieu complexe a été implémentée. L'inspection ultrasonore de composites renfermant de la porosité maîtrisée peut, en particulier, être simulée. Parallèlement une méthode inverse permettant de reconstruire la position et la forme de défauts a été développée. L'interprétation physique de cette méthode a révélé une analogie avec la physique du retournement temporel. Les résultats d'imagerie présentés montrent l'efficacité de la méthode dans diverses configurations. D'autre part des résultats d'analyse temps-fréquence-énergie montrent la possibilité de détecter des zones poreuses localisées dans l'épaisseur du matériau.

Les ions trivalents de terre rare ont des propriétés très voisines et leurs séparation les uns des autres, généralement délicate, est souvent effectuée par extraction par solvant ou échange d'ions. L'électrophorèse à focalisation représente une alternative à ces techniques éprouvées et l'objet de ce travail était l'étude fondamentale des phénomènes de transport d'ions dans un tel procédé. L'électrophorèse dite à focalisation permet de séparer des espèces amphotères comme des cations de terres rares, M+3, en ayant recours à un gradient de pH dans la cellule et à l'ajout d'un complexant acide (EDTA) par exemple. Cette méthode repose sur la différence des points isoélectriques de ces espèces, présentés sous forme cationique prés de l'anode ou bien sous la forme complexé ionique, plus prés de la cathode. Les ions de terres rares sont soumis aux effets antagonistes de la diffusion et de la migration, ce qui permet leur focalisation au point isoélectrique, correspondant au pH pour lequel leur mobilité effective est nulle. Après une étude bibliographique sur les terres rares et les procédés de séparation par électrophorèse, ce mémoire décrit des approches théoriques et expérimentales des équilibres de complexation de quelques terres rares (lanthane, cérium, praséodyme et néodyme) en fonction du pH ainsi que l'estimation du point isoélectrique. Les phénomènes des transports et de focalisation en vie de la séparation de deux terres rares font l'objet du dernier chapitre: l'étude a été conduite tout d'abord en absence d'écoulement forcé de la solution et a permis de dégager des conditions opératoires permettant la focalisation d'une espèce. L'apport méthodologique a été utilisé pour la conception et la réalisation d'un cellule avec circulation continue de solution et dotée de 42 capteurs de températures et 42 de potentiels. Les résultats de premiers essais de focalisation et de séparation de deux terres rares sous la forme de profils des différentes grandeurs, sont présentés et discutés
Trivalent ions of rare earth elements have very similar properties and their difficult separation each from another is usually carried out by liquid-liquid extraction or ion exchange focalisation electrophoresis represehts an alternative route to the usual techniques. The purpose of this work consisted of the fundamental investigation of ion transport phenomena in electrophoretic processes. Focalisation electrophoresis is suitable for separation of amphoteric species such as rare earth ions, using a pH gradient in the cell and upon addition of a complexed agent e. G. EDTA. This technique relies upon the difference in isoelectrical points of the considered species, being under the form of free cation near the ano'de, and in the form of anionic complexed species doser to the cathode Rare earth species are submitted to the antagonist effects of diffusion and migration, enabling their focalisation to occur at the isoelectrial point, corresponding to nil value of their effective mobility. Following a literature survey on rare earth elements and electrophoresis processes, the document describes theoretical and experimental investigations of complexation equilibria of some rare earth elements, namely lanthanum, neodymium, praseodymium and cerium, depending on pH. Values for the isoelectrical points coulb be estimated. Transport and focalisation phenomena in view of rare earth separation, are dealt in the last chapter. Investigations were first carried out without forced circulation of the electrolyte solution and the transient behavior of the system allowed operating conditions to be design and built-up of a continuos device, more suitable to separation, and provided with 42 potential and 42 temperature sensors: the results of the preliminary runs, in form of variable profiles, are presented and discussed
Os fons trivalentes de terras raras apresentam propriedades muito proximas umas das outras, o que dificulta bastante a separaçao destes elementos, sendo a extraçao por solvente e troca de ions os unicos métodos mais usados na separaçao de terras raras. No entanto, a eletroforese à focalisaçao representa uma alternativa à separaçao de terras raras como mostra este trabalho que tem como objetivo fundamental estudar os fenomenos de transportes de ions num determinado processo. Através da técnica de eletroforese à focalizaçao, é possivel separar espécies ionicas anfotéricas, como por exemplo cations de terras raras, M+3, aplicando-se um gradiente de pH na célula de separaçao e utilizando um acido como agente complexante, como por exemplo o EDTA. 0 principio deste método é baseado na diferença dos pontos isoelétricos das espécies presentes sob a forma cationica proxima ao anodo ou sob a forma do complexo ionico proximo ao catodo. Os ions de terras raras estao sempre submetidos aos efeitos da diftisao e da migraçao o que os levam a focalizarem em seus pontos isoelétricos correspondentes a mobilidade efetiva nula. Apos um èstudo bibliognifico sobre as terras raras e os processos de separaçao por eletroforese, este relatorio de tese descreve as aproximaçoes teorico e experimental de equilfbrio de complexaçao de alguns elementos de terras raras, como por exemplo: lantanio, cério, praseodimio e neodimio, em funçao do pH, hem como a estimacao do ponto isoelétrico. Os fenomenos de transporte e de focalizaçao foram abordados no ultimo capftulo, o que nos permitiu de observar as condiçoes operacionais de focalizaçao de uma espécie sem o fluxo forçado de uma soluçao. A metodologia descrita anteriormente foi utilizada para a concepçao e a realizaçao de uma célula corn circulaçao continua da soluçao num sistema dotado de 42 captores de temperaturas e 42 de potenciais. Os resultados dos primeiros testes de focalizaçao e da separaçao de dois elementos de terras raras foram apresentados e discutidos sob a forma de perfis de diferentes parametros

