Rozprawy doktorskie na temat „Matériel 2D”

La microscopie optique sur substrats antireflets est un outil de caractérisation simple et puissant qui a notamment permis l'isolation du graphène en 2004. Depuis, le domaine d'étude des matériaux bidimensionnels (2D) s'est rapidement développé, tant au niveau fondamental qu'appliqué. Ces matériaux ultraminces présentent des inhomogénéités (bords, joints de grains, multicouches, etc.) qui impactent fortement leurs propriétés physiques et chimiques. Ainsi leur caractérisation à l'échelle locale est primordiale. Cette thèse s'intéresse à une technique récente de microscopie optique à fort contraste, nommée BALM, basée sur l'utilisation originale de couches antireflets très minces (2-5 nm) et fortement absorbantes (métalliques). Elle a notamment pour but d'évaluer les mérites de cette technique pour l'étude des matériaux 2D et de leur réactivité chimique. Ainsi, les différents leviers permettant d'améliorer les conditions d'observation des matériaux 2D ont tout d'abord été étudiés et optimisés pour deux matériaux modèles : l'oxyde de graphène et les monocouches de MoS₂. L'étude de la dynamique de dépôt de couches moléculaires a notamment permis de montrer à la fois l'extrême sensibilité de BALM pour ce type de mesures et l'apport significatif des multicouches antireflets pour l'augmentation du contraste lors de l'observation des matériaux 2D. L'un des atouts principaux de BALM venant de sa combinaison à d'autres techniques, nous nous sommes particulièrement intéressés au couplage de mesures optiques et électrochimiques pour lesquelles le revêtement antireflet sert d'électrode de travail. Nous avons ainsi pu étudier optiquement la dynamique de réduction électrochimique de l'oxyde de graphène (GO), l'électro-greffage de couches minces organiques par réduction de sels de diazonium sur le GO et sa forme réduite (r-GO), ainsi que l'intercalation d'ions métalliques entre feuillets de GO. En combinant versatilité et fort-contraste, BALM est ainsi établi comme un outil prometteur pour l'étude des matériaux 2D et en particulier pour la caractérisation locale et in situ de leur réactivité chimique et électrochimique
Optical microscopy based on anti-reflective coatings is a simple yet powerful characterization tool which notably allowed the first observation of graphene in 2004. Since then, the field of two-dimensional (2D) materials has developed rapidly both at the fundamental and applied levels. These ultrathin materials present inhomogeneities (edges, grain boundaries, multilayers, etc.) which strongly impact their physical and chemical properties. Thus their local characterization is essential. This thesis focuses on a recent enhanced-contrast optical microscopy technique, named BALM, based on ultrathin (2-5 nm) and strongly light-absorbing (metallic) anti-reflective layers. The goal is notably to evaluate the benefits of this technique for the study of 2D materials and their chemical reactivity. The various levers to improve 2D materials observation were investigated and optimized for two model materials: graphene oxide and MoS₂ monolayers. The investigation of molecular layer deposition dynamic notably showed the extreme sensitivity of BALM for such measurements and the significant contribution of multilayers anti-reflective coatings to enhance contrast during the observation of 2D materials. One of the main assets of BALM comes from its combination to other techniques. We particularly considered the coupling between optical measurements and electrochemistry for which the anti-reflective layer serves as working electrode. We investigated optically the dynamic of electrochemical reduction of Graphene Oxide (GO), the electrografting of organic layers by diazonium salts reduction on GO and its reduced form (rGO), as well as the intercalation of metallic ions within GO sheets. By combining versatility and high-contrast, BALM is established as a promising tool for the study of 2D materials, especially for the local and in situ characterization of their chemical and electrochemical reactivity

Bien que devenant un environnement de plus en plus riche technologiquement, la salle opératoire reste un endroit où la sécurité des patients n'est pas assurée à 100% comme le montre le nombre toujours conséquent d'erreurs chirurgicales. La nécessité de développer des systèmes intelligents au bloc opératoire apparait comme croissante. Un des éléments clés pour ce type de système est la reconnaissance du processus chirurgical, passant par une identification précise des outils chirurgicaux utilisés. L'objectif de cette thèse a donc porté sur la détection en temps-réel des outils chirurgicaux dans des vidéos 2D provenant de microscopes. Devant l'absence de jeux de données de référence, qui plus est dans un contexte neurochirurgical, la première contribution de la thèse a donc été la création d'un nouvel ensemble d'images de chirurgies du cerveau et du rachis cervical, mis à disposition en ligne. Comme seconde contribution, deux approches différentes ont été proposées permettant de détecter des outils chirurgicaux via des techniques d'analyse d'image. Tout d'abord, le SquaresChnFtrs adapté, basé sur une des méthodes de détection de piétons les plus performantes de la littérature. Notre deuxième méthode, le ShapeDetector, est une approche à deux niveaux n'utilisant aucune contrainte ou hypothèse a priori sur le nombre, la position, ou la forme des outils dans l'image. Par rapport aux travaux précédents du domaine, nous avons choisi de représenter les détections potentielles par des polygones plutôt que par des rectangles, obtenant ainsi des détections plus précises. Pour intégration dans des systèmes médicaux, une optimisation de la vitesse de calcul a été effectuée via un usage optimal du CPU, du GPU, et de méthodes ad-hoc. Pour des vidéos de résolution 612x480 pixels, notre ShapeDetector est capable d'effectuer les détections à une vitesse maximale de 8 Hz. Pour la validation de nos méthodes, nous avons pris en compte trois paramètres: la position globale, la position de l'extrémité, et l'orientation des détections. Les méthodes ont été classées et comparées avec des méthodes de référence compétitives. Pour la détection des tubes d'aspiration, nous avons obtenu un taux de manqué de 15% pour un taux de faux positifs par image de 0.1, comparé à un taux de manqué de 55% pour le SquaresChnFtrs adapté. L'orientation future du travail devra porter sur l'intégration des informations 3D, l'amélioration de la couche de labélisation sémantique, et la classification des outils chirurgicaux. Pour finir, un enrichissement du jeu de données et des annotations de plus haute précision seront nécessaires
Despite modern-life technological advances and tremendous progress made in surgical techniques including MIS, today's OR is facing many challenges remaining yet to be addressed. The development of CAS systems integrating the SPM methodology was born as a response from the medical community, with the long-term objective to create surgical cockpit systems. Being able to identify surgical tools in use is a key component for systems relying on the SPM methodology. Towards that end, this thesis work has focused on real-time surgical tool detection from microscope 2D images. From the review of the literature, no validation data-sets have been elected as benchmarks by the community. In addition, the neurosurgical context has been addressed only once. As such, the first contribution of this thesis work consisted in the creation of a new surgical tool data-set, made freely available online. Two methods have been proposed to tackle the surgical tool detection challenge. First, the adapted SquaresChnFtrs, evolution of one of the best computer vision state-of-the-art approach for pedestrian detection. Our second contribution, the ShapeDetector, is fully data-driven and performs detection without the use of prior knowledge regarding the number, shape, and position of tools in the image. Compared to previous works, we chose to represent candidate detections with bounding polygons instead of bounding boxes, hence providing more fitting results. For integration into medical systems, we performed different code optimization through CPU and GPU use. Speed gain and accuracy loss from the use of ad-hoc optimization strategies have been thoroughly quantified to find an optimal trade-off between speed and accuracy. Our ShapeDetector is running in-between 5 and 8Hz for 612x480 pixel video sequences.We validated our approaches using a detailed methodology covering the overall tool location, tip position, and orientation. Approaches have been compared and ranked conjointly with a set of competitive baselines. For suction tube detections, we achieved a 15% miss-rate at 0.1 FPPI, compared to a 55% miss-rate for the adapted SquaresChnFtrs. Future works should be directed toward the integration of 3D feature extraction to improve detection performance but also toward the refinement of the semantic labelling step. Coupling the tool detection task to the tool classification in one single framework should be further investigated. Finally, increasing the data-set in diversity, number of tool classes, and detail of annotations is of interest

