Academic literature on the topic 'Milieux hétérogènes (physique) – Propriétés optiques'

L'étude concerne les propriétés optiques linéaires et non linéaires des matériaux hétérogènes comportant des grains métalliques de tailles nanométriques. Dans un premier temps, nous avons calculé l'intensité du champ électrique local à la surface de films d'or semi-continus, en remplaçant leur morphologie par des réseaux aléatoires de liens (ou de sites) métalliques et diélectriques. . . . D'autre part, nous avons effectué des mesures optiques non linéaires sur des couches minces, préparées par co-pulvérisation radio-fréquence, et constituées de grains d'or figés dans du dioxyde de titane (TiO2). A partir d'expériences de génération du second et du troisième harmonique en transmission, nous avons montré que les grains pouvaient, d'une manière significative, augmenter la suscepibilité optique non linéaire globale, pour des concentrations volumiques d'or dépassant 5°/°. Nous nous sommes interessés en particulier à l'influence de la réorganisation cristalline des grains, lorsque les couches ont été soumise035139811s à de fortes températures (400 °C)

Les milieux désordonnés composés de nanoparticules revêtent une grande importance dans de nombreuses applications, particulièrement celles liées à l'efficacité énergétique telle que le refroidissement radiatif. Dès lors, la compréhension de l'interaction lumière-matière est primordiale, mais s'avère très complexe. En effet, ces études doivent bien souvent passer par la résolution des équations de Maxwell dans des systèmes constitués de milliers de particules, permettant ainsi de prendre en compte les phénomènes de diffusion et d'interférences. De façon à réduire l'importante charge numérique qui en découle, ce travail de thèse se focalise sur des systèmes 2D en incluant quelques discussions sur des systèmes 3D. Dans ce contexte, le premier volet de ce manuscrit s'intéresse au concept d'homogénéisation pour des systèmes de particules petites par rapport à la longueur d'onde du rayonnement et pouvant présenter des résonances. Cette étude met en évidence des comportements exotiques permettant de discuter, entre autres, du lien entre homogénéisation et parties cohérente et incohérente du champ diffusé. Le second volet est dédié à l'optimisation de l'absorption du rayonnement dans des lames minces par rapport à la longueur d'onde, et composées de nanoparticules. On montre que l'utilisation exclusive de particules résonantes ne donne lieu qu'à une absorption plafonnant à 70%. Néanmoins, leur couplage avec des particules purement diffusantes permet une absorption quasi-parfaite (∼95%), par un effet similaire au couplage critique. Finalement, l'étude détaillée des mécanismes qui régissent le gain d'absorption en 2D a permis leur reproduction dans des systèmes 3D
Disordered media composed of nanoparticles are of great importance in many applications, particularly those related to energy efficiency such as radiative cooling. Understanding the light-matter interaction is therefore essential, but highly complex. Indeed, these studies often involve solving Maxwell's equations in systems made up of thousands of particles, to take account of scattering and interference phenomena. In order to reduce the ensuing numerical burden, this thesis focuses on 2D systems, with some discussion of 3D systems. In this context, the first part of this manuscript focuses on the concept of homogenization for particle systems that are small relative to the radiation wavelength and may exhibit resonances. This study highlights exotic behaviours that allow us to discuss, among other things, the link between homogenization and coherent and incoherent parts of the scattered field.The second part is dedicated to optimizing the absorption of radiation in subwavelength plates made of nanoparticles. It is shown that the use of resonant particles only results in absorption up to 70%. However, combining them with purely scattering particles results in near-perfect absorption (∼95%), through an effect similar to critical coupling. Finally, a detailed study of the mechanisms governing absorption gain in 2D has enabled them to be reproduced in 3D systems

Analyse comparative des différentes théories de la fonction diélectrique optique des milieux inhomogènes aléatoires macroscopiques (MIAM). Résultats expérimentaux sur le comportement diélectrique de 5 échantillons au-MGO dont la concentration volumique en métal n'excède pas 0,41; apparition de la résonnance de plasmon de surface sur tous les échantillons entre 550 et 600 nm. Nouvelles approches: théorie de Bruggeman modifiée, méthode des groupes de renormalisation. Applications dans les capteurs solaires

