Littérature scientifique sur le sujet « Propriétés multiphysiques »

Les techniques de l'éco-construction répondent au besoin de réduire l'empreinte environnementale du secteur de la construction grâce à l'utilisation de ressources de proximité (filières courtes), sans transformation énergivore et grâce à la capacité de régulation thermo-hydrique des parois. La terre crue seule ou associée à de la paille fait office de symbole. Mais ses caractéristiques variables selon son origine, le long temps de séchage, et de faibles résistances mécaniques sont des freins à son utilisation. L'association de la terre avec des adjuvants biosourcés, tel que l'amidon déjà utilisé dans la fabrication de plaque de plâtre, représente une voie intéressante d'amélioration des performances. La thèse a pour objectif d'étudier l'influence de l'amidon sur le comportement physico-mécanique de la terre seule ou mélangée à de la paille. L'application envisagée des formules est la préfabrication de produits de construction non-porteurs. Les formulations incluent des fines argilo-calcaires (FAC), de la chènevotte ou des anas de lin, et différents amidons. La première partie de la thèse porte sur les mélanges terre-amidon. Des essais au viscosimètre ont défini le comportement rhéologique des mélanges de type Bingham modifié et ont montré une augmentation de la thixotropie. A l'état durci, les résistances mécaniques ont été meilleures avec l'amidon. La deuxième partie porte sur des mélanges terre-paille-amidon. L'amidon améliore l'ouvrabilité et les résistances mécaniques mesurées selon différentes conditions de stockage. A l'échelle d'un carreau, les performances mécaniques, thermiques, et acoustiques de certaines formules sont comparables à celles de carreaux de plâtre
The eco-construction responds to the need to reduce the environmental footprint in the sector of construction through the use of proximity resources (e.g. earth, straw, etc.), without energy-intensive transformation and through the thermohydric regulation capacity of walls. Raw earth alone or in association with straw is a symbol. But variable characteristics according to its origin, a long drying time and low mechanical strengths are brakes to its use. Earth material in association with biosourced admixtures such as starch, already used in the manufacturing of plasterboard, represents an interesting way to improve its performances.The thesis aims to study the influence of starch on the physico-mechanical behavior of the earth alone or with straw. The intended application of the study is the prefabrication of non-load-bearing construction products. The designed mixes include quarry fines (QF), hemp or flax straw and various starches.The first part of this work deals with earth-starch mixes. Viscometer tests were defined modified Bingham as the rheological behavior of mixes and showed an increase in thixotropy. In hardened state, the mechanical strengths are better with starch.The second part deals with earth-straw-starch mixes. Starch improves the workability and the mechanical strengths measured under different storage conditions. At the scale of a block, the mechanical, thermal and acoustic performances of some mixes are comparable to those of plaster blocks

Secteur clé dans la lutte contre le réchauffement climatique et dans la transition énergétique, le domaine du bâtiment doit prioritairement repenser et transformer son activité. L'utilisation de matériaux premiers et biosourcés permet, entre autres, de répondre efficacement à ces enjeux environnementaux. Ils participent à la préservation des ressources naturelles et à la diminution des consommations de matières premières d'origine fossile par valorisation de déchets ou coproduits renouvelables ainsi qu'à la limitation des émissions de gaz à effet de serre et à la création de nouvelles filières économiques. Dans ce contexte, le travail de thèse réalisé vise à proposer une solution constructive bio et géosourcée à faible impact environnemental. Ainsi, un matériau d'isolation thermique répartie en béton végétal, utilisé en remplissage d'une structure porteuse, est considéré ici. Pour la formulation de béton léger, le potentiel de deux agroressources, le maïs et le tournesol, est évalué. Ces granulats disponibles localement sont considérés en remplacement de la chènevotte de chanvre, couramment utilisée mais plus faiblement