Tesi sul tema "Composites variables et anisotropes"

Cette thèse porte sur le développement de modèles multi-échelles du comportement hygro-mécanique pour l'étude de la stabilité dimensionnelle de lamellés collés aboutés (LCAs) en Pinus pinaster (Ait.). Les structures en bois sont soumises à des variations dimensionnelles dues aux modifications des ambiances climatiques. Dans le cadre des structures LCAs, la stabilité dimensionnelle peut être atteinte via une conception systématique en fonction des propriétés des lamelles constituantes. Dans ce but, un modèle multi-échelles reposant sur une étude bibliographique exhaustive des propriétés du Pinus pinaster (Ait.) a été développé. Ce modèle permet d'obtenir spatialement, grâce à l'utilisation d'une méthode d'homogénéisation numérique et d'un métamodèle basé sur les hypersurfaces Non-Uniform Rational Basis-Spline (NURBS), les propriétés hétérogènes, variables et anisotropes de lamelles de Pinus pinaster (Ait.). De plus, des configurations de LCAs, reposant sur la théorie des stratifiés, ont été proposées et soumises expérimentalement à des variations d'ambiance climatiques. Les déplacements induits sont mesurés grâce à une méthode de corrélation d'images numériques. In fine, une comparaison des déplacements est réalisée qui permet de recommander des configurations de LCAs améliorant la stabilité dimensionnelle des LCAs du groupe Gascogne Bois
This thesis focuses on the development of a multi-scale model of the hygro-mechanical behaviour and the study of the shape stability of glued laminated timber (GLT) made of Pinus pinaster (Ait.). Wooden structures are subject to dimensional variations due to changes in climatic conditions. In the case of GLT structures, shape stability can be achieved through systematic design based on the properties of the constituent lamellae. To this end, a multi-scale model based on an exhaustive bibliographic study of the properties of Pinus pinaster (Ait.) has been developed. Using a numerical homogenisation method and a metamodel based on Non-Uniform Rational Basis-Spline (NURBS) hypersurfaces, this model provides a spatial representation of the heterogeneous, variable, and anisotropic properties of Pinus pinaster (Ait.) lamellae. In addition, configurations of GLTs, based on laminate theory, have been proposed and experimentally subjected to variations in climatic conditions. The induced displacements are measured using a digital image correlation method. Finally, a comparison of the displacements is carried out, enabling the recommendation of GLT configurations that improve the shape stability of the GLTs produced by the Gascogne Bois company

L'indentation instrumentee est une technique de plus en plus utilisee dans l'etude des proprietes mecaniques de surface des materiaux, module d'young et durete. L'approche theorique classique considere des materiaux homogenes et isotropes. Le but de cette etude est la caracterisation de materiaux composites et anisotropes. Il est connu que le comportement mecanique global d'un composite depend des proprietes mecaniques des fibres, de la matrice et de l'interface fibre/matrice. Dans le cas des composites ceramique/ceramique, des modeles ont ete developpes pour caracteriser les proprietes locales. Nous avons etudie en particulier un composite sic/sic et des composites carbone/carbone. L'indentation de materiaux anistropes est peu connue. Nous avons etudie par microindentation l'oxyde de magnesium (de structure cubique) et des polymeres (de structure orthotrope) avec un indenteur possedant une faible symetrie (knoop). Les resultats experimentaux sont confrontes a des modeles

Cette these comprend trois parties: dans la premiere partie, nous etudions la fracture elastique possedant une microstructure. La modelisation dans le cadre de l'elasticite bi-dimensionnelle, correspond a une plaque sollicitee en mode membranaire. Selon la microstructure, nous mettons en evidence une instabilite de la forme de la fissure. Dans la deuxieme partie, nous nous interessons au comportement du tenseur des contraintes au voisinage d'une irregularite geometrique du bord lateral d'une plaque laminee. Seule une etude tri-dimensionnelle des effets de couche limite permet de donner un developpement des contraintes satisfaisant et permettant de calculer les coefficients d'intensite de contrainte. Enfin la troisieme partie, plus mathematique, vise a justifier une hypothese faite dans la deuxieme partie

Les matériaux composites en fibres de carbone se destinent plus aux secteurs de hautes performances tels que l’aéronautique. Pour assembler des pièces en composites, plusieurs techniques sont utilisées. Parmi celles-ci la technique utilisant l’induction électromagnétique qui est très intéressante pour ses avantages tel que la transmission rapide, sans contact et localisée de l’énergie à l’interface de d’assemblage. Le but de cette thèse est de modéliser en 3D le chauffage par induction de ces matériaux en tenant compte de l’anisotropie. Dû au problème du facteur d’échelle, ces matériaux sont remplacés, par des matériaux homogènes équivalents ; leurs propriétés électromagnétiques et thermiques sont obtenues soit en utilisant les méthodes d’homogénéisation ou des méthodes expérimentales. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode expérimentale basée sur la mesure de l’impédance pour déterminer la conductivité électrique. D’autre part, dans notre cas, ces matériaux se présentent sous forme de plaque d’épaisseur très faible comparée aux autres dimensions. Les éléments coques associés aux éléments finis nodaux, bien adaptés à ce type de géométries, sont alors utilisés. Deux modèles ont étés mis en place, un modèle éléments coques anisotropes monocouche pour les composites de structures inconnues et un modèle multicouches dédié aux composites stratifiés à structures orientées. Une confrontation entre les résultats de simulations et les mesures expérimentales (chauffage par induction), a permis de valider les modèles développés. Ces modèles ont été appliqués pour améliorer une installation industrielle dédiée à l’assemblage par induction des matériaux composites
The carbon fibre composite materials cover a lot of manufacturing industries. To assemble parts of these composites several techniques are used. The technique using electromagnetic induction is very interesting; for his advantages such as the fast, without contact and localised transmission of energy to the assemblage interface. The goal of this thesis is to model in 3D, the induction heating of composite materials by taking into account of the anisotropy. Owing to the problem of the scale factor, these materials are replaced by homogeneous equivalent materials; so their electromagnetic and thermal properties are obtained either by using the homogenisation or experimental methods. In this work, to identifying the electric conductivity, one proposed an experimental method based on the impedance measurement. In addition, in our case, these materials are in the form of plate with very small thickness compared to the other dimensions. The shell elements associated to the nodal finite elements are then used. Two models have been developed, a monolayer anisotropic shell elements model applied to composites of unknown structures and a multi-layer model dedicated to the laminated composites with oriented structures. A confrontation between the simulation and experimental results (in induction heating) gave an acceptable difference. These models are applied to improve an industrial application of an induction assembly of composite materials