Dans cette thèse, je présente l’étude de défauts générés artificiellement par irradiation ionique à la surface de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), plus particulièrement de cristaux de disulfure de tungstène (WS2) et de diséléniure de tungstène (WSe2). Je présente également l’analyse structurelle des films WS2 obtenus par pulvérisation magnétron réactive (RMS) et je compare les défauts structurels observés aux défauts générés artificiellement sur les cristaux en volume. Cette thèse est composée de six chapitres. Dans le premier chapitre, une introduction à la structure et aux propriétés des dichalcogénures de métaux de transition est présentée, suivie d’une discussion des études précédentes sur la génération de défauts par irradiation ionique. Les développements récents dans les méthodes de fabrication de couches minces de TMDC, comme la pulvérisation magnétron réactive, sont également abordés. Dans le chapitre 2, je décris en détail les techniques expérimentales et les méthodes d’analyse utilisées pour caractériser les matériaux TMDC et dans le chapitre 3, je décris les méthodes utilisées pour la simulation numérique de l’irradiation ionique des TMDC. Dans le chapitre 4, je présente mon travail sur la conception des expériences et la calibration d’une source d’ions qui a ensuite été utilisée pour produire des ions de faible énergie afin de générer artificiellement des défauts sur les surfaces des TMDCs. Dans le chapitre 5, je présente mes résultats de caractérisation des films WS2 synthétisés par RMS, qui ont été obtenus à Uppsala par l’équipe de Tomas Nyberg. Dans le chapitre 6, je présente la génération artificielle de défauts sur les surfaces de TMDCs en utilisant la source d’ions décrite dans le chapitre 4. En outre, je présente les études de dynamique moléculaire que j’ai réalisées pour comprendre le mécanisme de production de défauts dans les TMDC par irradiation ionique. Les dichalcogénures de métaux de transition (TMDCs) sont une grande famille de matériaux lamellaires couvrant une large gamme de propriétés électroniques, chimiques et physiques. Ils peuvent être métalliques, semi-conducteurs ou semi-métalliques. Ces matériaux sont composés de feuilles constitués d’une tricouche de formule MX2 (où M un métal de transition, X un atome de chalcogène, c’est-à-dire S, Se ou Te) et ont un réseau atomique hexagonal [...]
In this thesis, I present the study of artificially generated defects by ion irradiation on the surface of Transition Metal Dichalcogenides (TMDC), more specifically of tungsten disulphide (WS2) and tungsten diselenide (WSe2) crystals. I also present the structural analysis of WS2 films grown by Reactive Magnetron Sputtering (RMS) and compare the observed structural defects to the artifically generated defects on the bulk crystals This thesis is composed of six chapters. In the first chapter, an introduction to the transition metal dichalcogenide structure and properties is discussed, followed by a discussion of previous studies about the defect generation by ion irradiation. Recent developments in the fabrication methods of TMDC thin-films such as reactive magnetron sputtering are also discussed. In chapter 2 I describe in detail the experimental techniques and the analysis methods used to characterize the TMDC materials and in chapter 3 I describe the methods used for numerical simulation of ion irradiation of TMDCs. In chapter 4, I present my work on the design of the experiments and the calibration of a ion source which was later used to produce low energy ions to artificially generate defects on TMDCs surfaces. Chapter 5 I present my characterization results of WS2 films grown by RMS, which were grown in Uppsala by the team of Tomas Nyberg. In chapter 6 I present the artificial generation of defects on TMDC surfaces using the ion source described in chapter 4. Furthermore, I present the molecular dynamics studies which were performed to have an understanding of the defect production mechanism in TMDCs by ion irradiation

Cette thèse est consacrée à l’évaluation du potentiel d'un semi-conducteur 2D, le disulfure de molybdène (MoS2) monocouche, en tant que matériau de canal de type N pour l’électronique flexible. Ce semi-conducteur d'épaisseur nanométrique est stable chimiquement, robuste mécaniquement et possède une bande interdite directe de 1,9 eV. Le travail réalisé couvre en premier lieu la synthèse de monocouches de MoS2 par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et leur caractérisation. Les monocouches synthétisées ont été intégrées avec succès en tant que matériau de canal dans des transistors de type N stables à l'air. L'étude a mis en évidence l'impact sur les performances de l'environnement et des résistances aux interfaces métal/MoS2. Des mobilités électroniques de 20 cm²/(V.s) associées à des rapports ION/IOFF > 106 ont été obtenus. Ces performances ont permis l’intégration du MoS2 monocouche dans des transistors flexibles. Ce travail a été combiné à d’importants efforts sur l’intégration de films minces organiques électrogreffés en tant que diélectrique de grille, y compris sur substrat flexible. Dans un domaine encore jeune mais en rapide évolution, ces travaux montrent la viabilité de l’option MoS2 monocouche pour l’électronique flexible, notamment en combinaison avec les diélectriques minces organiques
This PhD thesis is dedicated to the assessment of the potential of monolayers of molybdenum disulfide (MoS2) as a N-type channel material for flexible electronics. This 2D semiconductor of atomic-scale thickness is chemically stable, mechanically robust and has a direct bandgap of 1.9 eV. This work includes the synthesis of MoS2 monolayers by Chemical Vapor Deposition (CVD) and the characterization of this material. The MoS2 monolayers were integrated in air-stable N-type transistors. The study highlighted the impact on the device performances of both the environment and the resistances at the MoS2/metal interfaces. Electronic mobilities of 20 cm²/(V.s) in combination with ION/IOFF ratios > 106 were achieved. These performances allowed integrating MoS2 monolayers in flexible transistors. This work was combined with the study of electrografted organic ultrathin films used as gate dielectrics and their integration in MoS2 transistors. This thesis shows that MoS2 monolayers are a viable option for flexible electronics operating at low bias, in particular when they are associated with ultrathin organic dielectrics