disponible. Ils sont alors associés à un liant. Deux matrices minérales différentes sont utilisées dans l'étude : une chaux formulée et un liant pouzzolanique. L'exploration de la microstructure des matériaux composites et de leurs composants, ainsi que l'étude des interactions entre les différentes phases permettent une compréhension des performances hygrothermiques et mécaniques des matériaux développés. La plus forte porosité ouverte des composites à base de liant pouzzolanique confère aux agrobétons une capacité tampon hygrique supérieure à celle des matériaux à base de chaux formulée. Par ailleurs, les hydrosolubles de maïs ont un effet délétère sur la prise et le durcissement du liant, compromettant ainsi le comportement mécanique du béton végétal durci qui est alors incompatible avec son utilisation en construction. Au regard des propriétés d'usage, la formulation à base de liant pouzzolanique et de granulats de tournesol apparaît donc comme étant la plus satisfaisante. Rarement laissés à l'état brut dans un bâtiment, ces agrobétons sont recouverts d'un enduit susceptible d'altérer les performances hygrothermiques de la paroi. La deuxième partie du travail de thèse consiste à évaluer et optimiser les performances d'un enduit de finition en terre crue. Dans ce type d'enduit, le rôle de liant est joué par la fraction argileuse contenue dans la terre. Cette propriété colloïdale peut s'accompagner de variations volumiques importantes en fonction de l'état hydrique du matériau et de la nature minéralogique des argiles, pouvant conduire à une fissuration de l'enduit au séchage.[...]
As a key sector in the fight against climate change and in the energy transition, the building industry must re-think and transform its activity. The use of raw and bio-based materials can help to respond to this environmental challenge effectively, enabling natural resources to be saved thanks to the recovery of agricultural waste and by-products, the consumption of fossil raw materials to be reduced, greenhouse gas emissions to be limited, and new economic sectors to be created and developed. In this context, this thesis research project aims to develop a constructive bio- and geo-based solution with low environmental impact. A thermally self-insulating vegetal concrete, used to fill a load-bearing structure, is considered. For the mix design of this lightweight concrete, the potential of two agricultural by-products, maize and sunflower, is evaluated. These two locally available aggregates are considered as substitutes for hemp shiv, which is currently the most commonly used of such products even though little is available. They are then mixed with a binder. Two mineral matrices are considered in the study: a lime-based preformulated binder and a metakaolin-based pozzolanic binder. The exploration of the microstructure of both vegetal concretes and their components, together with studies of the chemical interactions between the lignocellulosic particles and the mineral binder, provide a better understanding of the hygrothermal and mechanical performances of the bio-based materials developed. The very open and interconnected pore structure of pozzolanic-based composites is responsible for their higher moisture buffering capacity than those obtained with lime-based materials, while the water-soluble components of maize disturb the setting time and the mechanical behaviour of mineral binders after hardening, thus preventing the use of maize-based concrete in construction. From the standpoint of suitability for use, pozzolanic binder and sunflower bark chips appear to be the most promising combination of raw materials for designing a hygrothermally and mechanically effective bio-aggregate based concrete. In practice, vegetal concrete walls are rarely left uncoated in a building. The presence of wall coating is likely to influence the hygrothermal behaviour of the wall. The second part of the thesis work consists of evaluating and optimising the performances of an unfired earth-based finish coating. In this type of plaster, the clayey phase ensures the global cohesion of the material by acting as a binder for the sand grain skeleton. Depending on the water state of the material, more or less affected by the soil mineralogical composition, clay can induce drying shrinkage of the mortar, leading to cracking of the plaster. [...]