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Au cours des différentes phases de transformation de ces matériaux, un apport de chaleur est souvent nécessaire. Si le renfort est en fibres de carbone, le chauffage par induction peut être avantageux par rapport à d'autres modes de chauffage. Le but de cette thèse est de modéliser en 3D le chauffage par induction de ces matériaux qui sont multi-échelles, hétérogènes et anisotropes. Ces matériaux sont remplacés par des matériaux homogènes équivalents à l'aide de méthodes d'homogénéisation prédictives ou expérimentales. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode expérimentale basée sur la mesure de l'impédance pour déterminer la conductivité électrique. D'autre part, ces matériaux se présentent sous forme de plaque d'épaisseur très faible comparée aux autres dimensions. Deux modèles ont étés mis en place, un modèle éléments coques anisotropes monocouche et un modèle multicouche dédiés aux composites stratifiés à structures orientées. Une confrontation entre les résultats de simulations et les mesures expérimentales a permis de valider les modèles développés. Ces modèles ont été appliqués dans le cadre d'une collaboration industriel.

La prédiction des formes et des propriétés finales de pièces composites nécessite le recours à une modélisation fine du comportement thermo-chémo-mécanique de la matière. Pour alimenter ces modèles, on peut soit estimer les propriétés du matériau composite à partir de celles des constituants, soit mesurer directement les propriétés du matériau. Dans un premier temps, un modèle multiphysique du dispositif de caractérisation des résines thermodurcissables PvTα a été développé. Il a été validé à l'aide d'essais expérimentaux et a permis de montrer l'importance des gradients de température et d'avancement lors de la caractérisation expérimentale du module de compressibilité de la résine. Ensuite, la méthode d'homogénéisation par développements asymptotiques a permis la modélisation des transferts thermiques durant la mise en forme des matériaux composites. L'homogénéisabilité du problème a été discutée. Appliquée à un modèle élastique, cette méthode a permis d'estimer les tenseurs de dilatation thermique et de retrait chimique, ainsi que l'évolution des propriétés mécaniques d'un matériau durant sa transformation. Le couplage entre les différentes physiques a également été réalisé, permettant de prédire les déformations d'une pièce durant sa mise en forme. Finalement, un nouveau dispositif de caractérisation a été développé. Il permet la mesure des dilatations du matériau suivant deux directions simultanées durant toute sa transformation. Les résultats qui en sont issus sont en accord à la fois avec des mesures réalisées sur d'autres dispositifs et les résultats issus de la méthode d'homogénéisation
A fine thermo-chemo-mechanical modeling of the material behavior is necessary in order to predict composite parts final shape and properties. There are two options in order to feed these models: estimating the material effective properties thanks to the properties of its constituents, or directly measuring the composite material properties. At first, a multiphysics model of the thermosetting resins characterization device called PvTα was developed. It was validated compared to experimental results and suggested that temperature and degree of cure gradients had to be taken into account when measuring the resin bulk modulus. Then, asymptotic expansion homogenization method was used to model the heat transfers during the cure of composite materials. The upscaling possibility was discussed. This method was then applied to a linear elasticity model, allowing to estimate thermal expansion and chemical shrinkage tensors, as well as the mechanical properties evolution of a unidirectional material during cure. The coupling of these different physics was performed, leading to the prediction of the deformation of a part during cure. Finally, a new characterization device was developed. It allows for the simultaneous recording of the material deformations along two different directions, as well as the degree of cure and temperature. The first results are very promising and validated compared to other measurements and to numerical results from the homogenization method

Les matériaux nanocomposites formés à partir de particules métalliques incluses dans une matrice diélectrique présentent des propriétés inusitées que l'on ne retrouve pas dans les matériaux massiques étant donné la taille nanométrique des particules métalliques. Notamment, la résonance des électrons de conduction du métal sous l'excitation d'une lumière incidente, appelée résonance plasmon de surface (spr), donne lieu à l'apparition d'une bande d'absorption dans le visible ayant une influence drastique sur les propriétés optiques du nanocomposite. La position, la largeur et l'amplitude de cette bande d'absorption sont des fonctions complexes des caractéristiques nano-structurales du nanocomposite, notamment : la nature et la concentration du métal, la taille des nanoparticules, leur forme, l'indice de réfraction de la matrice, etc. Spécifiquement, la présence de particules asymétriques, comme par exemple des particules de forme nano ellipsoïdale, permet l'observation de bandes d'absorption spr multiples résultant en un matériau non-symétrique possédant des propriétés anisotropes. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l'analyse de techniques avancées de fabrication permettant le contrôle précis de la synthèse d'un nanocomposite formé de nanoparticules d'or incluses dans une matrice de silice. Nous avons développé une technique en trois étapes permettant de fabriquer des couches nanocomposites comprenant des particules de tailles et de formes contrôlées. Ces étapes sont : 1) dépôt hybride pulvérisation/dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, 2) recuits thermiques, 3) irradiation à l'aide d'un faisceau d'ions de haute énergie. Subséquemment, la performance optique des matériaux fabriqués a été testée par différentes techniques afin d'en évaluer les propriétés linéaires et non-linéaires. Les premières ont été étudiées par ellipsométrie et spectrophotométrie alors que les deuxièmes l'ont été par les techniques P-Scan et Z-Scan. Plus précisément, nous nous sommes intéressés à la métrologie et au contrôle de l'anisotropie des propriétés du système nanocomposite formé par faisceau d'ions. Une nouvelle approche de mesure des propriétés optiques non-linéaires anisotropes sera présentée. Dans ce document, le lecteur retrouvera une description théorique exhaustive des propriétés optiques (linéaires et non-linéaires) des matériaux nanocomposites métal/diélectrique incluant des modèles détaillés pour la description des propriétés de chacun des constituants du nanocomposite : métal (Drude, Lorentz) et diélectrique (Cauchy).