Ce mémoire est consacré à la modélisation et la simulation du comportement mécanique des matériaux hétérogènes par les méthodes autocohérente et par les calculs numériques par éléments finis. Les méthodes micro-macro développés dans cette thèse passent par la résolution du problème de l'inclusion qui est fondamental pour le calcul de la vitesse de déformation dans l'inclusion en fonction de celle appliquée à l'infini. Une formulation du problème de l'inclusion viscoplastique dans une matrice viscoplastique a été proposée, l'approche tangente anisotrope de Molinari et al. Est utilisée. Ceci constitue une extension du problème d'Eshelby pour un comportement non linéaire. L'objet de cette étude est l'analyse de la localisation de la vitesse de déformation dans une inclusion viscoplastique dans une matrice viscoplastique. Cette étude est réalisée pour différents rapports de rigidité entre l'inclusion et la matrice, différentes sensibilités à la vitesse de déformation et différents rapports de forme. Les résultats obtenus sont comparés et validés par les résultats des éléments finis. La méthode différentielle est abordée dans ce travail pour estimer le comportement effectif d'un matériau composite constitué d'inclusions viscoplastiques dispersées dans une matrice viscoplastique. La phase en inclusion est ajoutée incrémentalement de façon à ce que le matériau ajouté soit toujours en concentration dilué. Nous avons étudié l'effet de la sensibilité à la vitesse de déformation sur la rigidité effective pour différents rapports de rigidité inclusion/matrice et sensibilité à la vitesse de déformation dans l'inclusion et dans la matrice. Un développement théorique est proposé pour calculer la sensibilité à la vitesse de déformation effective du composite, selon que le chargement est contrôlé en imposant la contrainte ou la vitesse. La confrontation à des résultats expérimentaux sur des matériaux biphasé indique qu'un meilleur accord peut être obtenu en contrôlant la contrainte
An extension of the Eshelby problem for non-linear viscous materials is considered. An ellipsoidal heterogeneity is embedded in an infinite matrix. The material properties are assumed to be uniform within the ellipsoid and in the matrix. The problem of determining the average strain rate in the ellipsoid terms of the overall applied strain rate is solved in an approximate way. The method is based on the non-incremental tangent formulation of the non-linear matrix behavior (Molinari, A. , Canova, G. R. , Ahzi, S. , 1987. A self consistent approach of the large deformation polyctristal plasticity. Acta Metall. 35, 2983-2994). In the present work this approximate solution is verified with a good agreement by comparing to the finite element calculations for various inclusion and loading conditions. The differential scheme is using the obtained behavior of the composite depends on which phase is considered to be constituted by the inclusions. This is become the interaction is different between the inclusion and the matrix when they are exchanged. Results will be given for both cases in the applications part

Ce travail concerne la modélisation micromécanique du comportement élastoviscoplastique des matériaux hétérogènes, en vue d'une application aux alliages de polymères et polymères semicristallins. On utilise plus particulièrement l'approche autocohérente qui, contrairement à certains modèles extrêmes fournit une estimation plus réaliste de l'effet des interactions intergranulaires. Toutefois, la complexité du comportement élastoviscoplastique, de nature différentielle, rend difficile l'application directe du schéma autocohérent classique, adapté aux autres classes de comportement. En effet, le couplage entre l'élasticité et la viscosité est à l'origine du caractère héréditaire du matériau, qui, dans le cas des matériaux hétérogènes, induit un couplage espace/temps. Celui-ci se traduit par la présence d'interactions mécaniques différées (effet mémoire longue), que la transition d'échelle doit s'attacher à prendre en compte au mieux. Face à la lourdeur numérique des approches de type héréditaire, on privilégie les approches à variables internes pour la simplicité de leur démarche incrémentale. Jusqu'à présent, les modèles existants ont proposé soit des rééditions de modèles à accommodation élastique, entrainant une forte surestimation des contraintes, soit des approximations restrictives conduisant à des conditions autocohérentes incohérentes. Ainsi, ce travail a pour but de proposer une approche plus générale du problème de la transition d'échelle à variables internes en élastoviscoplasticité. Il repose, d'une part, sur la formulation d'une nouvelle équation intégrale, basée sur la prise en compte complète des équations de champs mécaniques à l'aide des opérateurs de projection, et d'autre part, sur l'utilisation des concepts associés aux états asymptotiques purement élastiques et viscoplastiques du matériau pour effectuer l'approximation autocohérente. L'analyse des résultats montre la prise en compte satisfaisante des interactions élastoviscoplastiques.