L’objectif de cette étude a été de développer des outils d’homogénéisation pour les comportements couplés (comme par exemple la magnétostriction ou la piézoélectricité). Le principal développement issu de cette thèse est l’adaptation des outils d’homogénéisation classiques (découplés) grâce à un formalisme de décomposition des champs suivant leurs origines physiques. Cette décomposition mène à une réécriture des lois de comportements des matériaux avec des lois a priori découplées, associées à des relations additionnelles de couplage. Cette réécriture permet d’utiliser les outils classiques (découplés) d’homogénéisation sans adaptation majeure. La prise en compte des non-linéarités des lois de comportement a été prise en compte au travers de plusieurs procédures de linéarisation. Une amélioration à cette démarche a également été obtenue en prenant en compte les fluctuations intraphases (les moments d’ordre 2 pour débuter) des champs étudiés. Il a fallu pour cela adapter les outils d’homogénéisation, qui se contente des seules valeurs moyennes en règle générale. Les outils d’homogénéisation développés pendant cette thèse ont été validés par comparaison avec une modélisation par Eléments Finis. Les résultats ont montré un très bon accord, pour un temps de calcul bien inférieur pour l’homogénéisation (rapport d’environ 1000 pour les comportements linéaires). Les modèles d’homogénéisation sont également capables de capturer les effets de couplage dits extrinsèques, les résultats étant encore en bon accord avec ceux provenant du modèle Éléments Finis. Le rapport qualité de l’estimation / temps de calcul est donc très favorable à l’homogénéisation
This study is focused on the development of accurate homogenization models for coupled behavior (such as piezoelectricity or magnetostriction). The main development in this study is the adaptation of classical uncoupled methods based on a clever decomposition of the fields in different terms, depending on their physical origin. Nonlinear behavior has been taken into account through a linearization process. An improvement has been obtain by including the second order moments of the fields in the models. The developed models have been validated through a comparison of the results with the ones obtained from a Finite Element model. The results show a good agreement with a very lower computational cost for homogenization (ratio over 1000 when dealing with linear constitutive laws). The homogenization model has also been able to catch extrinsic effects, such as the magnetoelectric effect. The ratio between estimation quality / computation time shows the advantages of homogenization methods, which have been successfully adapted to coupled behavior

La recherche et développement de dispositifs médicaux avec diverses applications en diagnostiques et en thérapie ont été réalisés. Actuellement, tous les systèmes micro-ondes disponibles d'hyperthermie proposent uniquement des traitements avec une puissance élevée de micro-ondes. Dans cette thèse, un nouveau système d'hyperthermie micro-ondes est étudié pour le bénéfice des fonctions de diagnostic et de thérapie. L'utilisation d'un applicateur avec un niveau très faible et inoffensif de puissance micro-ondes permet de faire le premier diagnostic. Le traitement thérapeutique thermique sera effectué en utilisant le même applicateur avec une puissance micro-ondes élevée et adaptée sur la partie pathologique. Des caractérisations micro-ondes large bande de cinq tissus biologiques différents ont été effectuées à différentes températures avec une méthode de sonde coaxiale ouverte et le modèle de ligne virtuelle. Les expérimentations ex vivo d'hyperthermie micro-ondes avec des puissances de quelques watts à 2,45GHz ont été réalisées sur ces tissus d'épaisseurs variées. L'évolution de la température des tissus a été mesurée en utilisant un capteur infrarouge. Les simulations électromagnétiques et thermiques pour les expérimentations ex vivo d'hyperthermie micro-ondes ont été effectuées en utilisant COMSOL Multiphysics avec la méthode des éléments finis et la symétrie axiale 2D en considérant les tissus variés de différentes épaisseurs et puissances micro-onde incidente. Les simulations du modèle correspondent bien aux mesures. Cette recherche illustre la possibilité d'avoir un câble coaxial souple et adapté à la fois au diagnostic et au traitement pour une thérapie mini invasive