Les propriétés de la propagation des ondes de Lamb en milieu anisotrope viscoélastique sont étudiées. Les variations de la vitesse de phase, de l'atténuation, de la vitesse d'énergie et de la déviation de faisceau sont décrites en fonction de la fréquence et de la direction de propagation du front de phase. Les considérations énergétiques prises en compte permettent d'étudier plus précisément la propagation de l'énergie des modes de Lamb. Ainsi, les courbes de dispersion ne sont plus décrites pour une direction de phase imposée, mais selon la direction d'observation. L'atténuation des ondes guidées le long du rayon est également détaillée. Une illustration expérimentale des propriétés décrites (vitesses de phase et d'énergie, angle de déviation, atténuation) est apportée en prenant l'exemple de plaques de carbone-époxy unidirectionnels, ainsi que de verre-époxy unidirectionnels.

L'anisotropie et les discontinuités sont deux paramètres importants qui influencent particulièrement le comportement mécanique d'un massif. Notre objectif est d'améliorer l'analyse du comportement et de la stabilité dans une mine souterraine d'ardoise. Pour cela, nous avons introduit et appliqué le comportement des joints à raideurs variables et le critère de rupture oriente de PARISEAU dans le code éléments finis ELFI3f (Laboratoire de Mécanique des Terrains Ecole des Mines de Nancy). Une méthodologie dite de « modélisation évolutive a été développée et mise en œuvre dans le cas d'une galerie et d'une chambre d'une mine d'ardoise située à 500 m de profondeur, en utilisant le code ELFI3F (éléments finis) et le code UDEC (éléments distincts). La comparaison des résultats des calculs avec les résultats in situ a été étudiés pour la galerie pilote. Une retro-analyse systématique a été effectuée pour ajuster les valeurs des caractéristiques de la roche isotrope transverse, ainsi que l'état de contrainte in situ. Cette application et ces résultats montrent à quel point il est important de prendre en compte fidèlement l'anisotropie et le comportement des discontinuités pour l'étude des massifs rocheux, notamment en vue de l'analyse de stabilité

L'objectif principal de ce travail est la caractérisation mécanique complète de matériaux composites anisotropes élaborés sous forme de plaques minces (quelques millimètres) par mesures de vitesses d'ondes ultrasonores en immersion (génération et détection classique par transducteurs piézo-électriques) et sans contact (génération et détection laser). La méthode de l'immersion à incidence variable s'est révélée très efficace et performante pour la détermination des propriétés élastiques des matériaux. Son point fort est sa capacité, moyennant des techniques d'optimisation, de caractériser le comportement élastique anisotrope de différents matériaux composites à symétrie orthotrope, à partir d'une seule plaque à faces parallèles. Par ailleurs nous avons étudié les incertitudes sur les constantes d'élasticité par une méthode originale basée sur une conception probabiliste et statistique des erreurs de mesure. Cette technique est très performante pour l'évaluation des matériaux thermo-structuraux à température ambiante, cependant elle trouve de sérieuses limitations pour suivre l'évolution des propriétés mécaniques en fonction de la température. Dans ce but, nous nous sommes intéressés aux méthodes de génération laser et de détection sans contact. En générant les ultrasons par un impact laser et les détectant au moyen d'un interféromètre, nous avons étudié la propagation d'ondes dans un composite à matrice métallique renforcée par des fibres unidirectionnelles de carbone. Ces essais préliminaires ont été réalisés à température ambiante afin de déterminer les potentialités de cette approche. En simulation, nous avons résolu le problème inverse, à savoir la détermination des constantes d'élasticité à partir des vitesses de groupe
The main objective of this work is the full elastic characterization of anisotropic composite materials which are elaborated as thin plates of a few millimeters. The elastic properties are obtained from wave velocity measurements using two devices: an immersion bench with classical piezoelectric transducers, and a contactless device based on a Nd YAG pulsed laser for the generation of ultrasounds and an interferometer probe as a receiver. The immersion technique has appeared very efficient for the determination of anisotropic elastic properties. Thanks to an optimization process; the nine independent elastic constants of orthotropic composite materials have been successfully determined from phase velocity measurements using only one sample. Furthermore, we have developed an original approach based on a statistical method to evaluate the errors on the optimized elastic constants. Because of their possibilities of following the elastic properties of materials versus temperature, we have also been interested in contactless techniques. The preliminary tests have been realized at room temperature in order to evaluate the potentialities of this approach. We have studied the wave propagation in an aluminum matrix composite reinforced with unidirectional carbon fibers. With this technique, because of the point nature of both the acoustic source and the optical probe, only group velocities can be measured. The determination of elastic constants from these velocities is a difficult task, especially when we have no information about transverse modes. So, because it is difficult to measure the velocities of these modes, we have solved this inverse problem with numerical simulated data using a particular optimization process