Au cours de la dernière décennie, la méthode d’analyse isogéométrique (AIG) a attiré l’attention des chercheurs grâce à ses capacités supérieures à la méthode standard des éléments finis (MEF). Le concept AIG utilise les mêmes fonctions de base que celles utilisées dans la conception assistée par ordinateur (CAO) pour l’approximation des champs inconnus tels que les déplacements, pression interstitielle ou la température dans la solution des éléments finis d’un problème thermo–hydro–mécanique (éventuellement couplé). Parmi les caractéristiques les plus importantes d’AIG, la régularité, le taux de convergence et surtout sa continuité intrinsèque d’ordre supérieur représentent une nette amélioration par rapport à la méthode standard des éléments finis, permettant d’obtenir des avantages computationnels significatifs en termes de précision de la solution et de efficacité.Ce travail tente d’exploiter les caractéristiques d’AIG pour la résolution numérique des problèmes hydromécaniques (HM) couplés dans les géomatériaux de second gradient de type poro–élastoplastiques partiellement saturés. D’une part, le modèle second gradient appartenant à la théorie des milieux continus avec microstructure assure l’objectivité des résultats en présence de phénomènes de localisation de la déformation en termes d’indépendance de maillage de la solution numérique, ce qui ne peut être réalisé avec des modèles constitutifs classiques qui n’implique pas l’intervention d’une longueur interne. D’autre part, la continuité C1 réalisable au moyen de fonctions de base AIG permet une implémentation directe de tels modèles constitutifs d’ordre supérieur, dans une formulation HM dérivée de l’approche de mélange classique. De plus, la régularité des fonctions de base AIG s’est révélée très efficace dans la modélisation de processus couplés caractérisés par de forts gradients hydrauliques – comme la simulation de la propagation d’un front de saturation dans une pente partiellement saturée. Dernier point, mais non des moindres, il convient de noter que, par rapport aux approches existantes basées sur les multiplicateurs de Lagrange, la méthode AIG pour résoudre les problèmes hydromécaniques (HM) couplés dans les matériaux du second gradient saturé et partiellement saturé permet une réduction considérable du nombre de degrés de libertés requis pour atteindre le même niveau de précision. Cela entraîne non seulement une augmentation significative de l’efficacité de calcul, mais permet également d’étendre la formulation du second gradient à l’analyse de problèmes réalistes en 3D, dont la solution a été présentée pour la première fois dans ce travail.La formulation poro–élastoplastique du second gradient développée dans ce travail est mise en œuvre dans le code orienté vers la recherche GeoPDEs, un code IAG–MEF open source écrit en Matlab et développé à l’Université de Pavia. Sur la base des résultats obtenus dans une large série de problèmes aux limites en 2D et 3D analysées dans ce travail, on peut conclure que la combinaison de AIG et d’élastoplasticité du second gradient représente un outil puissant pour la simulation numérique de problèmes géotechniques caractérisés par de forts couplages multiphysiques, un comportement fortement non linéaire du sol, et des gradients de déplacement et de pression interstitielle fortement localisés
During the last decade, Isogeometric Analysis (IGA) has drawn the attention of the Finite Element community to its superior capabilities over the standard Finite Element Method (FEM). The IGA concept uses the same basis functions used in Computed Aided Design (CAD) for the approximation of the unknown fields such as displacements, pore pressure or temperature in the Finite Element solution of a (possibly coupled) thermo– hydro–mechanical problem. Among the most relevant features of IGA, its smoothness, its convergence rate and particularly its intrinsic higher–order continuity between elements represent a definite improvement over the standard FEM, which allow to obtain significant computational advantages in terms of accuracy of the solution and computa- tional efficiency.This work attempts to exploit the characteristics of IGA for the numerical solution of coupled hydro–mechanical (HM) problems in saturated and partially saturated second gradient poro–elastoplastic geomaterials. On one hand, the second gradient model belonging to the theory of continua with microstructure ensures the objectivity of the results in presence of strain localization phenomena in terms of mesh independence of the numerical solution, which cannot be achieved with classical constitutive models without an internal length scale. On the other hand, the C1–continuity achievable by means of IGA basis functions allows a straightforward implementation of such higher order constitutive models, within a HM formulation derived from the classical mixture approach. In addition, the smoothness of the IGA basis functions proved to be very efficient in the modeling of coupled processes characterized by strong hydraulic gradients – such as the simulation of the downward propagation of a saturation front in a partially saturated slope subject to rainfall infiltration. Last but not least, it is worth noting that, as compared to the existing approaches based on Lagrange multipliers, the IGA approach to the solution of coupled hydro-mechanical (HM) problems in saturated and partially saturated second gradient materials allows a dramatic reduction in the number of degrees of freedoms required to achieve the same level of accuracy. This not only results in a significant increase of the computational efficiency, but also allows to extend the complete second gradient formulation to the analysis of realistic 3D problems, the solution of which has been presented in this work for the first time.The local second gradient poro–elastoplastic formulation developed in this work is implemented in the research-oriented code GeoPDEs, a Matlab open source IGA–FEM code developed at the University of Pavia. Based on the results obtained in a large series of representative 2D and 3D initial–boundary value problems analyzed in this work, it can be concluded that the combination of IGA and the second gradient elastoplasticity represents a powerful tool for the numerical simulation of geotechnical problems characterized by strong multiphysics couplings, highly nonlinear behavior of the soil, and strongly localized displacement and pore pressure gradients

Vycházíme-li z lehčených přírodních materiálů, lze od porézních materiálů s gradientem porozity očekávat mechanické vlastnosti nadřazené konvenčím polymerním pěnám, a to díky jejich specifické architektuře. Tyto vlastnosti umožňují použití lehčených materiálů jako strukturních prvků. V této práci je popsaná příprava gradientních porézních materiálů pomocí laminování a/nebo 3D tisku. Provedeny byly statické a dynamické mechanické testy na obou kvazi homogenních a gradientně porézních pěnách poskytující experimentální podklad pro hypotézu deformační odezvy plynoucí ze strukturní architektury. Data se interpretovala užitím zavedených teoretických modelů. Naše výsledky vedly k závěru, že tyto teoretické modely odvozené od pěn s pravidelnou strukturou není vhodné aplikovat pro pěny s gradientem porozity, protože prokazují podstatně lepší mechanické vlastnosti než homogenně porézní pěny.