Ce travail présente une étude comparative des propriétés thermiques, électriques rhéologiques et diélectriques de trois systèmes composites : EVA chargé de billes de verre argentées et non argentées, EVA chargé de poudres de BaTiO3, et PVC chargé de nanotubes de carbone. Cette étude est consacrée dans un premier temps à l’élaboration des échantillons et à la détermination de la conductivité électrique (), de la conductivité thermique (k), de la viscosité dynamique () et de la permittivité diélectrique relative (r) (pour certains composites). Il a été démontré dans ce travail que l’effet de la taille des charges est significatif sur les propriétés électriques et diélectriques (diminution du seuil de percolation et de r) et négligeable sur les propriétés thermiques et rhéologiques. En outre, l’effet de la surface externe des charges est très important sur k et  s’il existe des contacts entre les charges au sein de la matrice. Par ailleurs, des corrélations ont été constatées entre k et les autres propriétés de transport (,  et r). Parallèlement à ce travail, une amélioration d’une méthode radiométrique périodique utilisant la thermographie infrarouge et permettant la mesure simultanée de l'émissivité, de la conductivité et de la diffusivité thermique de matériaux opaques a été mise en place. La méthode et le dispositif de mesure ont été validés en étudiant un matériau de propriétés connues (PVC) à température ambiante. Cette validation comprend une étude de la reproductibilité de la méthode, une comparaison aux résultats de la littérature, une analyse des sources d'incertitudes ainsi qu'une analyse de sensibilité pour l’échantillon de PVC
This work presents a comparative study of thermophysical, electrical, dielectric and rheologic properties of three composites: glass and silver coated glass spheres dispersed in EVA matrix, powders of BaTiO3 dispersed in EVA matrix and PVC matrix filled with Carbon NanoTubes. This study is devoted in the first time to the composites preparation and to the measurements of the electrical conductivity (), thermal conductivity (k), dynamic viscosity () and the relative permittivity (r) (for some composites). It was shown that both relative permittivity r and electrical conductivity  depend on the fillers size. However, the effect of the particles size on the thermal and the rheologic properties can be neglected. Besides, the fillers surface is an important factor controlling the thermal and the electrical conductivities. It also follows from this study the existence of a correlation between the thermal conductivity and others properties (,  and r). The second objective of this study was the improvement of a measurement method of emissivity, thermal conductivity and diffusivity. The characterisation of a reference sample (PVC) allowed the validation of the measurement protocol. This includes the reproducibility study of the method, the comparison of the results to the literature data, the analysis of the limitations of the measurement protocol and a sensitivity analysis

Dans ce travail, on a proposé un cadre général permettant de déterminer les propriétés thermoélastiques linéaires et non linéaires (élastiques) des matériaux microhétérogènes et macrohomogènes, à partir des propriétés des constituants et de la microstructure du matériau

Les milieux à propriétés continûment variables selon une direction particulière de l'espace intéressent les géophysiciens depuis plus de cinquante ans. La croûte terrestre, les océans et l'atmosphère sont des milieux naturels continûment hétérogènes. Mais on rencontre également ce type de configuration, variation continue des propriétés caractéristiques des matériaux, pour de nombreux produits industriels. La caractérisation de ces matériaux représente donc un enjeu important. Le schéma classique de résolution des équations d'ondes en milieux à hétérogénéité unidirectionnelle repose sur un modèle multicouche, la stratification du milieu étudié pouvant être naturelle, les propriétés sont des fonctions constantes par morceaux, ou artificielle, les propriétés sont des fonctions continues que l'on discrétise. Cette approche est alors connue sous le