Cette étude porte sur deux types de problèmes inverses en thermique : l'estimation de propriétés thermophysiques de matériaux anisotropes et l'estimation de conditions limites. Dans un premier temps, la méthode flash 3D permet d'estimer la diffusivité thermique dans les trois directions principales d'un matériau anisotrope. Pour cela, un dispositif expérimental spécifique a été développé. Il s'appuie essentiellement sur un laser CO2 comme source de puissance thermique et sur la thermographie infrarouge comme instrument de mesure. En associant à l'expérimentation un modèle analytique des transferts thermiques dans l'échantillon, un estimateur permet d'obtenir les diffusivités thermiques recherchées. Au cours de ce travail, différents estimateurs ont été proposés et comparés à travers notamment leurs écarts types. Par ailleurs, il est proposé également une méthode de conception optimale d'expérience permettant de diminuer davantage ces écarts types. Dans un deuxième temps, on s'intéresse à l'estimation de conditions aux limites thermiques d'un système faisant intervenir les matériaux dont on connaît les propriétés thermophysiques, à partir de mesures de température par thermocouples. La première application concerne la caractérisation les transferts thermiques instationnaires gaz-paroi pendant la phase de remplissage de bouteilles d'hydrogène haute pression. La seconde application porte sur l'estimation du flux de chaleur absorbé par des matériaux composites soumis à une flamme oxygène/acétylène. Ces travaux font appel à différentes méthodes d'optimisation, aussi bien des algorithmes classiques de type gradient, que des algorithmes stochastiques. Ces derniers se sont révélés particulièrement adaptés à la conception optimale d'expériences
This study deals with the resolution of two types of inverse heat transfer problem: estimation of thermophysical parameters and estimation of thermal boundary conditions. A first part is devoted to the 3D-flash method which is used to estimate the three thermal diffusivities corresponding to the three principal directions of an anisotropic material. This work led to the realization of a experimental setup. The thermal excitation is provided by a CO2 laser and the temperature fields are acquired using infrared thermography. The thermal diffusivities are estimated by combining an estimator, an experiment and an analytical modeling. Different estimators are proposed and compared, based on their standard deviations. Moreover, a procedure to perform experiment design is presented to further reduce these standard deviations. In the second part, two studied cases consisting in estimating thermal boundary conditions are presented. Both underlying systems involve materials whose thermal properties are known. The thermal boundaries are estimated using temperature measurement provided by thermocouples. The first case deals with the evaluation of heat transfer between the gas and the inner-surface of a high pressure hydrogen tank. In the second case, the objective is to estimate the heat flux absorbed by a composite sample exposed to an oxygen-acetylene torch, in order to simulate the ablation phenomena under extreme conditions. Optimization algorithms are essential in this work. Gradient-based methods are used for parameters estimation and thermal boundary estimation problems. Stochastic algorithms appear to be well adapted in the framework of experiment design problems

Les composites SiC/SiC à renfort fibreux à base de SiC, et à matrice SiC sont développés pour applications aéronautiques. En vue d’améliorer leur durée de vie en atmosphère oxydante à haute température, l’utilisation d’interphase BN est préconisée,puisque l’oxyde de bore liquide permet de protéger le matériau. Cependant, sous atmosphère humide, la volatilisation de B2O3 sous forme d’hydroxyde HxByOz est non négligeable. L’objectif de ce travail est d’optimiser l’organisation structurale de BN élaboré par CVD/CVI, pour améliorer sa résistance à l’oxydation, et d’évaluer l’intérêt de l’ajout d’élément(s) au nitrure de bore permettant la stabilisation thermodynamique de B2O3 à haute température, en présence d’humidité. Ce travail a permis d’établir des liens entre composition chimique de la phase gazeuse, cinétique et mécanisme de dépôt, et degré d’organisation du nitrure de bore. Malheureusement, si la résistance à l’oxydation de BN augmente perpendiculairement à ses plans (002) avec son organisation structurale, elle est à peine améliorée le long des plans (002). Néanmoins, l’intérêt de l’ajout d’aluminium à l’interphase BN pour améliorer la stabilité chimique de B2O3 en présence d’humidité a été démontré à une température suffisamment élevée pour permettre la formation de cristauxAl4B2O9. Ainsi, il semble que ces cristaux permettent une cicatrisation efficace des fissures matricielles dans des composites SiC/SiC. Des essais supplémentaires d’oxydation dans des conditions plus complexes, comme sous cyclage thermique, sont nécessaires pour conclure catégoriquement en faveur de l’amélioration de la durée de vie de ces matériaux
SiC/SiC composites with SiC-based fibres and SiC matrix are developed for aeronautic applications. In order to improve their life time in an oxidizing atmosphere at high temperature, the use of BN interphase is recommended, as far as liquid boron oxide can protect the material. However, this glassy material is known to be very sensitive to moisture because boron oxide volatilizes quickly under high temperature. The aims of this work are (i) to maximise the structural organization of BN deposited by CVD/CVI to improve its oxidation resistance and (ii) to assess the interest of elemental addition to boron nitride allowing thermodynamic retention for B2O3 under wet air. Relationships between gas phase composition, deposition rates, and microstructure have been established in this work. Unfortunately, if the oxidation resistance of BN perpendicular to its (002) crystal planes increases with its structural organization, it appears to be hardly improved along the (002) planes. Nevertheless, aluminium addition to BN has led to Al4B2O9 crystals generation, asAl2O3 reacts together with B2O3 under high temperature. These materials therefore appear tobe able to seal SiC matrix cracks. As a result, the global oxidation resistance under wet air of SiC/SiC composites with B(Al)N interphases can been significantly improved. Additional oxidation tests, especially under thermal cycling, are needed to definitively conclude about this point