Caracterisation de l'endommagement anisotrope par metrologie ultrasonore. Application a un materiau composite industriel: le 2d carbone-sic. La tenacite elevee des materiaux composites a matrice ceramique est liee a la capacite des interfaces fibre-matrice a arreter ou a devier les fissures matricielles. Le comportement tridimensionnel non lineaire de ces composites est etudie par une methode ultrasonore qui donne acces a tous les coefficients du tenseur d'elasticite, necessaires a l'identification de l'endommagement anisotrope. L'evaluation de deux familles de composites: un sic-sic 1d et un carbone-carbone 3d evolutif, precise les limites de la technique ultrasonore. La description tridimensionnelle du comportement du sic-sic 1d est fournie par les lois d'evolutions experimentales du tenseur d'endommagement. La confrontation entre les variations de toutes les composantes du tenseur de rigidite et la modelisation de la micro-fissuration en bandes-plates a permis de determiner la geometrie et la densite de la fissuration. Les mecanismes de degradation et de deformation; fissuration de la matrice, decohesion fibre-matrice, ouverture-fermeture des fissures, et leur influence sur le comportement d'un composite industriel: le carbone-sic tisse 2d sont determines et analyses pour diverses sollicitations. Deux modes de fissuration sont identifies lors des essais de traction monotones; une fissuration matricielle transversale presentant un caractere deterministe, et une evolution aleatoire des decohesions fibre-matrice. Un mecanisme d'ouverture-fermeture partiel et progressif des fissures transverses est mis en evidence pour les chargements cycliques. L'essai hors axes naturels a montre une degradation totalement anisotrope consequence d'une perte de symetrie elastique. Les essais de fatigue ont permis l'identification de deux processus d'endommagement: une saturation de la densite des fissures orthogonales a la contrainte, et une evolution des decohesions fibre-matrice responsable de la degradation du materiau

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CAPES
Segmentar imagens de maneira automática é um grande desafio. Apesar do ser humano conseguir fazer essa distinção, em muitos casos, para um computador essa divisão pode não ser tão trivial. Vários aspectos têm de ser levados em consideração, que podem incluir cor, posição, vizinhanças, textura, entre outros. Esse desafio aumenta quando se passa a utilizar imagens médicas, como as ressonâncias magnéticas, pois essas, além de possuírem diferentes formatos dos órgãos em diferentes pessoas, possuem áreas em que a variação da intensidade dos pixels se mostra bastante sutil entre os vizinhos, o que dificulta a segmentação automática. Além disso, a variação citada não permite que haja um formato pré-definido em vários casos, pois as diferenças internas nos corpos dos pacientes, especialmente os que possuem alguma patologia, podem ser grandes demais para que se haja uma generalização. Mas justamente por esse possuírem esses problemas, são os principais focos dos profissionais que analisam as imagens médicas. Este trabalho visa, portanto, contribuir para a melhoria da segmentação dessas imagens médicas. Para isso, utiliza a ideia do Bagging de gerar diferentes imagens 2D para segmentar a partir de uma única imagem 3D, e conceitos de combinação de classificadores para uni-las, para assim conseguir resultados estatisticamente melhores, se comparados aos métodos populares de segmentação. Para se verificar a eficácia do método proposto, a segmentação das imagens foi feita utilizando quatro técnicas de segmentação diferentes, e seus resultados combinados. As técnicas escolhidas foram: binarização pelo método de Otsu, o K-Means, rede neural SOM e o modelo estatístico GMM. As imagens utilizadas nos experimentos foram imagens reais, de ressonâncias magnéticas do cérebro, e o intuito do trabalho foi segmentar a matéria cinza do cérebro. As imagens foram todas em 3D, e as segmentações foram feitas em fatias 2D da imagem original, que antes passa por uma fase de pré-processamento, onde há a extração do cérebro do crânio. Os resultados obtidos mostram que o método proposto se mostrou bem sucedido, uma vez que, em todas as técnicas utilizadas, houve uma melhoria na taxa de acerto da segmentação, comprovada através do teste estatístico T-Teste. Assim, o trabalho mostra que utilizar os princípios de combinação de classificadores em segmentações de imagens médicas pode apresentar resultados melhores.
Automatic image segmentation is still a great challenge today. Despite the human being able to make this distinction, in most of the cases easily and quickly, to a computer this task may not be that trivial. Several characteristics have to be taken into account by the computer, which may include color, position, neighborhoods, texture, among others. This challenge increases greatly when it comes to using medical images, like the MRI, as these besides producing images of organs with different formats in different people, have regions where the intensity variation of pixels is subtle between neighboring pixels, which complicates even more the automatic segmentation. Furthermore, the above mentioned variation does not allow a pre-defined format in various cases, because the internal differences between patients bodies, especially those with a pathology, may be too large to make a generalization. But specially for having this kind of problem, those people are the main targets of the professionals that analyze medical images. This work, therefore, tries to contribute to the segmentation of medical images. For this, it uses the idea of Bagging to generate different 2D images from a single 3D image, and combination of classifiers to unite them, to achieve statistically significant better results, if compared to popular segmentation methods. To verify the effectiveness of the proposed method, the segmentation of the images is performed using four different segmentation techniques, and their combined results. The chosen techniques are the binarization by the Otsu method, K-Means, the neural network SOM and the statistical model GMM. The images used in the experiments were real MRI of the brain, and the dissertation objective is to segment the gray matter (GM) of the brain. The images are all in 3D, and the segmentations are made using 2D slices of the original image that pass through a preprocessing stage before, where the brain is extracted from the skull. The results show that the proposed method is successful, since, in all the applied techniques, there is an improvement in the accuracy rate, proved by the statistical test T-Test. Thus, the work shows that using the principles of combination of classifiers in medical image segmentation can obtain better results.

La mise en evidence d'une difference entre les comportements a la rupture en statique et en dynamique d'un materiau composite carbone/carbone 2d a necessite la recherche d'une procedure de caracterisation au choc adaptee aux materiaux heterogenes anisotropes semi fragiles endommageables. L'utilisation de modeles simples de type masse-ressort associee a l'instrumentation d'un essai de choc base, par exemple, sur le mouton pendule charpy, s'avere suffisamment fiable pour permettre l'interpretation d'essais sur des materiaux tels que le pmma. Par contre, ces modeles se revelent inoperants pour le materiau 2d-c/c dont le caractere endommageable se manifeste prematurement. La prise en compte de l'interaction entre l'impacteur et l'eprouvette constitue une voie permettant l'exploitation des essais de choc et montre aussi que ces interactions interviennent peu dans les bilans energetiques