La déformation des roches sédimentaires peut donner lieu à la formation de bandes de compaction, qui peuvent affecter considérablement le rendement des géosystèmes. L'objectif de cette thèse est d'identifier la formation des bandes de compaction dans les roches carbonatées poreuses à travers des essais de compression triaxiale et de proposer un modèle de comportement basé sur la théorie de plasticité du second-gradient pour prendre en compte l'effet des hétérogénéités locales.Les essais de compression axisymétrique sont combinés avec des observations tomographiques aux rayons X. Les échantillons sont scannés avant et après différents paliers de chargement et sous différents niveaux de pression de confinement. La construction de cartes de déformation 3D en utilisant la technique de corrélation d'images permet d'identifier les zones de localisation de déformation. Une méthode simple basée sur des considérations cinématiques est proposée pour identifier le type de bande de localisation obtenue. Des bandes de compaction sont identifiées sous forts confinements, des bandes de cisaillement pur sont obtenues à des faibles confinements, tandis que des bandes de cisaillement compactant sont observées dans le régime de transition. En revanche, une compaction diffuse a lieu sous chargement isotrope. D'autre part, des cartes de porosité 3D à une certaine méso-échelle intermédiaire sont construites et superposées sur les cartes de déformation. Il est observé que l'hétérogénéité de la porosité contrôle la structure des bandes de compaction qui s'étendent à l'intérieur des zones les plus poreuses et contournent les zones les plus denses. Il est également observé que l'écrasement des grains est le mécanisme dominant à l'échelle microscopique qui accompagne le mode de déformation. Des particules très fines remplissent ainsi les pores et induisent une réduction de la porosité. Dans les zones assez denses, les grands pores protégés par une structure quasi-rigide de grains cimentés restent intacts. Quand la composante de cisaillement est présente dans la bande de localisation, l'hétérogénéité de la porosité contrôle le comportement volumique. Le long d'une bande de cisaillement pur/compactant, des fissures apparaissent dans les zones denses, tandis que des phénomènes d'écrasement de grains et de remplissage des pores sont observés dans les endroits les plus poreux. Ces mécanismes sont responsables d'une coexistence complexe de compaction et de dilatation locales.Les modèles de comportement élasto-plastiques standards pour les milieux homogènes ne permettent pas de modéliser précisément la formation des bandes de compaction, car ils prévoient des bandes de localisation de déformation d'épaisseur nulle. Pour régulariser ce problème, des milieux continus d'ordres supérieurs (micromorphes) peuvent être considérés, où des longueurs internes en relation avec la microstructure sont introduites dans les lois de comportement. Une problématique particulière de ces modèles est la détermination des paramètres d'ordres supérieurs. Dans le cadre de la théorie de plasticité du second-gradient, la surface de charge dépend d'une variable interne d'écrouissage et de son second gradient. L'effondrement plastique de la porosité est considéré ici comme la variable interne. Une procédure de calage des paramètres d'ordres supérieurs supplémentaires basée sur les données mécaniques macroscopiques et les données fournies par les images obtenues par microtomographie aux rayons X est proposée. Une analyse de stabilité linéaire en conditions axisymétriques triaxiales est appliquée pour prévoir la formation des bandes de compaction. Le modèle de comportement est ensuite implémenté dans un logiciel aux éléments finis, Numerical Geolab, afin de réaliser une simulation numérique des essais. Les résultats numériques sont finalement comparés aux observations expérimentales
The mechanical deformation of sedimentary rocks can give rise to the formation of compaction bands which can significantly affect the performance of geosystems. The objective of this thesis is to identify the formation of compaction bands in porous carbonate rocks in laboratory experiments and to propose a constitutive model based on second-gradient plasticity theory to account for the effect of local heterogeneity.Axisymmetric compression tests are combined with X-Ray Computed Tomography observations. Samples are imaged before and after several loading steps and at different confining pressure levels. Digital Volume Correlation technique is applied on consecutive images to build 3D deformation maps at a millimetric gauge length, which permit to identify strain localization zones. A simple method based on kinematic considerations is proposed to classify these zones. Compaction bands have been identified at high confining pressures, pure shear bands are obtained for low confinements whereas compactive shear bands are observed in the transitional regime. In contrast, a diffuse compaction occurs in hydrostatic loading conditions. 3D porosity maps are constructed at some intermediate meso-scale and superimposed on deformation maps. The heterogeneity of porosity is found to control the pattern of compaction bands, as they lay inside high-porosity zones and avoid denser zones. Grain crushing is identified as the main micromechanism of the deformation. Very fine particles fill the pores and induce a porosity reduction. Large pores are observed to remain intact in denser zones, as they are protected by a surrounding rigid lattice of cemented grains. When shear strain is identified in deformation bands, porosity heterogeneity is found to control the volumetric behavior. Along a compactive/pure shear band, some cracks are observed in denser zones, whereas grain crushing and pore filling are observed in the more porous zones. These mechanisms are responsible for a complex co-existence of local contractancy and dilatancy along shear bands.Standard constitutive elastic-plastic laws of homogeneous media are insufficient to model correctly compaction banding, as a zero-thickness band is obtained for rate-independent materials in a Cauchy continuum. To regularize this problem, higher-order continua (micromorphic media) can be considered, where internal lengths in relation with the microstructure are introduced in the constitutive relations. A particular issue of these models is to calibrate the higher-order parameters. In the framework of second-gradient plasticity theory, the yield surface depends on a hardening parameter, related to the plastic strain and its second gradient. The plastic porosity reduction is taken here as the hardening parameter. A calibration procedure of the additional higher-order parameters based on macroscopic mechanical data and the data provided by the X-Ray images is proposed. Once the model is calibrated, a linear stability analysis in axisymmetric triaxial loading is applied to predict the formation of compaction bands. The calibrated model is subsequently implemented in a finite element code, textit{Numerical Geolab}, to perform numerical simulations of the experiments. Numerical results are finally compared to the experimental observations