nom de méthode de Thomson-Haskell. Dans le cas de milieux continûment variables, on calcule une solution exacte à un problème approché ce qui suscite de nombreuses interrogations quant à la précision et à la validété des solutions obtenues. Dans ce travail, le problème est abordé sous un angle offrant ainsi de nouvelles perspectives d'approche des milieux hétérogènes. Afin de conserver l'authenticité du problème, nous proposons d'utiliser une méthode basée sur le développement en série de Peano du matricant, forme explicite de la solution analytique exacte des équations d'ondes mises sous la forme d'un système différentiel ordinaire du premier ordre à coefficents non-constants, pour des profils quelconques de propriétés. Les développements analytiques et numériques de cette écriture appliquée à des problèmes de conditions aux limites ont fourni une méthode robuste d'analyse des phénomènes acoustiques (courbes de dispersion, spectre fréquentiel du coefficent de réflexion etc. ). Des résultats prometteurs quant à la caractérisation ultrasonore des milieux continûment variables ont été obtenus.

Le développement de l'informatique et des capacités de traitement numérique révolutionne de nombreux secteurs. Dans le domaine de la mécanique des matériaux, la modélisation par Eléments Finis permet désormais de traiter des Volumes Elémentaires Représentatifs (VER) de structures composites complexes. Le présent travail est une contribution à la modélisation du comportement mécanique de structures de type matrice renforcée ou matrice poreuse à partir du développement de codes de maillages adaptés à la présence d’endommagement. Diverses méthodes ont été proposées selon le type de dommage (intra-inclusionnaire, interfacial, intra-matriciel) à prendre en compte. Dans le cas des sructures matrice/inclusions, les maillages automatisés conçus sont adaptés à des formes inclusionnaires ellipsoidales et multi-couches, non nécessairement homothétiques, afin de permettre des comparaisons avec les estimations analytiques des comportements de telles structures qui en général supposent ces géométries. Les inclusions, dotées ou non d'un enrobage, peuvent soit porter une fissure, soit être partiellement décollées de diverses manières. Ces VER sont mono ou bi-inclusionnaires, et le dommage y est prélocalisé. Des protocoles de maillage automatique ont également été adaptés à des microstructures réelles issues d'analyse en microtomographie X haute résolution. Les VER sont dans ce cas poly-inclusionnaires. Le maillage est alors constitué d'éléments hexaédriques (cubes) pouvant correspondre soit aux voxels individuels, soit à des mailles de plus grande dimension. En dotant les faces des mailles d'éléments joints appropriés, ces VER permettent d'apprécier l'effet d'un dommage matriciel non pré-localisé, et de suivre son évolution sous sollicitation. Une procédure de modélisation avec deux échelles de maillage a été réalisée. Les comparaisons, illustrations et applications présentées dans ce travail sont pour l'essentiel limitées au cas de l'élasticité linéaire, d’anisotropie générale. Le champ d’application aux comportements non linéaires est néanmoins ouvert par les méthodes actuelles de modélisation qui font pas à pas référence à des milieux linéaires de comparaison pour les phases non linéaires en présence. Des comparaisons de comportements effectifs estimés pour les structures saines et leurs homologues diversement endommagés ont été effectuées avec des modèles analytiques simples (Ponte-Castaneda et Willis notamment, et Mori-Tanaka) faisant usage de la solution d'Eshelby du problème de l’inclusion ellipsoidale. Des comparaisons avec d'autres méthodes de calculs numériques de propriétés effectives (telle la méthode F. F. T. ) sont également reportées. Des applications à l’estimation du comportement de divers matériaux réels endommagés (PMMA/SiC, Plâtre, Al/SiC, Carbone/Carbone, fibre de verre époxy) sont présentées. A partir de l'observation de l'endommagement et des descriptions qui peuvent en être faites, on compare les calculs réalisés à partir de nos VER à des mesures expérimentales (par essais de traction, ou par méthodes ultra-sonores). Ces comparaisons éclairent en retour le processus d’endommagement