Le système perceptif d’un chirurgien doit s’adapter aux contraintes multisensorielles liées à la chirurgie guidée par l’image. Trois expériences sont conçues pour explorer ces contraintes visuelles et haptiques pour l’apprentissage guidé par l’image. Les résultats montrent que les sujets sont plus rapides et plus précis avec une vision directe. La stéréoscopie 3D n’améliore pas les performances des débutants complets. En réalité virtuelle, la variation de la longueur, largeur, position et complexité de l'objet affecte les performances motrices. La force de préhension appliquée sur un système robotique chirurgical dépend de l'expérience de l'utilisateur. En conclusion, le temps et la précision sont importants, mais la précision doit rester une priorité pour un apprenti. L'homogénéité des groupes d'étude est important pour la recherche sur la formation chirurgicale. Les résultats ont un impact direct sur le suivi des compétences individuelles pour les applications guidées par l'image
Perceptual system of a surgeon must adapt to conditions of multisensorial constrains regard to planning, control, and execution of the image-guided surgical operations. Three experimental setups are designed to explore these visual and haptic constraints in the image-guided training. Results show that subjects are faster and more precise with direct vision compared to image guidance. Stereoscopic 3D viewing does not represent a performance advantage for complete beginners. In virtual reality, variation in object length, width, position, and complexity affect the motor performance. Applied grip force on a surgical robot system depends on the user experience level. In conclusion, both time and precision matter critically, but trainee gets as precise as possible before getting faster should be a priority. Study group homogeneity and background play key role in surgical training research. The findings have direct implications for individual skill monitoring for image-guided applications

L'objectif principal de la présente thèse est de développer une approche de modélisation et de simulation pour étudier les effets de surface dans les matériaux nanoporeux 2D et leur impact sur les propriétés élastiques et conductrices globales. Il combine deux méthodes à deux échelles différentes : la dynamique moléculaire (DM) à l'échelle atomique et la mécanique du continuum (CM) à l'échelle microscopique avec un modèle de frontière libre pertinent. Les propriétés élastiques et thermoconductrices des matériaux sont prises en compte. Pour atteindre cet objectif, à l'échelle microscopique, la variable complexe et les techniques de cartographie conforme associées (cartographie Schwarz-Christoffel) sont utilisées pour résoudre le problème de l'hétérogénéité Eshelby d'un vide unique de forme arbitraire incorporée dans une matrice infinie. La limite de vide est supposée avoir des comportements élastiques et thermiques locaux distincts et est modélisée par un modèle linéaire. Les conditions aux limites dans l'approche par variable complexe sont modifiées pour prendre en compte ces effets. Les résultats obtenus par cette approche sont en excellent accord avec la méthode des éléments finis et des solutions analytiques dans certains cas particuliers. Les tenseurs de localisation sont ensuite utilisés pour calculer les propriétés macroscopiques de matériaux hétérogènes 2D à l’aide des schémas d’estimation dilué et de Mori-Tanaka. Quelques applications des méthodes pour étudier les effets de forme et de taille sur les propriétés macroscopiques sont également présentées. À l'échelle atomique, nous nous concentrons sur le comportement élastique du graphène et utilisons LAMMPS, un code MD à code source ouvert pour effectuer des calculs. Premièrement, en étudiant les feuilles de graphène soumises à différents chargements mécaniques dans le plan, les constantes élastiques de masse et de bord peuvent être extraites. Les simulations MD montrent que le module d'élasticité des bords en graphène n'est pas constant et dépend des structures des bords (zigzag et fauteuil). Ces propriétés peuvent être utilisées comme données d'entrée pour la méthode CM précédemment développée à l'échelle macroscopique. Les résultats des méthodes CM sont comparés aux simulations MD de feuilles de graphène avec des lacunes de formes différentes et de structures de bords mélangées / non mélangées. Nous constatons que les propriétés efficaces dépendent des deux facteurs
The main objective of the present thesis is to develop a modeling and simulation approach to study the surface effects in 2D nanoporous materials and their impact on the overall elastic and conductive properties. It combines two methods at two different scales: Molecular Dynamics (MD) at the atomic scale and Continuum Mechanics (CM) at the microscopic scale with a relevant free boundary model. Both elastic and the thermal conductive properties of the materials are considered. To achieve this goal, at the microscopic scale, the complex variable and the associated conformal mapping techniques (Schwarz-Christoffel mapping) are used to solve the Eshelby heterogeneity problem of a single void with arbitrary shape embedded in an infinite matrix. The void boundary is assumed to have distinct local elastic and thermal behaviors to the bulk and modeled by a line model. The boundary conditions in the complex variable approach are modified to account for these effects. The results obtained by the approach are in excellent agreement with the Finite Element Method and analytical solutions for some particular cases. The localization tensors are then used to compute the macroscopic properties of 2D heterogeneous materials using the dilute and Mori-Tanaka estimation schemes. Some applications of the methods to study the shape and size effects on the macroscopic properties are also presented. At the atomic scale, we focus on the elastic behavior of graphene and use LAMMPS, an open-source MD code to perform computation. First, by studying graphene sheets subject to different in-plane mechanical loading, the bulk and edge elastic constants can be extracted. The MD simulations show that the graphene edge elastic modulus is not constant and depends on the edge structures (zigzag and armchair). Those properties can be used as input data for the CM method previously developed at the macroscopic scale. The results of the CM methods are compared with MD simulations of graphene sheets with vacancies of different shapes and mixed/unmixed edge structures. We find that effective properties depend on both two factors