Cancer is a leading cause of death around the world in recent years. Tissue engineering and Materials Science are important tools in cancer research in the fields of basic pathology, drug discovery and radiation oncology. This project involved the development of a biomimetic three-dimensional (3D) model based polycaprolactone (PCL) that was biocompatible and biodegradable for cancer cells. Such a scaffold would have significant advantages compared to traditional 2D models in mimicking the in vivo tumour microenvironment as tumours are 3D structures. An aliphatic composite scaffold concept was adopted and the scaffold composition was modified to improve cancer cell growth. The development of the synthetic scaffold (extracellular-matrix analogue) which demonstrated superior scaffold design flexibility as well as reproducibility was compared to naturally-derived counterparts. Bioactive glass is a synthetic biomaterial and commonly used in tissue replacement. Bioactive glass scaffold dopant was incorporated to enhance tissue formation and was a stimulant to improve cell growth in the polymeric scaffold. Bioactive glass 45S5 was incorporated into the scaffold by coating, infusion and coating with PCL sizing (extremely thin encapsulation). Pre-soaking of scaffolds by culture medium was a second promoting factor that was explored. In vitro cell growth (Melanoma and bowel cancer cell lines) on bioactive glass implanted scaffolds was compared to non-modified scaffold and scaffolds with collagen coating (natural material) and quantified with haemocytometry and protein assay. In composition modification, non-supplemented medium pre-soaking represented a promoting effect on cell adsorption. Advanced sized bioactive glass coated scaffold with non-supplemented medium pre-soaking demonstrated the highest capability in proliferating cells compared to other synthetic and natural modifications. Cell proliferating capability of bioactive glass was promoted 6folds by PCL sizing and non-supplemented medium pre-soaking, which was an innovative strategy for in vitro tumour modelling. Scaffold pore size was important for cell growth and an optimal pore size was determined by cell size according to cell type. Interconnectivity of the pore in the scaffold was also important for tumour cell migration. The second stage of the research involved the development of a novel porosity-graded FGM (functionally graded material) PCL scaffold, fabricated by compressing wedged shape scaffolds to a pellet with even thickness. Modules were fabricated by various methods such as carving, moulding and 3D printing with several materials from metal, polymer to gel. Optimization was conducted with the view of developing a scaffold with maximum cell capture and retention capability during cell seeding of the scaffold. The FGM system was novel in tissue engineering and cancer research. FGM system was particularly useful in facilitating in vitro 3D model design as well as for study of cellular behaviours in tumour development.

La diffusion des hydrocarbures dans des matériaux poreux, zéolithe NaX, silices amorphes mésostructurées MCM-41 et matériaux organo-métalliques (MOF) a été étudiée par RMN à gradients de champ pulsés (RMN-PFG). L’originalité de ce travail réside dans l’étude de la variation du coefficient de diffusion en fonction du temps d’observation permettant de mettre en évidence des phénomènes de diffusion restreinte. La difficulté provient de la nécessité d’utiliser un cadre théorique approprié pour interpréter les résultats. En outre, il est important de connaître la morphologie des solides étudiés pour aboutir à une information pertinente. Les coefficients de diffusion intracristalline et les tailles des domaines de diffusion restreinte ont pu être déterminés en utilisant deux modèles (ansatz de Mitra et modèle à deux régions de Kärger). Dans la zéolithe NaX, les résultats montrent une diffusion restreinte des hydrocarbures à l’intérieur des cristallites attribuée à la présence de barrières de diffusion. Dans MCM-41, la diffusion des hydrocarbures dépend non seulement de la taille mais aussi de la nature de la surface interne des pores. Pour des matériaux obtenus par synthèse pseudomorphique, la RMN-PFG nous a également permis de suivre l’évolution de la structure interne des particules de silice au cours de la synthèse. Enfin les aspects dynamiques et structuraux de nouveaux matériaux hybrides organiques-inorganiques MIL (matériaux de l’Institut Lavoisier) ont été étudiés par RMN-PFG et RMN-129Xe hyperpolarisé. L’influence de la phase organique sur les propriétés de diffusion et sur les interactions Xe-solide a pu être mise en évidence dans certaines structures.

The use of CO2 at sub-critical states and formation of porous structures with porosity gradients and interconnectivities from biodegradable polymers and their blends were investigated. Porous structures with well-defined pore sizes ranging from very large (i.e. d>100mum) to very small pores (i.e. d<10mum) were prepared by foaming multilayered films of poly (dl-lactic-co-glycolic acid) (PLGA 50/50), poly &egr;-caprolactone (PCL), poly (dl-lactic-co-caprolactone) (PLCL) and their blends. In order to improve the interconnectivity, a ternary system comprised of poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA 50/50)/poly (ethylene glycol) (PEG)/ethanol (C2H5OH)/CO2 was foamed by CO2 under sub-critical conditions. By varying the PEG concentration in the mixture, and subsequently foaming the samples by either pressure quench or temperature quench, an interconnected porous structure was generated. Investigations demonstrated that the (PLGA 50/50)/PEG blend in ratios of 95/5, 90/10, 75/25, 50/50 and 33/67 wt% can be foamed into a wide range of pore sizes from 10 to 500 mum and opening sizes from 5 to 250 mum. The generated scaffolds geometry in the investigated systems ranged from partially open to completely open, well interconnected, homogeneous or heterogeneous big pore structures. The scaffolds could find potential applications in tissue engineering.