La technique photothermique impulsionnelle de diffusion convergente permet de faire de la caractérisation thermique et du contrôle non destructif de matériaux thermiquement orthotropes; les matériaux stratifies, constitues de feuilles empilées et collées les unes aux autres par une résine (comme par exemple le carbone-époxy), font partie de cette classe de matériaux. Le principe de cette technique est le suivant: la surface de l'échantillon reçoit un flux thermique impulsionnel reparti sur un anneau, et on relève l'échauffement pariétal de l'échantillon au centre de l'anneau. Sur une zone saine de l'échantillon, la vitesse de montée en température au centre de l'anneau est très liée à la propension de l'échantillon à diffuser la chaleur depuis l'anneau de chauffage jusqu'à son centre; l'examen du front de montée en température permet donc de déterminer la diffusivité thermique radiale de l'échantillon. Si maintenant une fracture transverse (c'est-à-dire normale à la surface chauffée de l'échantillon) se trouve à l'intérieur de la zone limitée par l'anneau de chauffage, elle va perturber la diffusion thermique radiale depuis l'anneau de chauffage jusqu'à son centre, de sorte que le thermogramme expérimental relevé va être déformé par rapport à celui relevé sur une zone saine; la comparaison de ces ceux thermogrammes expérimentaux permet donc de détecter la présence éventuelle de fractures transverses à l'intérieur de la zone limitée par l'anneau de chauffage. Une étude analytique de sensibilité montre que la qualité des résultats fournis par cette technique dépend essentiellement de la géométrie et du positionnement relatif des zones d'excitation et de détection. Des résultats expérimentaux permettent de valider cette technique comme outil de caractérisation thermique et de contrôle non destructif radiaux.

Des polycristaux d'oxydes mixtes (Al,Fe)2O3 avec différentes teneurs en fer obtenus par pressage uniaxial à chaud, ainsi que des oligocristaux préparés au four à image par solidification dirigée à partir de la fusion ont été exposés à une atmosphère suffisamment réductrice pour précipiter le fer métallique. Nous avons ainsi pu déterminer pour l'activité d'oxygène la plus faible, les plans denses d'alumine délimitant les précipités de fer métalliques, ainsi que les rapports de distances interfaciales caractérisant la morphologie d'équilibre. En équilibrant ces précipitants à une activité d'oxygène plus élevée, nous avons observé une modification de la morphologie d'équilibre, liée à la variation de l'activité d'oxygène. Cette évolution peut être décrite par un modèle d'adsorption de Gibbs aux interfaces entre métal et oxyde qui prédit l'évolution avec l'activité d'oxygène des concentrations d'excès des différents plans interfaciaux d'alumine, permettant ensuite d'évaluer la stabilisation de l'énergie interfaciale provenant des liaisons établies entre le fer métallique et l'alumine aux extrémités du domaine de coexistence. .
Mixed oxides polycrystals (Al,Fe)2O3 with differents doping levels obtained by hot pressing, as well as oligocrystals elaborated by the floating-zone method in the image furnace have been exposed to sufficiently reducing atmosphere to precipitate metallic iron. Thus, we could determine for the lowest oxygen activity, the dense alumina planes delimiting metallic iron precipitates, as well as interfacial distance ratios characterizing the equilibrium shape. At higher oxygen activity, we observe a modification of the equilibrium shape, connected to the oxygen activity change. This evolution might be described by a model of Gibb's adsorption at metal-oxide interfaces, that predict the evolution with oxygen activity of the excess concentration of different interfacial alumina planes, alowing us to evaluate the stabilization of interfacial energy arriving from bonds established between metallic iron and alumina at the ends of the coexistence field. .

La caractérisation du comportement de matériaux composites anisotropes est un sujet contemporain. La majorité des tests mécaniques existants ne permettent pas l'identification de façon satisfaisante la loi de comportement due en flexion. Dans ce contexte, un test mécanique a été conçu pour la mesure des déplacements hors plan de matériaux ayant une certaine configuration de conditions aux limites et de chargement. Cet essai a été réalisé sur un support mécanique conçu pour le même but. Les techniques optiques cohérentes présentent un grand intérêt pour l'obtention des données expérimentales sur les déplacements d'une structure déformable, parmi ces techniques l'interférométrie holographique dont l'intérêt réside dans le fait qu'elle permet d'étudier en régime statique ou dynamique des pièces en forme compliquée, qu'elle permet de détecter un grand nombre de phénomènes locaux et enfin qu'elle assure une grande sensibilité et une visualisation globale et simple. Cette technique a été adaptée pour réaliser l'essai proposé. Les résultats expérimentaux obtenus nous ont permis d'étendre notre étude par une analyse d'images suivie par une interprétation quantitative afin d'obtenir les champs de déplacements. La modélisation numérique de la même configuration permet de faire une comparaison des données numériques et données expérimentales afin de valider certaines procédures. Une interface est conçue et testée pour permettre un transfert simple des données expérimentales vers les programmes éléments finis. L'utilisation des données expérimentales a des fins d'identification nous permet de résoudre le problème inverse afin de caractériser les paramètres élastiques de la structure étudiée.