Cette thèse a été consacrée à l'étude théorique et expérimentale du couplage contrôlé de la source de photon unique (SPS) aux structures photoniques multidimensionnelles, par l'utilisation de la méthode dite écriture directe par laser (DLW) par absorption ultra-faible à un photon (LOPA). La thèse est constitutée de trois parties principales suivantes:La première partie concerne le caractérisation et l'optimisation des dots quantiques (QD) colloïdaux CdSe/CdS. La dépendance de la longeur d'onde d'excitation a été étudiée. En utilisant une excitation à 532 nm, seul le core est excité et l’effet d'Auger est donc supprimé. Cette approche permet donc d'obtenir avec la suppression de la commutation intermittente et une source de photon unique très stable à température ambiante. Afin d’obtenir une meilleure performance des QDs sur une longue période, nous avons ensuite étudié l'influence du milieu dans lequel les QDs sont logés sur leurs propriétés optiques. En intégrant les QDs dans les matrices de polymère SU-8, nous avons montré que l'environnement polymérique permet non seulement de conserver de bonnes caractéristiques des QDs CdSe/CdS avec une photostabilité élevée, mais également de nous offrir une excellente accessibilité à la fabrication des structures en polymère contenant une particule unique.Dans la deuxième partie, la technique LOPA DLW est utilisée pour le couplage des QDs uniques dans diverses structures photoniques. Deux dispositifs, l’antenne du type ''pilier diélectrique'' sous-lambda et la membrane de réseau circulaire (cavité du type ''bulleye''), ont été étudiés théoriquement et expérimentalement pour améliorer l’émission du QD couplé en termes de l'émission spatiale et de l’émission radiative spontanée de l’émetteur.Dans la troisième partie, la manipulation de la SPS est démontrée en couplant le QD unique à des structures magnéto-photoniques multidimensionnelles. À l'aide d'un champ magnétique externe, le mouvement contrôlable d'un seul QD a été démontré dans un environnement fluidique. En contrôlant l'amplitude et l'orientation du champ magnétique externe, la position et l'orientation de la SPS à base d'un QD ont été manipulées à la demande. Les propriétés optiques, magnétiques et mécaniques des dispositifs magnéto-photoniques hybrides ont été étudiées pour montrer les capacités multifonctionnelles de telles structures
The thesis has been devoted to study the controlled coupling of a colloidal quantum dot (QD) based single photon source (SPS) into multidimensional polymeric photonic structures by using low-one photon absorption (LOPA) direct laser writing (DLW) technique. The thesis consists of three main parts:The first part addresses the characteristic optimization of the CdSe/CdS based SPS. The excitation wavelength dependence of the QDs was investigated. By using 532 nm, only the core of the QD is excited with the suppression of the Auger effects. Thus, this approach allows for obtaining the suppression of fluorescence intermittency and a stable single-photon emission at ambient conditions. In order to obtain the long-term high fluorescence quality of the QDs, we then studied the influence of the local dielectric medium on the optical properties of the QDs. By incorporating the QDs into a photoresist (SU-8), we demonstrated that the polymeric environment not only enables the long-term preservation of the QD with high photostability but also provides us excellent accessibility to fabricate polymeric structures containing SPS.In the second part, the LOPA-based DLW is employed for the coupling of single QD into various photonic structures. Two devices including submicropillar dielectric antenna and 3D membrane bulleye cavity are theoretically and experimentally investigated to enhance the fluorescence emission of the single QD in terms of far-field angular radiation pattern and the spontaneous radiative emission of the emitter.In the third part, the manipulation of SPS is demonstrated by coupling the single QD into multidimensional magneto-photonic structures. With the aid of an external magnetic field, the controllable movement of the coupled QD was performed in the fluidic environment. The position and orientation of the SPS coupled in the structure were manipulated on demand. The mechanical, magnetic and optical properties of the device are investigated showing the multifunctional capabilities of magneto-photonic structures

Cette thèse porte sur la caractérisation non destructive de structures 2D magnéto-diélectriques inhomogènes complexes. L’ensemble des étapes allant de l’expérience au traitement du problème inverse est traité. Dans un premier temps, un modèle direct reliant le champ diffusé aux propriétés électromagnétiques du matériau a été mis en place. Ce modèle requiert des calculs par éléments finis de la propagation de l’onde électromagnétique, en présence de l’objet observé lorsque celui-ci est positionné sur un support métallique. Une validation expérimentale a été réalisée via la mise en place d'un banc de mesure multi statique. Différentes étapes d'ajustements et d'étalonnages ont permis la réduction du bruit de mesure ainsi que des biais. L’inversion est traitée principalement par une approche linéaire, avec un choix attentif de la valeur des hyper paramètres qui y sont associés. Une fois les outils mis en place, six études ont été réalisées pour la validation de notre système d’imagerie 2D des propriétés électromagnétiques de matériaux magnéto-diélectriques inhomogènes. Cela comprend l’évaluation des incertitudes de mesure, de la résolution spatiale, la mesure de différents matériaux magnétiques et l’utilisation de différents supports à géométries variées. L’ensemble des résultats expérimentaux réalisés se place dans une hypothèse de géométrie 2D. C’est pourquoi, nous avons ensuite orienté nos travaux vers la recherche d’un design innovant permettant de faire évoluer le banc de mesure en un dispositif d’imagerie 3D. Dans cette perspective, une source secondaire vient se déplacer proche de la cible pour acquérir de l’information selon la troisième dimension
The subject of this thesis is the non-destructive characterization of complex inhomogeneous magneto-dielectric structures. Successively, the experimental developments, the modelling and the data treatments stages are addressed. A forward model that links the scattered field to the electromagnetic properties is established. This model requires some finite element computations in order to estimate the propagation of the electromagnetic wave in presence of the magneto-dielectric object which is glued on a metallic support. A multistatic bench has been designed and constructed in order to collect measured scattered fields. Several adjustments and calibration procedures have been carried out to reduce the measurement noise and biases. Next, the inverse problem has been dealt with, in order to retrieve the electromagnetic properties of the samples, from the measured scattered field. The inverse problem is mainly solved with a linear approach, with a careful selection of the hyperparameters. Once the system has been fine tuned, six studies have been realized to validate our 2D imaging system. The assessment of the measurement uncertainty, the evaluation of the spatial resolution, the characterization of various magnetics materials and the use of different supports with variable geometries have been performed. So far, all the developments were done under a 2D hypothesis. That is why, we have then focused our research on the design of a 3D innovative imaging setup. To this end, a secondary source moving close to the target has been added in order to gain information in the third direction. A numerical study has been performed to assess the expected performances of this new setup

La simulation à l'échelle mésoscopique de la déformation des renforts composites fournit des informations importantes. En particulier, elle donne la direction et la densité de fibres qui conditionne la perméabilité du renfort textile et les propriétés mécaniques du composite final. Ces analyses mésoscopiques par éléments finis dépendent fortement de la qualité de la géométrie initiale du modèle. Certains logiciels ont été développés pour décrire ces géométries de renforts composites. Mais, les géométries obtenues impliquent une simplification (notamment dans la section transversale de mèche) qui peut perturber le calcul de déformation du renfort. Le présent travail présente une méthode directe utilisant la microtomographie à rayon X pour générer des modèles éléments finis, basée sur la géométrie réelle de l'armure textile. Le modèle EF peut être obtenu pour tout type de renfort, plus ou moins complexe. Les problèmes d’interpénétrations de mèches sont évités. Ces modèles sont utilisés avec deux lois de comportement : une loi hypoélastique et une loi hyperélastique. Les propriétés de chacune d'entre elles, ainsi que les grandeurs caractéristiques nécessaires à leur implémentation dans le logiciel ABAQUS sont développées. Enfin, une identification des paramètres matériau à l'aide d'une méthode inverse est proposée. Les résultats obtenus pour les simulations de mise en forme sont comparés avec les résultats expérimentaux et montrent une bonne correspondance entre les deux
The simulation at meso-scale of textile composite reinforcement deformation provides important information. In particular, it gives the direction and density of the fibres that condition the permeability of the textile reinforcement and the mechanical properties of the final composite. These meso FE analyses are highly dependent on the quality of the initial geometry of the model. Some software have been developed to describe composite reinforcement geometries. The obtained geometries imply simplification that can disrupt the reinforcement deformation computation. The present work presents a direct method using computed microtomography to determine finite element models based on the real geometry of the textile reinforcement. The FE model is obtained for any specificity or variability of the textile reinforcement, more or less complex. The yarns interpenetration problems are avoided. These models are used with two constitutive laws : a hypoelastic law and a hyperelastic one. An analysis of their properties is presented and their implementation in the software ABAQUS is detailed. Finally, an identification method is presented and the results of forming simulations are compared to experimental tests, which shows a good fit between the both