En el siglo pasado se ha desarrollado una nueva energía: la nuclear. Su aplicación comprende tanto el campo militar como el campo civil. Unos de los aspectos más interesantes es el uso de esta energía para la producción de electricidad de uso civil.
El combustible nuclear es de larga duración: unas barras de uranio pueden llegar a producir energía eléctrica durante una década aproximadamente. Sin embargo, a mediados del siglo pasado se planteó el problema de los residuos nucleares. Este problema es muy complejo por que, aunque la duración del combustible sea de una década, el periodo de decaimiento es del orden de siglos.
Esta tesis quiere aportar su granito de arena a esta nueva rama de la ciencia nuclear, estudiando algunos aspectos del comportamiento geotécnico de los agregados de sal, para su uso como material de relleno en los depósitos definitivos de los residuos nucleares de mayor peligrosidad.
La regla fundamental de diseño de dichos depósitos es que su función debe desarrollarse sin la ayuda del hombre o de máquinas y que la misma naturaleza tiene que ser quien proteja al hombre del riesgo de radiaciones durante el transcurso de los siglos.
Parece que al día de hoy la solución mundialmente aceptada es la de un depósito profundo en formaciones rocosas, a veces utilizando antiguas minas, incluso de sal. Se prevé que entre esta década y la próxima entrarán en funcionamiento varios de estos depósitos en los países en que la investigación en este área está más avanzada.
En Europa se está haciendo un esfuerzo común, bajo supervisión de la Unión Europea y por medio de proyectos de investigación, para estudiar el funcionamiento del almacenamiento y la difusión de los resultados de esos estudios entre los miembros de la Unión Europea, a fin de dar el mayor provecho a las diferentes investigaciones que en la actualidad se están desarrollando en todos los centros de investigación de Europa.
Esta tesis trata sobre el comportamiento termo hidráulico de los agregados de sal debido a las altas temperaturas que el decaimiento de los residuos nucleares produce. Este fenómeno crea unos efectos en los materiales de relleno y en la formación de base de alrededor del deposito.
La tesis tiene un desarrollo básicamente experimental. En el laboratorio se realizaron fundamentalmente dos ensayos; el primero permitió determinar la curva de retención de los agregados de sal altamente compactados. Para ello se utilizó la técnica de traslación de ejes para aplicar la succión matricial y se construyó una placa de succión apta a los materiales salinos para la realización de estos ensayos.
Este ensayo permitió determinar el comportamiento de una propiedad básica de los materiales salinos no saturados, sus resultados pudieron aplicarse al resto de los trabajos que se realizaron con posterioridad en esta tesis.
El objeto del segundo ensayo de laboratorio fue reproducir los fenómenos de variación de porosidad debidos a la presencia de una diferencia de temperatura en las extremidades de la muestra.
Dicho ensayo tiene una importancia fundamental para los almacenamientos profundos, porque los residuos radiactivos serán una fuente de calor durante varios siglos y la presencia de elevadas temperaturas induce fenómenos de flujo y transporte en el contacto con los contenedores de carburante nuclear agotado. Además, en el caso de los agregados de sal, a estos fenómenos cabe añadir el intercambio de sal entre la fase sólida y la líquida (precipitación /disolución).
Para desarrollar estas pruebas de laboratorio, se dedicó una parte importante de la investigación al desarrollo y comprobación del equipo de ensayo, siendo éste poco convencional y completamente novedoso. Este último ensayo, en su segunda fase, fue convalidado mediante un modelo numérico (CODE BRIGHT). Los resultados del modelo numérico han permitido confirmar todo cuanto se determinó en la fase experimental y la importancia de la succión matricial en estos fenómenos.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Neste estudo foi realizado a obtenção e caracterização de materiais cerâmicos de alumina com gradiente funcional de porosidade. Foram utilizados como os métodos de processamento a rota de freeze casting em água e a fase de sacrifício utilizando o amido. Os materiais utilizados para a produção das amostras foram a alumina e o amido de milho de pureza analítica. Foram investigadas as características de porosidade quanto a morfologia de poros, distribuição dos poros pela matriz e interferência do processamento na formação destes. Para o estudo da porosidade, os métodos de porosimetria via método de Arquimedes em água e penetração de mercúrio foram aplicados na analise desta porosidade obtida. As propriedades mecânicas, bem como o modo de fratura obtido, também foram investigadas em ensaio de compressão uniaxial em uma máquina de ensaios universal. As imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura auxiliaram a correlacionar os dados obtidos nos ensaios de porosimetrias com a resposta mecânica obtida do material. Os resultados obtidos entre os métodos, quanto à porosidade, revelam diferenças consideráveis na distribuição e quantidade de poros ao se comparar o freeze casting com a fase de sacrifício com amido. Porém quanto a tamanho, os valores se mantiveram bem próximos. A resistência mecânica em compressão é maior nas amostras com amido, porém estas amostras falham de forma catastrófica. As amostras de freeze casting, por sua vez, possuem menor resistência mecânica e tiveram suas fraturas influenciadas por vários fatores durante o processamento. A morfologia de poros e microestrutura apresentada pelos dois métodos aplicados são consequência direta da rota de processamento utilizada. Nas amostras por freeze casting, foram observados canais de poros. Já as amostras com amido como fase de sacrifício, os poros são arredondados e não conectados
In this study, preparation and characterization of alumina ceramic materials with functional porosity gradients were performed. Freeze casting of alumina slurries, using water as the chosen solvent, and sacrificial phase method using corn starch as sacrificial phase, were implemented. The materials used to produce the samples were alumina and analytical purity corn starch. Porosity characteristics were investigated concerning pore morphology, pore distribution in the ceramic matrix and processing route interference in pore formation. The evaluation of porosity was made utilizing porosity determination methods as mercury intrusion and Archimedes method with water as immersion liquid. The mechanical properties, as well as the fracture mode, were investigated during uniaxial compressive test in a universal testing machine. Using the images obtained by scanning electron microscopy (SEM), it was possible to correlate the data obtained in the porosimetry analysis with the mechanical response obtained from the material. In terms of porosity, the results between the processing routes reveal considerable differences in pore distribution and quantity of pores. However, the pore sizes obtained for both methods were pretty close to each other. The mechanical strength during compressive stress was higher in the samples produced via sacrificial phase method, but those samples failed catastrophically. Freeze casting samples, on the other hand, had lower mechanical resistance and their fractures were directly influenced by several factors during their assembly processing. The pore and microstructure morphology presented by both methods were direct consequence of the processing route used. In the samples produced by freeze casting, pore channels were observed. The samples produced via sacrificial phased method using corn starch presented unconnected rounded pores.