Il est connu de longue date que les discontinuités matérielles et/ou géométriques peuvent provoquer des concentrations des contraintes, dites "surcontraintes", nocives pour la résistance du matériau qui doit les supporter. En effet, l'état de contrainte dans ces zones peut être singulier et ne peut être modélisé en pratique par éléments finis réguliers tridimensionnels, à moins de mailler très finement. Pour palier cette difficulté, nous proposons une méthode numérique en deux étapes. La première permet de déterminer l'ordre de la singularité et le mode de surcontraintes. La seconde étape consiste à inclure ces résultats dans une description des champs mécaniques régnant dans la structure pour obtenir les informations complètes sur l'amorçage de fissure via une règle de raccordement. Ce raccordement a d'abord été effectué dans une formulation d'éléments finis hybrides "Métis" à double singularité puis dans une formulation en déplacement pur. Cette technique a été étendue au cas général où l'exposant de singularité est quelconque permettant de résoudre des problèmes de bord libre ou d'entaille à la jonction de plusieurs matériaux anisotropes avec une grande précision. L'analyse duale d'un problème grâce aux deux types de formulations fournit une estimation a posteriori de l'erreur. Des applications numériques tant au niveau du calcul d'exposants de singularité que de celui des facteurs d'intensité des contraintes valident la méthode en s'appuyant sur divers exemples issus de la littérature. Les résultats montrent une bonne cohérence et une bonne précision. De plus, ces méthodes ne requièrent qu'un faible temps CPU
Material and/or geometry discontinuities can cause concentrations of stress. This stress can be harmful to the strength of the structure. Indeed, the state of stress in these areas can be singular. This kind of stress, called "overstress", can be modeled in practice by regular three-dimensional finite element, unless very finely meshed. To overcome this difficulty, we propose a numerical method in two steps. The first determines the singularity order and the mode fracture. The second step is to include these results in a description of the mechanical fields prevailing in the structure to obtain complete information on the initiation of the crack via a rule of connection. This connection was implemented in a finite element mixed formulation named "Metis" and a finite element displacement formulation. The proposed technique has been extended for all given singularity order. So, this technique can resolve any problems like free-edge or V-notch at the junction of several anisotropic materials with great precision. The dual analysis of a problem with these two types of formulations provides a posteriori error. Numerical applications for calculation of stress intensity factors and singularity order validate the proposed method on examples from literature. The results show a good consistency and good accuracy. Moreover, these methods require only low CPU time

Par la qualité et la variété de leurs propriétés mécaniques, les matériaux composites s'imposent désormais en remplacement des matériaux traditionnels. Mais nombreux sont les processus d'endommagement observés dans ces matériaux hétérogènes. Aussi, le développement de leur usage en tant qu'éléments de structure primaires reste limité par l'importance des coûts des inspections requises pour déceler l'apparition de défauts internes. Nous avons cherché à définir une méthode d'évaluation non-destructive in situ de l'état de santé des composites, afin d'offrir une meilleure sécurité opérationnelle des structures à moindre coût. Cette technique de contrôle actif s'inscrit dans la thématique des Structures et Matériaux Intelligents car elle repose sur l'intégration à la structure hôte de capteurs, pour la génération et la mesure de perturbations ultrasonores, et de systèmes de traitement de donnée associés. Vecteurs privilégiés de l'information dans les plaques minces, les ondes de Lamb ont vu dans ce travail leur concept se généraliser au cas des matériaux anisotropes stratifiés. La propagation et les caractéristiques de ces modes dispersifs ont été étudiées en relation avec les propriétés microstructurales et la conformation de divers milieux stratifiés. En particulier, nous avons étudié l'influence de la séquence d'empilement des plis sur les courbes de dispersion des ondes de Lamb. La réalisation de plaques instrumentées a permis la détection expérimentale de défauts artificiels ou plus réalistes grâce à la définition de paramètres d'endommagement, basés sur l'analyse en temps réel des signatures ultrasonores transmises à l'intérieur de la structure. L'emplacement des défauts a été estimé par des mesures échographiques en ondes de Lamb. Enfin, nous avons tenté d'apprécier la sensibilité relative des modes de Lamb fondamentaux à l'aide de simulations numériques de l'interaction entre ces ondes guidées et différents types de défauts localisés par la méthode des éléments finis à deux dimensions.

L’explosion des systèmes de télécommunications nécessite l’utilisation de technologies innovantes pour concevoir des dispositifs dont le performances techniques sont sans cesse accrues tout en obéissant à des contraintes sévères en terme d’encombrement, de consommation, et de coût. Une des difficultés est liée à la multiplication des normes de télécommunication qui demande de faire cohabiter dans un même système des dispositifs réalisant les mêmes fonctions à des fréquences différentes. Il est donc nécessaire de développer des dispositifs reconfigurables en fréquence dont les caractéristiques fréquentielles peuvent être modifiées sou l’action d’une commande externe. Parmi les approches technologiques envisagées, celle consistant à intégrer des composites piézoélectriques/magnétostrictif (CPM) dont on peut faire varier la perméabilité sous l’action d’un champ électrique a été étudiée. Des moyens théoriques et expérimentaux pour permettre leur intégration dans des dispositifs hyperfréquences ont été fournis. Les propriétés physiques de ces matériaux et leur caractérisation électromagnétique ont aussi été présentées. Un CPM a été réalisé et des variations d la perméabilité relative d’une couche mince ferromagnétique de 140 nm déposée sur un substrat piézoélectrique de 100 pm ont été mesurées à des fréquences micro-ondes sous l’action d’un champ électrique. Enfin, L’intégration de CPM dans des dispositifs hyperfréquences a été étudiée par modélisation multiphysique, et l’étude a montré la compatibilité entre les forces nécessaires pour entraîner une variation significative de la perméabilité et celles prédites pour différentes structures hybrides micro-ruban et coplanaires
In our world of telecommunications, making electronic devices able to work with different standards at the same time seems to be incompatible with the growing need for miniaturization. The fusion of many sub-systems into one working at different frequencies can be a way to contribute to expanding the market by lowering manufacturing costs and circuit size. One way to reach this goal is to make tunable devices whose properties are modified under the action of an external command like an electric or a magnetic field. The goal of this thesis is the study of piezoelectric/magnetostrictive composites (PMC’s) driven by an electric field. The properties of the PMC’s were studied and an electromagnetic characterization of those materials was performed. Theoretical and experimental tools were developed in order to allow a future insertion in microwave devices. A 140 nm-thin ferromagnetic FeCoSiB was deposited on a soft 100 pm-thick PZT substrate and a 25% variation of the magnetic layer permeability has been measured as a static electric field was polarizing the piezoelectric layer. The present study was also aimed at incorporating PMC’s inside microwave transmission lines for the design of magnetic-based tunable microwave functions to be biased by a dc electric field. A FEM-based environment, able to simulate any combination of physical processes that can be described with partial differential equations (PDE’s), was used to fulfill our ambitions