La gamme Thz du spectre électromagnétique est un domaine historiquement difficile d'accès. Durant les trois dernières décennies de nombreux progrès techniques ont été réalisés dans la fabrication de sources et de détecteurs de rayonnement THz. Ces avancées ont permis de découvrir tout le potentiel applicatif des fréquences THz mais on manque encore de sources compactes et performantes. Cette thèse est consacrée à l'étude de la génération d'ondes THz par deux nanostructures lamellaires. La première structure étudiée est une microcavité réalisée à l'aide de couches nanométriques d'alliage d'AlGaAs. Nous montrons que la formation de niveaux polaritonique par couplage fort entre des puits quantiques asymétriques et une microcavité double permet de concevoir une transition interpolaritons optimisée dans le domaine THz. Nous détaillons alors la caractérisation expérimentale d'un échantillon et nous montrons la présence d'une émission THz d'origine thermique sans lien avec les transitions interpolaritons et nous présentons des pistes pour l'amélioration des échantillons.La seconde structure étudiée est le PtSe2 en couches minces, un nouveau matériau 2D appartenant à la famille des TMD. Nous caractérisons expérimentalement la transition entre semi-conducteur et semi-métal avec l'augmentation d'épaisseur des échantillons à l'aide de mesure du gap optique et de conductivité. Nous montrons la présence d'une émission THz issue d'un processus non linéaire du second ordre. Finalement nous montrons en développant un formalisme adapté que cette émission est due aux effets photogalvanique et d'entraînement par les photons linéaires
Historically, the THz domain of the electromagnetic spectrum has been difficult to access. During the past three decades, many technical advances have been made allowing the creation of THz radiation sources and detectors. These advances made it possible to discover the numerous potential applications of THz frequencies. But to this day, there is still a lack of high-performance, compact and cost effective sources and detectors that would be suitable for industrial applications.In this thesis we study the generation of THz radiation by two lamellar nanostructures.The first structure studied is a microcavity made using nanometric layers of AlGaAs alloys. We show that the formation of polariton levels by the strong coupling between asymmetric quantum wells and a double microcavity allows the design of an optimized interpolariton transition in the THz domain. We then detail the experimental characterization of a sample and we show the presence of a THz emission caused by thermal processes unrelated to the interpolariton transition. We conclude by presenting prospects for the improvement of the samples.The second structure studied is PtSe2 in the thin film form, a novel 2D material that belongs to the TMD family. We characterize experimentally the transition between semiconductor and semi-metal that follows with the increasing thickness of the samples using optical bandgap and conductivity measurements. We show the presence of a THz emission that results from second order nonlinear processes. Finally we show by developing an adapted formalism that this emission is can be mainly attributed to the linear photogalvanic and photon drag effects

L'industrie aéronautique doit faire face aux nouvelles exigences environnementales, tout particulièrement concernant la réduction de la consommation des énergies fossiles. L'utilisation de matériaux composites plus léger permet de répondre en partie à cette attente. Pour limiter les coûts lors de la fabrication et du développement des composites à renforts tissés 3D, il est nécessaire d'utiliser des outils de simulation performants. En particulier, les outils existants, qui discrétisent à une échelle mésoscopique l'architecture des tissus 3D, ne tiennent pas compte de l'influence du procédé de fabrication sur la constitution de la structure textile. Si des outils numériques dédiés à la modélisation du procédé de tressage et de tricotage sont disponibles, il n'en est rien concernant le tissage. Cette étude avait donc pour but de s'intéresser plus particulièrement à la simulation du prodécé de tissage pour pouvoir obtenir une structure de tissu sèche déformée numériquement. La production de différentes architectures de tissu en verre E dans notre laboratoire nous a permis d'observer les différents éléments en contact avec le fil ou le tissu sur la machine à tisser, par le biais de l'utilisation d'une caméra rapide par exemple. Le développement d'un modèle numérique par éléments finis reproduisant le procédé de tissage a été réalisé. Une loi de comportement isotrope transverse fut utilisée pour modéliser les fils de verre. Des premières simulations numériques encourageantes pour la fabrication d'un tissu d'armure toile et d'un tissu d'armure croisé 2-2 sont présentées et comparées avec les tissus réels produits correspondants
The aeronautical industry faces new challenges regarding the reduction of fossil fuel consumption. One way to address this issue is to use lighter composite materials. The ability to predict the geometry and the mechanical properties of the unit cell is necessary in order to develop 3D reinforcements in composite materials for these aeronautical applications. There is a difficulty to get realistic geometries for these unit cells due to the complexity of their architecture. Currently, existing tools which model 3D fabrics at a meso scale don't take into account manufacturing process influence on the shape modification of the textile structure. There is already some numerical tools that can model the braiding or knitting process, but none have been developed for weaving so far. Consequently, this study deals with the numerical simulation of the weaving process to obtain a deformed dry fabric structure. During the weaving process of E-glass fabrics, achieved in our laboratory, it has been observed that large deformations led to the modification of transverse section of meshes, or local density changes, that can modify the fabrics mechanical resistance. For this reason, a numerical tool of the weaving process, based on finite element modelling, has been developped to predict these major deformations and their influences on the final textile structure. The correlation between numerical results and fabrics produced with glass fibres has been achieved for plain weave and 2-2 twill

Les objectifs de ce travail sont d'une part d'étudier la structure électronique de carbures de titane bidimensionnels appartenant à la famille des MXènes, et d'autre part de synthétiser des films minces pour caractériser certaines de leurs propriétés. L'étude de la structure électronique a été réalisée sur le système Ti3C2T2 avec une attention particulière portée aux groupements de surface T (T=OH, F ou O) en comparant les résultats obtenus par spectroscopie de perte d'énergie des électrons à ceux des calculs ab initio. Cette étude, portée à la fois sur les excitations du gaz d'électrons de valence et des électrons de coeur, a permis de mettre en évidence la localisation des groupements de surface, ainsi que leur influence sur la structure électronique du MXene. La comparaison des simulations et des spectres expérimentaux a également permis de caractériser la nature chimique des groupements de surface. Enfin, la limite d'une telle étude est discutée en considérant les phénomènes d'irradiation responsables de la perte d'atomes d'hydrogène. La synthèse d'échantillons modèles nécessite la synthèse préalable d'un film mince de phase MAX précurseur pour le MXene : nous avons choisi la phase Ti2AlC, précurseur de Ti2C. La synthèse de Ti2AlC a été réalisée par recuit ex-situ de systèmes multicouches déposés à température ambiante. Les films ont été caractérisés par diffraction des rayons X et microscopie électronique en transmission. Au-delà de l'obtention d'un film mince de Ti2AlC texturé, cette étude a permis de montrer que la phase recherchée était obtenue via des mécanismes d'interdiffusions induisant la formation d'une solution solide métastable vers 400°C qui se transforme en phase MAX vers 600°C. Enfin, l'application de ce procédé à la phase V2AlC a permis de montrer l'importance de l'orientation de la phase initiale pour l'obtention d'un film mince texturé
The aim of this work is at first to study the electronic structure of bidimensional titanium carbide systems, belonging to the MXene family and also to synthesize thin films of such new materials to characterize their properties. The study of the electronic structure has been performed for the Ti3C2T2 MXene with a special attention to the T surface groups by using a combination of electron energy loss spectroscopy and ab initio calculations. This study, focused on both valence and core electrons excitations, enabled the identification of the surface group localization, their influence on the MXene electronic structure as well as their chemical nature. The limits of our TEM-based study is also discussed in view of irradiation phenomena which induce the loss of hydrogen atoms. The synthesis of a MXene thin film requires, beforehand, that of a MAX phase thin film: we opted for Ti2AlC, the precursor for the Ti2C MXene. The MAX phase thin film synthesis was carried out by ex-situ annealing of a multilayer layers. X-ray diffraction experiments and cross-sectional transmission electron microscopy observations show that a highly textured Ti2AlC thin film is obtained above 600°C after the formation, at 400°C, of a metastable solid solution. Finally, by using the same process for V2AlC, we demonstrate that the initial phase orientation plays a key role for the texture of the thin film so obtained