Les matériaux cimentaires ont été retenus afin de composer la barrière ouvragée du site français de stockage des déchets nucléaires en formation géologique profonde. Ce choix se justifie par les capacités physico-chimiques propres aux bétons : les hydrates de la matrice cimentaire (CSH) et le pH de sa solution interstitielle contribuent à la rétention des radionucléides ; d'autre part la compacité de ces matériaux limite le transport d'éléments. Il convient de s'assurer de la pérennité de cette structure pendant une durée au moins égale à celle de la vie des déchets (jusqu'à 100 000 ans). Sa durabilité a été éprouvée par l'évolution des propriétés de transfert en fonction de la décalcification de matériaux cimentaires, altération traduisant le vieillissement de l'ouvrage. Deux modes de dégradation ont ainsi été appliqués tenant compte des différentes interactions physico-chimiques induites par la formation hôte. Le premier, de type statique, a consisté en une décalcification accélérée par le nitrate d'ammonium. Il simule l'altération de la barrière ouvragée par les eaux souterraines. La cinétique de la dégradation a été estimée par le suivi du calcium lixivié et l'avancée du front de dissolution de l'hydroxyde de calcium. Pour évaluer l'impact de la décalcification, les échantillons ont été caractérisés à l'état sain puis dégradé, en terme de microstructure (porosité, distribution porosimétrique) et de propriétés de transfert (diffusivité, perméabilité au gaz et à l'eau). L'influence de la nature du liant (CEM I et CEM V/A) et des granulats (calcaires et siliceux) a été observée en répétant les essais sur différentes formulations de mortiers. A cette occasion, une importante réflexion sur la métrologie de cet essai a été menée. Le deuxième mode de dégradation, dynamique, a été réalisé par un perméamètre environnemental. Il recrée les sollicitations subies par l'ouvrage lors de sa phase de resaturation post-fermeture (pression hydraulique imposée par la couche géologique et exothermicité des déchets). Cet appareillage, basé sur le principe d'une cellule triaxiale, permet de fixer un gradient de pression entre 2 et 10 MPa et une température de 20 à 80°C. La variation de la perméabilité à l'eau en fonction de ces deux paramètres expérimentaux, découplés et couplés, a été mesurée et reliée aux modifications microstructurales des échantillons
Cementitious materials have been selected to compose engineering barrier system (EBS) of the french radioactive waste deep repository, because of concrete physico-chemical properties: the hydrates of the cementitious matrix and the pH of the pore solution contribute to radionuclides retention; furthermore the compactness of these materials limits elements transport. The confinement capacity of the system has to be assessed while a period at least equivalent to waste activity (up to 100. 000 years). His durability was sustained by the evolution of transfer properties in accordance with cementitious materials decalcification, alteration that expresses structure long-term behavior. Then, two degradation modes were carried out, taking into account the different physical and chemical interactions imposed by the host formation. The first mode, a static one, was an accelerated decalcification using nitrate ammonium solution. It replicates EBS alteration dues to underground water. Degradation kinetic was estimated by the amount of calcium leached and the measurement of the calcium hydroxide dissolution front. To evaluate the decalcification impact, samples were characterized before and after degradation in term of microstructure (porosity, pores size distribution) and of transfer properties (diffusivity, gas and water permeability). The influence of cement nature (ordinary Portland cement, blended cement) and aggregates type (lime or siliceous) was observed: experiments were repeated on different mortars mixes. On this occasion, an essential reflection on this test metrology was led. The second mode, a dynamical degradation, was performed with an environmental permeameter. It recreates the EBS solicitations ensured during the resaturation period, distinguished by the hydraulic pressure imposed by the geologic layer and the waste exothermicity. This apparatus, based on triaxial cell functioning, allows to applied on samples pressure drop between 2 and 10 MPa and temperature from 20 to 80°C. Water permeability evolution relating to experimental parameters, uncoupled or coupled, was relied to mortars microstructural modifications

Presentamos una formulación nueva para el análisis de problemas Termo-hidro-mecánicos en medios salinos. Esta formulación incluye, desde la obtención de ecuaciones de balance de masa, momento y energía hasta su resolución numérica, incluyendo la derivación de algunas ecuaciones constitutivas. El programa de calculo resultante (Code Bright) puede usarse para analizar problemas reales de sistemas de sellado construidos con agregados porosos de sal, que era la motivación original de este trabajo.