Research and development of medical devices with various diagnostic and therapeutic applications have been carried out in different countries because of the great advances in electronic and electromagnetic devices during recent decades. However, at present, all of available existing microwave hyperthermia system can just offer treatment, by using high microwave power. In this thesis, a new microwave hyperemia system is researched which could have both diagnostic and therapeutic functions. One single applicator is used to measure dielectric properties of tissue with a very low harmless microwave power for diagnosis first. Then thermal therapeutic treatment will be carried out by using the same applicator with higher and adapted microwave power. Microwave broad band characterization of five different biological tissues at different temperatures with an open–ended coaxial probe method and the virtual line model has been carried out. Ex vivo microwave hyperthermia experiments using microwave power of a few Watts at 2.45GHz have been carried out on five tissues of various thicknesses. Temperature evolution of the biological tissues has been measured by using an infra-red senor. Electromagnetic and thermal simulations for ex vivo microwave hyperthermia experiment have also been achieved by using COMSOL Multiphysics software with 2D axisymmetrical finite–element method and considering different tissues of various thicknesses and incident microwave powers. Simulation results correlate well with the experimental ones. This research, illustrates the possibility to have a flexible and feasible coaxial cable for both diagnosis and treatment for a minimally invasive therapy

Dans cette thèse, nous présentons une étude approfondie des résonateurs à disques optomécaniques ultra-haute fréquence, en fonctionnement dans divers environnements liquides. L'objectif du travail était de développer des techniques expérimentales optiques et des modèles théoriques pour étudier les interactions fluide-structure dans des dispositifs micro ou nanométriques vibrants, ayant des applications potentielles en fluidique, en détection pour le biomédical et en science des matériaux. Nous avons appliqué des techniques de transduction optomécaniques à des résonateurs à disque en silicium pour mesurer diverses propriétés des liquides. En s'appuyant sur des modèles analytiques et numériques, nos mesures permettent de remonter à l'indice de réfraction, la conductivité thermique, la viscosité, la densité et la compressibilité du liquide. Nous avons notamment obtenu des expressions explicites pour le décalage en fréquence et le facteur de qualité mécanique d'un disque immergé dans un liquide, le transformant en un rhéomètre calibré. Puisque ce rhéomètre couvre la gamme de fréquences de 200 MHz à 3 GHz, nous avons pu observer d'importants effets de compressibilité dans l'eau, et confirmé que ce liquide reste pour autant newtonien dans cette gamme. En revanche, le 1-décanol liquide présente un comportement non newtonien, avec une viscosité dépendant de la fréquence, et des temps de relaxation associés proche de la nanoseconde que nous avons pu mettre en évidence expérimentalement. Le travail de thèse apporte un éclairage sur le comportement des résonateurs à disque optomécanique immergés, et démontre leur potentiel pour sonder les propriétés multiphysiques d'un liquide à l'échelle micronique
In this thesis, we present an in-depth study of ultra-high frequency optomechanical disk resonators operating in various liquid environments. The goal of the work was to develop optical experimental techniques and theoretical models to study fluid-structure interactions in micro- and nanoscale vibrating devices, with potential applications in fluidics, biomedical sensing, and materials science. We employed optomechanical transduction techniques on silicon disk resonators to measure various properties of liquids. Backed by analytical and numerical models, our measurements give access to the liquid's refractive index, thermal conductivity, viscosity, density, and compressibility. We notably derived closed-formed expressions for the mechanical frequency shift and quality factor of a disk immersed in liquid, transforming it into a calibrated rheometer. As this rheometer covers the frequency range from 200 MHz to 3 GHz, we observed pronounced compressibility effects in liquid water, and confirmed that this liquid remains Newtonian in this range. In contrast, 1-decanol liquid exhibits a non-Newtonian behavior, with a frequency-dependent viscosity associated with relaxation times that we could reveal experimentally. The thesis work provides insights into the behavior of immersed optomechanical disk resonators and demonstrates their potential to probe the multiphysics properties of a liquid at the micron scale