Les materiaux composites a base de noir de carbone trouvent de nombreuses applications dans le domaine de l'aeronautique civile ou militaire. L'une d'entre elles concerne la comptabilite electromagnetique (cem) et la furtivite radar. Pour cette application particuliere, on utilise couramment des structures en nids d'abeilles qui associent des proprietes electromagnetiques et des proprietes mecaniques qui sont indispensables pour ces applications. L'objectif de ce travail de recherche est de caracteriser le comportement de ce type de materiau lorsqu'il est expose a un rayonnement electromagnetique afin de contribuer a sa modelisation. Son vieillissement est egalement un autre centre d'interet explore. Cette recherche a ete effectuee dans le cadre d'un groupe d'etude associant plusieurs laboratoires universitaires et un laboratoire industriel (eads). Apres une breve description du contexte de travail, de la motivation industrielle et des materiaux etudies, les differentes techniques de mesure utilisees sont presentees. Les modifications instrumentales des protocoles de caracterisation dielectrique et les preparations necessaires des echantillons a la mesure sont explicitees. Les mesures effectuees sont ensuite presentees sous forme de spectres de permittivite et de diagrammes d'argand. Les interpretations des mesures revelent des effets d'interface, de conduction ionique, des phenomenes de relaxation de dipoles lies ainsi que des relaxations de type maxwell-wagner-sillars, intrinseques au materiau composite. La derniere partie expose la mesure et l'interpretation qualitative de la caracterisation en guide coaxial des materiaux anisotropes, les nids d'abeilles, qui sont les produits operationnels issus de la production industrielle et qui equipent les aeronefs.

Les propriétés optiques et mécaniques remarquables des matériaux naturels sont souvent associées à la complexité de leurs structures hiérarchiques. L’une des plus complexes est la structure hélicoïdale, constituée de plusieurs couches de fibres alignées dont l’orientation tourne entre les couches voisines. Cette microstructure, dite de Bouligand, est associée à la résistance aux chocs accrue de la carapace de certains crustacés ainsi qu’à la réflexion préférentielle de la lumière polarisée circulaire de certains fruits et insectes. Dans ce travail, nous avons fabriqué des films minces bio-inspirés complexes composés de nanofibrilles de cellulose et de poly(vinylamine) en utilisant l'approche couche-par-couche (LbL) et la pulvérisation à incidence rasante (GIS), une méthode permettant de contrôler l'alignement dans le plan de nano-objets anisotropes comme les nanofibrilles de cellulose. Nous avons démontré la possibilité de contrôler de façon indépendante la direction de l'alignement de chaque couche de cellulose. Ainsi, nous avons pu préparer des films minces avec une orientation unidirectionnelle, croisée ou hélicoïdale des nanofibrilles de cellulose, ce qu’il n’est pas possible de faire avec d’autres procédés de fabrication. Les propriétés optiques de ces films ont été caractérisées par dichroïsme circulaire et ellipsométrie spectroscopique à matrice de Mueller. Nous avons observé que la réponse chirale des films hélicoïdaux est contrôlée par le sens de rotation, le pas de l’hélice et le nombre de couches avant rotation. Les propriétés mécaniques de ces films ont été étudiées par différentes méthodes de nanoindentation. La méthodologie de fatigue par nano-contact a montré une ductilité accrue des films unidirectionnels et hélicoïdaux, qui peut être indirectement liée à une absorption accrue de l'énergie de ce matériau lors des sollicitations en raison de sa structure interne
The remarkable optical and mechanical properties of natural materials are often associated with the complexity of their hierarchical structures. One of the most complexes is the helical structure which consists of several layers of unidirectionally aligned fibers whose orientation rotates with respect to their neighboring layers. This so-called Bouligand microstructure is responsible for the enhanced impact resistance of the shell of some crustaceans as well as the preferential reflection of circularly polarized light of certain fruits and insects. Here, we fabricated complex bio-inspired thin films made of cellulose nanofibrils and poly(vinylamine) using the layer-by-layer (LbL) approach and grazing incidence spraying (GIS), a method allowing to control the in-plane alignment of anisotropic nano-objects like cellulose nanofibrils. We demonstrated the independent direction of alignment of each cellulose layer, which allowed the preparation of thin films with well-defined internal structures, namely, unidirectional, cross-ply or helical arrangement of the reinforcing nanofibrils, which is impossible to achieve by any other fabrication process. The optical properties of these films were characterized by circular dichroism (CD) and by Mueller matrix ellipsometry. The chirality observed for helicoidal films is controlled by the rotation direction, the pitch, and the number of layers. The mechanical properties of these cellulose-based films were studied by various nanoindentation methods. A nano-contact fatigue methodology showed an increased ductility of the unidirectional and helicoidal films, which can be indirectly related to enhanced absorption of energy of this material owing to their internal structure

On étudie l'interaction entre un faisceau ultrasonore borné monochromatique et une structure stratifiée plane immergée dans un fluide. La structure est composée de deux couches de matériaux élastiques anisotropes. La structure réelle comporte un défaut de collage, de longueur finie, situé sur cette interface interne. L'objectif de l'étude est de proposer une simulation numérique permettant d'apprécier dans quelle mesure l'analyse du faisceau ultrasonore restitué par la structure permet de détecter la présence du défaut. La représentation du faisceau fait appel à une superposition en ondes planes et utilise les transformées de Fourier rapides. L'approximation de Kirchhoff est introduite. On traite ensuite le défaut comme un émetteur passif. Des études numériques sont proposées afin d'apprécier dans quelles situations le défaut pourra être détecté. La génération d'ondes de Lamb peut faciliter cette détection
The interaction between an acoustic ultrasonic bounded beam and a multilayered structure immersed in a fluid has been studied. The structure is composed of two anisotropic elastic layers. When the structure is sound, the real structure shows a bonded finite length crack, localised on this internal interface. The aim of this study is to propose a numerical simulation in order to estimate in what extend the analysis of the ultrasonic beam restored by the structure is able to detect the presence of the crack. The representation of the beam uses plane wave decomposition and requires fast Fourier transforms. Kirchhoff’s approximation is introduced. Then the crack is treated as a passive transducer. Numeral studies are proposed in order to estimate in what circumstances crack could be detected. Lamb wave generation could improve the detection