La sécurité de plusieurs systèmes électriques est fortement dépendante de la fiabilité de leur bloc-batterie à base de piles aux ions lithium (Li-ion). Par conséquent, ces batteries doivent être suivis et contrôlés par un système de gestion des batteries (BMS). Le BMS interagit avec toutes les composantes du bloc-batterie de façon à maintenir leur intégrité. La principale composante d’un BMS est un modèle représentant le comportement des piles Liion et capable de prédire ses différents points d’opération. Dans les industries de l’électronique et de l’automobile, le BMS repose habituellement sur des modèles empiriques simples. Ceux-ci ne sont cependant pas capables de prédire les paramètres de la batterie lorsqu’elle vieillit. De plus, ils ne sont applicables que pour des piles spécifiques. D’un autre côté, les modèles électrochimiques sont plus sophistiqués et plus précis puisqu’ils sont basés sur la résolution des équations de transport et de cinétique électrochimique. Ils peuvent être utilisés pour simuler les caractéristiques et les réactions à l’intérieur des piles aux ions lithium. Pour résoudre les équations des modèles électrochimiques, il faut connaître les différents paramètres électrochimiques et thermo-physiques de la pile. Les variables les plus significatives des piles Li-ion peuvent être divisées en 3 catégories : les paramètres géométriques, ceux définissant les matériaux et les paramètres d’opération. Les paramètres géométriques et de matériaux peuvent être facilement obtenus à partir de mesures directes ou à partir des spécifications du manufacturier. Par contre, les paramètres d’opération ne sont pas faciles à identifier. De plus, certains d’entre eux peuvent dépendre de la technique de mesure utilisée et de l’âge. Finalement, la mesure de certains paramètres requiert le démantèlement de la pile, une procédure risquée et destructive. Plusieurs recherches ont été réalisées afin d’identifier les paramètres opérationnels des piles aux ions lithium. Toutefois, la plupart de ces études ont porté sur l’estimation d’un nombre limité de paramètres et se sont attardées sur un seul type de matériau pour l’électrode positive utilisé dans la fabrication des piles Li-ion. De plus, le couplage qui existe entre les paramètres électrochimiques et thermo-physiques est complètement ignoré. Le but principal de cette thèse est de développer une méthode générale pour identifier simultanément différents paramètres électrochimiques et thermo-physiques et de prédire la performance des piles Li-ion à base de différents matériaux d’électrodes positives. Pour atteindre ce but, une méthode inverse efficace a été introduite. Des modèles directs représentatifs des piles Li-ion à base de différents matériaux d’électrodes positives ont également été développés. Un modèle rapide et précis simulant la performance de piles Li-ion avec des électrodes positives à base de LiMn2O4 ou de LiCoO2 est présenté. Également, deux modèles ont été développés pour prédire la performance des piles Li-ion avec une électrode positive de LiFePO4. Le premier, appelé modèle mosaïque modifié (MM), est basé sur une approche macroscopique alors que le deuxième, appelé le modèle mésoscopique, est plutôt basé sur une approche microscopique. Des études d’estimation de paramètres ont été conduites en utilisant les modèles développés et des données expérimentales fournies par Hydro-Québec. Tous les paramètres électrochimiques et thermo-physiques des piles Li-ions ont été simultanément identifiés et appliqués à la prédiction de la performance des piles. Finalement, une technique en temps réel reposant sur des réseaux de neurones est introduite dans la méthode d’estimation des paramètres intrinsèques au piles Li-ion.
Abstract : The safety of many electrical systems is strongly dependent on the reliable operation of their lithium-ion (Li-ion) battery packs. As a result, the battery packs must be monitored by a battery management system (BMS). The BMS interacts with all the components of the system so as to maintain the integrity of the batteries. The main part of a BMS is a Li-ion battery model that simulates and predicts its different operating points. In the electronics and in the automobile industries, the BMS usually rests on simple empirical models. They are however unable to predict the battery parameters as it ages. Furthermore, they are only applicable to a specific cell. Electrochemical-based models are, on the other hand, more sophisticated and more precise. These models are based on chemical/electrochemical kinetics and transport equations. They may be used to simulate the Li-ion battery characteristics and reactions. In order to run the electrochemical-based mathematical models, it is imperative to know the different electrochemical and thermophysical parameters of the battery. The significant variables of the Li-ion battery can be classified into three groups: geometric, material and operational parameters. The geometric and material parameters can be easily obtained from direct measurements or from the datasheets provided by the manufacturer. The operational properties are, on the other hand, not easily available. Furthermore, some of them may vary according to the measurement techniques or the battery age. Sometimes, the measurement of these parameters requires the dismantling of the battery itself, which is a risky and destructive procedure. Many investigations have been conducted to identify the operational parameters of Li-ion batteries. However, most of these studies focused on the estimation of limited parameters, or considered only one type of the positive electrode materials used in Li-ion batteries. Moreover, the coupling of the thermophysical parameters to the electrochemical variables is ignored in all of them. The main goal of this thesis is to develop a general method to simultaneously identify different electrochemical and thermophysical parameters and to predict the performance of Li-ion batteries with different positive electrode materials. To achieve this goal, an effective inverse method is introduced. Also, direct models representative of Li-ion batteries are developed, applicable for all of the positive electrode materials. A fast and accurate model is presented for simulating the performance of the Li-ion batteries with the LiMn2O4 and LiCoO2 positive electrodes. Moreover, two macro- and micro-based models are developed for predicting the performance of Li-ion battery with the LiFePO4 positive electrode, namely the Modified Mosaic (MM) and the mesoscopic-based models. The parameter estimation studies are then implemented by means of the developed direct models and experimental data provided by Hydro-Québec. All electrochemical and thermophysical parameters of the Li-ion batteries are simultaneously identified and applied for the prediction of the battery performance. Finally, a real-time technique resting on neural networks is used for the estimation of the Li-ion batteries intrinsic parameters.