Les conducteurs mixtes (MIECs) sont des matériaux prometteurs pour la réalisation de membranes séparatrices de l’oxygène de l’air à haute température. Cette séparation s’effectue par semi-Perméation de l’oxygène à travers la membrane. Ce phénomène induit un gradient de potentiel chimique à l’origine de la rupture de certaines membranes. La prévision des gradients en service et la connaissance des propriétés mécaniques sont essentielles pour la prévision de la fiabilité des futurs sites de production. La semi-Perméation suit la théorie de Wagner en volume, mais aucun consensus n'excite pour les échanges en surface. En outre, les modèles d’échanges en surface décrivent l'état stationnaire, et ne peuvent être étendus au régime transitoire. Dans cette thèse, un nouveau modèle d'échange de surface est proposé. Il prend en compte l'association / dissociation de l'oxygène et le coût énergétique élevé de réduction / oxydation de l’oxygène par l’introduction de la conservation d’une espèce chimique transitoire seulement présente à la surface. Ce modèle permet de reproduire les états stationnaires et transitoires. En parallèle, un dispositif expérimental de caractérisation des propriétés mécaniques des MIECs a été développé à 900°C. L’essai mis en place est un essai « pseudo brésilien » instrumenté par une mesure optique. Le post-Traitement s’effectue par une méthode « Integrated Digital Image Correlation ». Les propriétés élastiques de sept nuances de conducteurs mixtes ont pu ainsi être caractérisées
Mixed Conductors (MIECs) are promising membrane materials for oxygen separating from air at high temperature. The oxygen semi-Permeation is the most important property of the membrane. This property induces a chemical potential gradient, which is the origin of some membrane ruptures. Forecasting gradients in service and the knowledge of MIECs mechanical properties are necessary for predict the reliability of future power plants. While the diffusion is well described by the Wagner theory, no consensus has yet emerged regarding the surface exchange models proposed in the literature. Furthermore, these models describe the stationary state, and cannot be extended to the transient stage. In this thesis, a new surface exchange model is proposed. This model takes into account the association/dissociation of oxygen and the high energetic cost of oxygen reduction/oxidation thanks to the balance of a transient species only present at the surface. This model can reproduce stationary state and transient stage. In parallel, a test device for characterizing the mechanical properties of the MIECs has been developed at 900 ° C. The test is “pseudo-Brazilian test” instrumented by an optical measurement. Post-Processing is carried out by a "Integrated Digital Image Correlation" method. The elastic properties of seven mixed conductors have been characterized

Ces études concernent l’amélioration de l’efficacité énergétique des fours de boulangerie utilisés pour la cuisson de baguette « traditionnelle ». Au cours de la cuisson, la pâte fermentée se transforme en mie avec des modifications importantes du milieu. Les apports de chaleur induisent différentes réactions physico-chimiques au sein de la pâte (production de C02, gélatinisation) qui se traduisent par une évolution de la structure alvéolaire et des mécanismes physiques. Puis on assiste en périphérie à la formation de croute. Les travaux ont porté sur le développement et la validation d’un modèle macroscopique multiphysique capable de prédire le comportement transitoire du produit de l’état de pâte à celui de mie et de croûte. On s’est en particulier intéressé à la cuisson sur sole de baguettes. Le produit est alors soumis à des apports de chaleur par conduction directe, convection et rayonnement infrarouge. Une injection de vapeur est en plus réalisée à l’enfournement de la pâte. Les variables d’état retenues sont la température, la teneur en eau, la pression de gaz, la fraction de gaz et le déplacement. Les propriétés utilisées sont dépendantes des variables d’états et de la structure du produit. Ces études numériques sont confortées par l’exploitation de mesures expérimentales réalisées sur un four instrumenté. L’analyse des évolutions des variables d’état montre la nécessité de disposer d’une bonne base de données sur les propriétés macroscopiques du produit lors de sa transformation. Dans la dernière partie de cette étude, le modèle numérique est utilisé afin d’étudier différentes approches possibles d’amélioration de l’efficacité énergétique: diminution des températures du four, exploitation de nouveaux modes de chauffage