One estimates, associating F. E. Simulations and analytical homogenization methods (3-phase, Willis, Mori-Tanaka, models), effective elasticity moduli of damaged composite structures (PMMA/SiC, Plaster, Al/SiC, Carbon/Carbon, glass/polymer). One compares to experimental (U. S. Or mechanical) data. One questionnes the concept of “Undamaged Equivalent Inhomogeneity”, appeared in literature. Automated meshing tools for damageable inclusional patterns have been realized (code Cast3m). For inclusion fracture or debonding study, allowing comparison and/or association to analytical approaches, imbricated ellipsoidal shapes are built. In matrix phase, cubic elements mesh – over two heterogeneity levels – assemblages of damaged elementary volumes. This meshing can be performed at the voxel scale of microtomographic images. The use of surface elements allows to follow under load a not-pre-localized damage

La problématique suivie dans ce travail est la détermination des propriétés effectives, élastiques et conductivité, de matériaux poreux hétérogènes tels que des roches, les roches oolithiques en particulier, en relation avec leur microstructure. Le cadre théorique adopté est celui de l’homogénéisation des milieux hétérogènes aléatoires et on suit les approches par tenseurs d’Eshelby. Ces approches sont basées sur la résolution des problèmes d’Eshelby : le problème de l’inclusion (premier problème) et le problème de l’inhomogénéité (second problème) isolées dans un milieu infini. La solution de ces problèmes de référence est analytique, en élasticité linéaire isotrope et en diffusion linéaire stationnaire, dans le cas d’inhomogénéités 2D ou 3D de type ellipsoïde. Elle conduit à la définition de tenseurs caractérisant les interactions entre l’inclusion/inhomogénéité et le milieu environnant. On utilise dans ce travail les tenseurs de contribution relatifs à une inhomogénéité isolée, définis par Kachanov et Sevostianov 2013, contributions à la souplesse (élasticité) et à la résistivité (conductivité). Ces tenseurs au cœur des méthodes d’homogénéisation de type EMA (Effective Medium Approximation), et en particulier les schémas NIA (Non Interaction Approximation), Mori Tanaka et Maxwell. Ce travail est centré sur la caractérisation des paramètres géométriques microstructuraux dont l’influence sur les propriétés effectives est majeure. On étudie en particulier les effets de forme des inhomogénéités, la nouveauté est l’aspect 3D. Les observations microstructurales de roches oolithiques, dont le calcaire de référence de Lavoux, mettent en évidence des hétérogénéités de forme 3D et concave. En particulier les matériaux de remplissage inter-oolithes, pores ou calcite syntaxiale. Ces formes peuvent être observées sur d’autres matériaux hétérogènes et ont été peu étudiées dans le cadre micromécanique. Cela nécessite de considérer des formes non ellipsoïdales et de résoudre numériquement les problèmes d’Eshelby. Le cœur de ce travail est consacré à la détermination des tenseurs de contribution d’inhomogénéités 3D convexes ou concaves de type supersphère (à symétrie cubique) ou supersphéroïde (à symétrie de révolution). Le premier problème d’Eshelby a été résolu, dans le cas de la supersphère, par intégration numérique de la fonction de Green exacte (solution de Kelvin dans le cas isotrope) sur la surface de l’inclusion. Des modélisations 3D aux éléments finis ont permis de résoudre le second problème d’Eshelby et d’obtenir les tenseurs de contribution à la souplesse et à la résistivité pour les superphère et supersphéroïde. Sur la base des résultats numériques, des relations analytiques simplifiées ont été proposées pour les tenseurs de contribution sous forme de fonctions des paramètres élastiques des constituants et du paramètre adimensionnel p caractérisant la concavité. Un résultat important, dans le cas de la superphère et dans le domaine concave, est l’identification d’un même paramètre géométrique pour les tenseurs de contribution à la souplesse et à la résistivité. Les résultats numériques et théoriques obtenus sont appliqués à deux problèmes : l’estimation de la conductivité thermique effective de roches calcaires oolithiques d’une part et l’étude de l’extension des relations dites de substitution définies par Kachanov et Sevostianov 2007 au cas non ellipsoïdal d’autre part. Pour le premier problème, un modèle micromécanique de type Maxwell, à deux échelles a permis de retrouver les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature, en en particulier l’influence de la porosité sur la conductivité thermique effective dans les cas sec et humide. Dans le cas du second problème, les résultats obtenus ont permis de montrer que la validité de relations de substitution est restreinte, dans le cas non ellipsoïdal et en considérant une forme d’inhomogénéité de type supersphère, au domaine convexe seulement
Focusing on the effect of shape factor on the overall effective properties of heterogeneous materials, the 1st and the 2nd Eshelby problem related to 3-D non-ellipsoidal inhomogeneities with a specific application to oolitic rocks have been discussed in the current work. Particular attention is focused on concaves shapes such as supersphere and superspheroid. For rocks, they may represent pores or solid mineral materials embbeded in the surrounding rock matrix. In the 1st Eshelby problem, Eshelby tensor interrelates the resulting strain about inclusion and eigenstrain that would have been experienced inside the inclusion without any external contraire. Calculations of this tensor for superspherical pores– both concave and convex shapes – are performed numerically. Results are given by an integration of derivation of Green’s tensor over volume of the inclusion. Comparisons with the results of Onaka (2001) for convex superspheres show that the performed calculations have an accuracy better than 1%. The current calculations have been done to complete his results. In the 2nd Eshelby problem, property contribution tensors that characterizes the contribution of an individual inhomogeneity on the overall physical properties have been numerically calculated by using Finite Element Method (FEM). Property contribution tensors of 3D non ellipsoidal inhomogeneities, such as supersphere and superspheroid, have been obtained. Simplified analytical relations have been derived for both compliance contribution tensor and resistivity contribution tensor. Property contribution tensors have been used to estimate effective elastic properties and effective conductivity of random heterogeneous materials, in the framework of Non-Interaction Approximation, Mori-Tanaka scheme and Maxwell scheme. Two applications in the field of geomechanics and geophysics have been done. The first application concerns the evaluation of the effective thermal conductivity of oolitic rocks is performed to complete the work of Sevostianov and Giraud (2013) for effective elastic properties. A two step homogenization model has been developed by considering two distinct classes of pores: microporosity (intra oolitic porosity) and meso porosity (inter oolitic porosity). Maxwell homogenization scheme formulated in terms of resistivity contribution tensor has been used for the transition from meso to macroscale. Concave inter oolitic pores of superspherical shape have been taken into account by using resistivity contribution tensor obtained thanks to FEM modelling. Two limiting cases have been considered: ‘dry case’ (air saturated pores) and ‘wet case’ (water liquid saturated pores). Comparisons with experimental data show that variations of effective thermal conductivity with porosity in the most sensitive case of air saturated porosity are correctly reproduced. Applicability of the replacement relations, initially derived by Sevostianov and Kachanov (2007) for ellipsoidal inhomogeneities, to non-ellipsoidal ones has been investigated. It it the second application of newly obtained results on property contribution tensors. We have considered 3D inhomogeneities of superspherical shape. From the results, it has been seen that these relations are valid only in the convex domain, with an accuracy better than 10%. Replacement relations can not be used in the concave domain for such particular 3D shape