Certaines études récentes confirment que les tests de personnalité sont largement utilisés à des fins de sélection dans les organisations nord-américaines et que leur fréquence d’utilisation continue de croître (Boudrias, Pettersen, Longpré, & Plunier, 2008; Rothstein & Goffin, 2006). Or, les résultats des recherches portant sur le lien prévisionnel entre la personnalité et le rendement global au travail sont peu convaincants (Morgeson et al., 2007b; Murphy & Dzieweczynski, 2005). La présente thèse vise à vérifier si une amélioration des liens prédictifs entre la personnalité et le rendement au travail pourrait être obtenue en modifiant la façon d’opérationnaliser les variables prévisionnelles issues des inventaires de personnalité et en précisant les critères à prédire de manière à les rendre plus spécifiques et mieux arrimés. Pour ce faire, la capacité prévisionnelle d’une approche centrée sur le critère, c’est-à-dire l’utilisation de composites de traits de personnalité, est comparée à l’approche traditionnelle centrée sur le prédicteur, dans ce cas-ci, les cinq grands facteurs de personnalité (Big Five). D’autre part, le rendement au travail est opérationnalisé sous l’angle des compétences en emploi, ce qui permet d’en différencier les dimensions et d’augmenter la spécificité des critères. Des hypothèses précisant les facteurs de personnalité qui devraient permettre de prédire chacune des compétences évaluées sont testées. De plus, des hypothèses précisant les traits de personnalité servant à créer les variables composites sont aussi testées. Finalement, une hypothèse portant sur la comparaison de la puissance prévisionnelle des deux approches est mise à l’épreuve. L’échantillon de la recherche est composé de 225 employés occupant divers emplois au sein d’une grande organisation québécoise. Ils ont complété un inventaire de personnalité au travail dans le cadre des processus de sélection de l’organisation. Leur supérieur immédiat a effectué une évaluation de leurs compétences et de leur rendement au moins six (6) mois après leur embauche. Les résultats démontrent que la maîtrise des compétences est mieux prédite par une approche centrée sur le prédicteur (c’est-à-dire les Big Five) que par une approche centrée sur le critère (c’est-à-dire les variables composites). En effet, seules trois hypothèses portant sur le lien entre certains facteurs de personnalité et les compétences se sont avérées partiellement soutenues. Les résultats d’analyses statistiques supplémentaires, réalisées a posteriori afin de mieux comprendre les résultats, laissent supposer la présence de variables modératrices, dont, notamment, les caractéristiques situationnelles. En somme, il nous semble plus probable d’arriver, dans le futur, à trouver une méthode structurée de création des variables composites qui permettrait d’obtenir des liens prévisionnels plus puissants que de découvrir des variables composites qui seraient elles-mêmes généralisables à tous les emplois et à toutes les organisations. Par ailleurs, nous encourageons les praticiens à porter attention à la façon d’utiliser les données de personnalité. Pour le moment, il semble que les facteurs de personnalité permettent de prédire, en partie, le rendement futur en emploi. Or, les preuves empiriques concernant l’efficacité d’autres approches demeurent relativement rares et, surtout, insuffisantes pour guider fidèlement les praticiens à travers les choix nécessaires à leur utilisation.
Recent studies confirm that personality tests are widely used for selection in North American organizations and that their frequency of use continues to grow (Boudrias, Pettersen, Longpre & Plunier 2008; Rothstein & Goffin, 2006 ). However, research shows that the predictive relationship between personality and overall job performance is generally weak and that it remains similar to the initial results on the subject (Morgeson et al, 2007b;. Dzieweczynski & Murphy, 2005). This thesis aims to determine whether an improvement in the predictive relationship between personality and job performance could be achieved by modifying the way data obtained from personality inventories is used and by specifying the criteria to predict. To do so, the predictive ability of an approach centered on the criterion, that is to say, the use of compound variables of personality, is compared with the traditional approach centered on the predictor, in this case, the five factors (Big five). Moreover, job performance is operationalized in terms of job competencies, which makes it possible to differentiate the criteria and to increase its specificity. Hypotheses specifying the personality factors that should predict each competency are tested. In addition, hypotheses specifying the personality traits used to create the compound variables are also tested. Finally, a hypothesis comparing the predictive power of the two approaches is tested. The sample consisted of 225 employees occupying various jobs in a large Quebec organization. These employees have completed a work-contextualized personality inventory through the selection process of the organization. Their immediate supervisor conducted an assessment of their competencies and of their performance at least six (6) months after being hired. Thus, the design of this research is predictive and the method used is based on a confirmatory strategy, which is similar to the normal practices of testing used by industrial and organizational psychologists. Results indicate that the competencies are better predicted by a predictor-centered approach. Indeed, only three hypotheses pertaining to the relationship between personality factors and competencies proved partially supported. The results of additional statistical analyzes, performed in order to better understand the initial results, suggest the presence of moderating variables, including, in particular, the situational characteristics. In conclusion, it seems, at this time, much more likely for researchers to find a structured method for creating compound variables that would provide stronger predictive relationship, than to discover new compound variables that would be predictive of performance in every job and every organization. In addition, we encourage practitioners to pay attention to the way they use personality data. For the moment, it seems that personality factors predict, in part, future job performance. However, empirical evidence on the effectiveness of alternative approaches is relatively rare, and insufficient to accurately guide practitioners through the choice necessary for their use.