Las ecuaciones de balance se han formulado teniendo en cuenta que en un medio salino existen tres especies o componentes mayoritarios. Estos son: la sal, el agua y el aire. Uno de los aspectos diferenciadores respecto a otros medios geológicos es que la fase sólida se disuelve a concentraciones elevadas en la fase liquida a la que se llama Salmuera. Otro aspecto interesante es la presencia de inclusiones de salmuera en la fase sólida. La disolución y precipitación de la sal da lugar a un mecanismo de deformación por fluencia. La forma de los granos de sal cambia por disolución en las zonas donde se concentran las tensiones y recristalizacion en las zonas de menor estado tensional. Además los granos también se deforman por el carácter muy dúctil del propio sólido cristalino. Hemos derivado una nueva ley constitutiva tensión deformación para los agregados porosos de sal, que se basa en acoplar una geometría idealizada de los granos con los mecanismos fundamentales de deformación.

Una vez que se ha desarrollado y verificado el programa de cálculo, este ha sido aplicado para el estudio de diferentes fenómenos. Presentamos el análisis de las variaciones de porosidad inducidas por gradientes de temperatura en agregados porosos de sal no saturados. Las diferencias de temperatura inducen un flujo de vapor que es contrarrestado por un flujo de salmuera. Este arrastra la sal disuelta y da lugar a un flujo de sal hacia zonas de temperatura más alta.

Submitted by Angela Maria de Oliveira (amolivei@uepg.br) on 2019-02-27T11:49:16Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Gustavo Antoniacomi de Carvalho.pdf: 6310308 bytes, checksum: 8e1efd9d86bc5a1adf80b45bba2a3985 (MD5)
Made available in DSpace on 2019-02-27T11:49:16Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Gustavo Antoniacomi de Carvalho.pdf: 6310308 bytes, checksum: 8e1efd9d86bc5a1adf80b45bba2a3985 (MD5) Previous issue date: 2018-01-30
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Cerâmicas porosas vêm ganhando visibilidade devido a algumas aplicações tecnológicas interessantes, tais como a utilização em eletrólitos sólidos, ânodos de células a combustível, filtros cerâmicos e reposição óssea e dental. Dentre elas, há especial atenção ao estudo de materiais porosos com porosidade graduada, nos quais a quantidade de poros e a morfologia dos mesmos se alteram pelo volume do material. Nesse trabalho foi realizado o processamento e caracterização de materiais cerâmicos de alumina com porosidade graduada a partir das técnicas de freeze casting e colagem de barbotina, utilizando hidróxido de alumínio e amido de arroz como fases de sacrifício. Após a conformação das amostras por esses métodos, a porosidade foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura, pelas medidas de porosidade aparente feita pelo Princípio de Arquimedes e pela distribuição de tamanho de poros feita pela técnica de porosimetria de mercúrio. Foi avaliada também a resistência mecânica das amostras a partir de ensaio de compressão. Foi confirmada a relação entre as amostras processados isoladamente e suas respectivas camadas nas amostras graduadas. Foi observada também uma boa interação interfacial entre cada uma das camadas das amostras graduadas. A porosidade das amostras com porosidade graduada se manteve próxima do esperado, o valor esperado foi determinado a partir da média das amostras processadas isoladamente em relação às camadas do material com porosidade graduada. O ensaio mecânico demonstrou que não houve influência das interfaces dos materiais graduados na sua resistência à compressão.
Porous ceramics have been gaining visibility due to some interesting technological applications, such as its use as solid electrolytes, fuel cell anodes, ceramic filters and bone and dental reposition. Among them, there is special care in studying graded porosity materials, where the quantity of pores and pore morphology changes through the material volume. In this work the processing and characterization of alumina ceramic materials with functionally graded porosity by freeze casting and slip casting techniques using aluminum hydroxide and rice starch as sacrificial template was performed. After conformation, the porosity was characterized through electron scanning microscopy, apparent porosity through Archimedes method and median pore size through mercury porosimetry. The mechanical resistance was also obtained by compression testing. The analysis allowed to confirm the relation between each of the isolated samples’ microstructure and its respective layer in each of the graded materials, also, the graded materials shown good interfacial interaction between each of the layers. The porosity in graded materials kept close to the expected value, which was determined by the medium value of the porosities of the isolated samples respective to the graded material. Mechanical testing shown that there was no influence of the graded material interfaces in its compressive strength.

Literature does not provide a satisfactory answer to maximum and minimum particle size or the particle size of the mortar phase especially for optimal porosity of concrete. To overcome the shortcomings of the design methods were thought to design a new method for design of concrete mix. This idea is based on a complex analysis of powder materials (determination of granular properties, shape factor of fillers, porosity, packing of powder materials, surface area, etc.) and subsequently to assess the influence to pore system of concrete and physical and mechanical properties in hardened state of concrete. In this work are presented and analyzed two types of fillers – fly ash and limestone dust.