These studies relate to improving the energy efficiency of bakery ovens used for baking bread. During baking, the dough becomes crumb with significant changes in the media. Heat transfer induce different physico-chemical reactions in the dough which result in a change of the cellular structure and physical mechanisms. Then crust is created in the external part. The work focused on the development and validation of a multiphysic macroscopic model capable of predicting the transient behavior of the product. We were particularly interested in the baking bread on sole. The product is then subjected to heat transfer by conduction, convection and infrared irradiation. Steam injection is performed at the dough introduction in the oven. The state variables used are the temperature, the water content, the gas pressure, the gas fraction and the displacement. The properties used are dependent with the state variables and product structure. The numerical model is solved by a finit element method (Comsol Multiphysics ®). These numerical studies are supported by the use of experimental measurements performed on instrumented oven. The analysis of the evolution of state variables shows the need to have a good database on the macroscopic properties of the product during processing. In the last part of this study, the numerical model is used to study different approaches for improving energy efficiency: lower oven temperatures, use of new modes of heating

Ce travail de thèse a porté sur de nouveaux implants intervertébraux en céramique. Au cours du projet dans son ensemble (projet européen Longlife), un nouveau matériau et de nouveaux designs d’implants ont été développés, ainsi qu’un nouveau test destiné à simuler les sollicitations subies in vivo par les implants afin d’estimer leur durée de vie. Le nouveau matériau développé est un composite triphasé composé d’une matrice de zircone dopée à l’oxyde de cérium (pour sa résistance au vieillissement), d’une phase globulaire d’alumine α (pour affiner la microstructure) et d’une phase allongée composée d’aluminates de strontium (pour augmenter la ténacité). La première partie du travail a consisté à caractériser ce matériau afin de connaître son comportement en termes de résistance mécanique, stabilité thermique, et de résistance à la stérilisation. Une deuxième partie a été consacrée au développement d’un test multiphysique regroupant les différentes sollicitations attendues par une prothèse in vivo (fatigue axiale, micro-séparation, vieillissement et usure). Il a fallu pour cela s’appuyer sur des simulations numériques qui ont permis de développer le système. Les données de la littérature ont été utilisées afin de choisir les paramètres du test (durée, fréquence, milieu d’essai). Enfin, la dernière partie de ce travail a été la mise à l’épreuve de différents prototypes à travers le test multiphysique et leur caractérisation en cours d’essai. Les principaux résultats de ce travail de thèse sont les suivants : le composite montre un comportement pseudo-plastique sous charge, avec une nette transformation de phase avant rupture, ce qui est positif dans le cadre de son utilisation. De plus, il ne semble pas affecté par la stérilisation. Du point de vue des implants développés, peu passent le test multiphysique. Le design, ainsi que la géométrie (notamment la clearance des échantillons) sont des leviers d’amélioration qui permettront d’augmenter la fiabilité des implants
This work deals with the development of new intervertebral prostheses, made with ceramics. A whole European project, Longlife, was dedicated to the development of such implants. To achieve this goal, several axes have been followed: the synthesis of a new material, the development of new designs of intervertebral bodies, and the set-up of a new test aimed at reproducing in vitro the different solicitations undergone by an intervertebral implant in vivo. The new material developed is a triphasic composite composed of a matrix of ceria-doped zirconia (insensitive to ageing), a secondary globular phase of α-alumina (to reduce the grain size), and a third, elongated phase composed of strontium aluminates platelets (in order to improve fracture toughness). The first part of this work was to characterize this new material in order to forecast its behaviour under mechanical solicitation, thermal stability and resistance to sterilization. Secondly, the set-up of the new test is exposed. Different steps were chosen (axial fatigue, micro-separation, ageing and wear) in order to reproduce the “real-life” solicitations. To achieve this goal, Finite Elements simulations were performed, allowing the development of specific specimen holders that mimic the fixation of the implants in the vertebrae. The parameters of the test (duration, frequency, medium) were chosen after a details survey of the literature and of standards. At the end, we tested different prototypes trough this new multiphysic assessment set up. As a main result of this thesis, the chosen ceramic composite exhibits a pseudo-plastic behaviour, with a large deformation due to phase transformation before fracture, which is a positive result in the framework of the forecast applications. Moreover, the material doesn’t seem degraded by the sterilization processes. Concerning the multiphysic test, only a few implants resisted it. The design of the implants is a key-point, as well as the geometry (in particular, clearance seems to be critical)