L'automobile nécessite l'utilisation d'échangeurs thermiques permettant d'assurer au moteur des conditions de fonctionnement en température acceptables (autour de 90°C). La fiabilité de ces échangeurs ne peut être négligée car ils peuvent être à l'origine de complications mécaniques importantes en cas de dysfonctionnement. La maîtrise des divers modes d'endommagement des échangeurs thermiques liés aux conditions d’utilisation devient dès lors un enjeu incontestable pour les industriels en charge de leur production, tant du point de vue matériaux, que du comportement général de la structure en service (influence du procédé d'assemblage, design,...). Les échangeurs thermiques présentent aujourd’hui une sensibilité accrue aux sollicitations thermomécaniques cycliques induites en service, du fait, essentiellement, d’une constante diminution des épaisseurs des composants. Celle-ci est responsable d’une augmentation significative des contraintes internes pour des conditions en service identiques, pouvant avoir pour conséquence directe et irréversible la rupture d’un tube, témoin d’une incompatibilité matière/design/process. Deux configurations matières industrielles ont ici été étudiées. Il s’agit de structures tri-couches colaminées de type tube, constituées respectivement de deux et trois alliages d’aluminium distincts (4xxx/3xxx/4xxx ou 4xxx/3xxx/7xxx), pour une épaisseur totale de 270µm. Ces dernières ont été développées pour permettre l’utilisation du procédé de brasage comme procédé d’assemblage (alliage 4xxx). Toutefois, une telle architecture, combinée à un procédé thermique d’assemblage sévère (600°C), est responsable d’une modification profonde de la microstructure avec l’apparition de structures de solidification, responsables entre autres de nombreuses irrégularités de surface (appelées Gouttes de Placage Résiduelles - GPR) ainsi que d’importants gradients de propriétés mécaniques dans l’épaisseur. Ces travaux de recherche s’appuient sur une approche expérimentale et numérique développée pour étudier les mécanismes d'endommagement en fatigue relatifs à de telles structures fines hétérogènes. Associant diverses techniques expérimentales telles que la corrélation d’images numériques (2D-3D) ou la tomographie à rayons X (de laboratoire ou à l’ESRF), elle permet une analyse précise des mécanismes d’amorçage et de propagation des fissures de fatigue (sur éprouvette de fatigue classique ou de type échangeur thermique). Le rôle des différents placages dans chacune des phases de l’endommagement a ainsi été mis en évidence (4xxx : amorçage, 7xxx : propagation des fissures). Des simulations par la méthode des éléments finis nous ont permis de compléter ces observations en proposant une quantification précise de l’influence de l’état de surface (GPR) sur la tenue en fatigue des éprouvettes testées. Enfin, des essais de fatigue réalisés directement sur échangeurs thermiques ont permis de corroborer les résultats obtenus sur éprouvettes modèles
The automotive industry, like many other industrial fields, requires the use of heat thermal exchangers to allow optimal thermal service conditions of the engine (around 90°C for a car engine). The exchangers’ reliability has to be guaranteed to avoid a decrease of the engine efficiency or detrimental mechanical damage resulting from too high service temperatures. It is therefore necessary to control the different damage modes of such thermal heat exchangers according to the conditions of use. Thanks to their good thermal, corrosion and mechanical properties, aluminium alloys have steadily replaced copper alloys and brass for manufacturing heat exchangers in cars or trucks. Such components have been constantly optimized in terms of exchange surface area and, nowadays, this has led to Al components in heat exchangers with a typical thickness of the order of 0.2 to 1.5 mm. With such small thicknesses, the load levels experienced by heat exchangers components has drastically increased leading to an important research effort in order to improve the resistance to damage development during service life. Two industrial materials made of 3 co-rolled aluminium alloys (total thickness 0.27 mm) have been studied. In spite of their small thickness, the materials exhibit a composite structure comprising a core material (3xxx alloy) and 2 clads (4xxx and/or 7xxx alloys according to material configuration: 4xxx/3xxx/4xxx or 4xxx/3xxx/7xxx). The lower melting point 4xxx alloy is used for producing the heat exchanger assembly during a brazing process while the 7xxx alloy improves internal corrosion resistance. Such complex architecture, combined to the severe brazing thermal treatment, leads to important microstructural modifications, mainly characterized by the formation of brazing joints or Clad Solidification Drops (CSD) on the surface. Both of them are responsible for significant gradients of the mechanical properties on the thickness. The present study is based on an original experimental and numerical approach developed to characterise the different fatigue damage mechanisms operating in such thin heterogeneous structures. Digital image correlation (2D-3D) and X-rays tomography (at different resolutions) have been used to analyze the crack initiation and propagation mechanisms, highlighting the impact of each clad on each damage step. While the 4xxx clad corresponds to preferential crack initiation zones, the 7xxx clad seems to affect significantly the crack propagation phase. Finite Elements simulations have been carried out to complete these experimental observations, putting forward an accurate quantification of the surface state influence (through the CSD). All the different results and observations made on fatigue samples with a simplified geometry have been finally confirmed by fatigue tests on thermal exchanger configurations

Les problèmes étudiés dans cette thèse relèvent du cadre général de la modélisation des tunnels profonds. Ce travail traite essentiellement de l'interaction complexe entre massif et soutènement. Initialement, on réalise une approche expérimentale portant sur l'optimisation du dimensionnement des soutènements des galeries dans des roches viscoplastiques. Une modélisation numérique fine de ce problème d'interaction massif viscoplastique-soutènement plastique est mise en oeuvre et permet de bien interpréter le comportement de la galerie expérimentale de Mol (Belgique). Ensuite, on s'intéresse à l'aspect 3D du creusement des tunnels a l'aide de la méthode numérique d'activation/désactivation des éléments en axisymétrie. On montre, par la réalisation d'abaques, que l'équilibre des tunnels dans les milieux viscoplastiques dépend largement de la rigidité et de la distance de pose du revêtement ainsi que de la vitesse de creusement de l'ouvrage. Dans la dernière partie, on compare les résultats donnés par notre méthode numérique d'une part, et par la méthode cv-cf d'autre part: on met en évidence les imprécisions de la méthode approchée cv-cf sous sa forme actuelle. Finalement, on propose une nouvelle méthode approchée en élasticité, qui conserve le formalisme de la méthode cv-cf, mais permet de mieux prendre en compte l'effet de la rigidité du soutènement sur la valeur de la convergence avant pose. Cette nouvelle méthode approchée conduit à des résultats tout a fait acceptables.