In order to cure critical size bone defects, three dimensional scaffolds are required. The bone has a functionally graded structure, with the outer cortical bone having with 10-15% of porosity and inner cancellous bone possess 50-90% of porosity. Thus functionally graded scaffolds, fabricated with Class A biomaterial can be the better therapeutic design for curing critical size bone defects. In this work, an attempt had been made to develop porosity gradient bioglass scaffold. 45S5 bioglass and other two glasses, viz. 2P (with 2 wt.% P2O5) & 4P (with 4 wt.% P2O5) had been chosen to fabricate the scaffold. The bioactive glasses had been synthesized by melt quench method. Differential Scanning Calorimetry and Dilatometric study had been carried out to observe the thermal and sintering behavior of these bioactive glasses. Cytotoxicity, Haemocompatibility and Protein Absorption studies had been carried out on bioactive glasses as well as on sintered glass product. Porous scaffold preparation has been achieved using naphthalene as a pore former (0 wt.%, 30 wt.% & 50 wt.%), shaping by uniaxial pressing followed by sintering. Initially, single layer porous scaffolds had been fabricated and sintered at 800°C, 850°C & 900°C. Apparent porosity and bulk density had been measured for those single layer scaffolds and XRD phase analysis had been carried out. Diametral Tensile strength and flexural strength of those single layer scaffolds had been evaluated. Functionally graded scaffolds had been fabricated by incorporating 0wt.% naphthalene on outer layer and 30 wt.% & 50wt.% naphthalene on the inner layer, which had been sintered at 800°C, 850°C & 900°C. Apparent porosity and bulk density had been measured for the entire FGM system and graded layers separately. Splitting tensile strength had been calculated for the functionally graded scaffolds. Cell viability had been evaluated on those functionally graded scaffolds. The functionally graded scaffolds had been soaked in SBF for 1, 4, 7 & 14 days to observe the carbonated hydroxyapatite layer formation.

碩士
國立臺灣大學
材料科學與工程學研究所
91
Abstract In the present study, we developed a new polycrystalline platelet. The platelet is porous with gradient distribution. One side of the platelet is a dense SiO2 layer. Other phase in the platelet is mainly calcium oxide. The amount of pores increases with the increase of the distance from SiO2 layer. The macro-structure of the calcium oxide is a mutli-layered structure, many porous are inside it. The largest diameter of this platelet is 10mm, the thickness is 20-40μm. In the present study, fish scale is used as template. The macro-structure of fish scale is a layered one. There is 40% to 80% organic protein, the rest is ceramic. We applied fish scale as template to prepare porous layered platelet by using a novel process. The process mainly composes of two stages, silica coating and reaction sintering. First stage, the acid and alkaline solutions were used to applied SiO2 coating onto fish scale with the sol-gel process. Second stage, the coated fish scale is fired within the temperature range from 10000C to 14000C in a well-controlled atmosphere. Pores are still existed after firing, the pores distributes gradiently within the platelet. This polycrystalline platelet can be used as the reinforcement material for other materials.

The study was conducted on Mt. Hallasan (1950 a.s.l.) in South Korea. Forest plots were established along altitudinal gradient (950-1770 a.s.l.) from oak-hornbeam (Quercus serrata, C. laxiflora), to mixed-oak (Quercus mongolica, Taxus cuspidata), and fir (Abies koreana, Sorbus commixta) forests. Vascular plants were identified to species, and their total cover and covers of individual species in herb ({>} 1 m), shrub (1 - 5 m) and tree ({<} 5 m) layers estimated using Braun-Blanquet scale. Dentrended Correspondence Analyses was used to analyze relationship between environment and species composition, lifeforms spectra and plant diversity. The spatio-temporal variations in stem dispersion, radial growth, and mode of competition among trees were examined using the mapped location of trees and tree-rings. Changes in radial-growth were used to analyse stand disturbance history using 36647 measured tree-rings. Histories of radial-growth of individuals trees were further examined using visual classification to 5 different groups of growth trends. Ripley´s K-function was used to determine whether the spatial distribution pattern of trees was random, regular or clumped. Spatial size autocorrelations were used to determine the mode and extant of neighbor interactions. Spatial associations of different groups of trees and random mortality test were also computed for tree stands where Abies koreana was a dominant species.

Various types of woody vegetation are a key biodiversity refugee in intensively managed agricultural landscapes. However, the role of woodlots, representing an important type of such a vegetation, remains overlooked so far. Whereas the previous studies focused on the effect of their area, shape and isolation, consequences of variation in their habitat quality for biodiversity were not assessed up to now. This thesis is thus one of the first studies focusing on woodlots as a specific habitat for birds in agricultural landscape. My goals were: (I) to find out what is the bird community composition of woodlots in a Czech landscape, (II) to find out, what are the key habitat predictors of bird species richness and abundance in woodlots, (III) to describe differences in habitat preferences among various guilds and (IV) to formulate recommendations for conservational practice. I surveyed birds in 82 woodlots in an intensively managed landscape in Central Bohemia, Czechia, and measured variables describing woodlots' habitat quality together with woodlots' area, shape, isolation and types of surrounding land-use. I recorded numerous forest and non-forest bird species (57 in total), including some endangered farmland birds. The habitat variables showing significant relationships to bird community...

Nowadays trend in Europe is returning to harvesting of traditional feeding crops. One of these crops is oat which has been universally used since time immemorial. Even today oats are processing and using in food industry and as a feed for farm animals. Further using of oats is in cosmetics and pharmaceutical industry. Oats contain high amount of proteins and fats, beta-glukan and mineral elements. Oats include vitamins B and E, lecitin, niacin and antioxidants. Research was executing on fields of University of South Bohemia in České Budějovice during one year. An impact on crop yield and quality of oats was observed in dissertation. There were used three crops corn, rape and cereal (spring wheat) in research. After these crops were sown ten varieties of oats, four naked and six husked varieties. At these varieties were observed an impact on crop yield and quality of oats. Evaluated characters were monitored during the vegetation, pre-harvest and post-harvest. There were observed germination and methane, height of vegetation, the degree of lodging oats, the number of lat m2, weeds, diseases and pests, after harvest was determine harvested grain yield, moisture and density, number of grains per panicle, thousand grain weight and grain on a network share during the vegetation. From the measured values follows that the best crop in year 2012 was corn and the best results were achieved by variety Abel, Avenuda, Atego, Pogon, Salo.