UPThèses

Les microfils métalliques polycristallins produits par étirage à froid présentent une résistance mécanique significative en faisant des candidats idéaux pour les renforts de composites. Des études antérieures sur des fils de nickel polycristallin pur ont montré une dépendance importante par rapport à la taille de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction, ainsi que de la ductilité. Le but de cette étude est de comprendre cet effet de la taille dans les microfils de nickel pur polycristallin par analyse de diffraction des rayons X in-situ (DRX) et simulations de la plasticité cristalline par éléments finis (CPFE). Des essais de traction monotone et cyclique in-situ sous rayonnement synchrotron ont été réalisés sur des microfils de diamètres allant de 100 à 40 μm. Les fils étirés à 100 micromètres obtenus dans le commerce présentent une architecture cœur-coquille avec une texture de fibre <111> dominante dans le cœur et une texture à double fibre hétérogène <111> et <100> dans la coquille. La réduction de la taille de l'échantillon par polissage électrolytique conduit à des fils ayant une microstructure homogène, tandis que la réduction de la taille de l'échantillon par un étirage à froid supplémentaire conduit à des fils avec une texture plus intense tout en conservant l'architecture cœur-coquille. La limite d'élasticité et la résistance à la traction des fils électropolis augmentent avec la diminution du diamètre, tandis que la ductilité diminue avec la réduction du diamètre. Dans le cas des fils étirés à froid, on observe que la limite d'élasticité et la résistance à la traction, ainsi que la ductilité, augmentent avec la diminution du diamètre. L'analyse DRX indique une plasticité successive des familles de grains sous iso-déformation. Nous avons observé que le gradient de la texture du microfil active des mécanismes de déformation qui ne sont pas observés pour les microfils à texture homogène. Pour comprendre l'influence de différents paramètres microstructuraux, notamment l'influence de la texture cristallographique, une microstructure représentative 3D a été générée et des simulations CPFE ont été réalisées. Le comportement simulé moyen des différentes familles de grains (<111>, <100>) concorde bien avec les résultats expérimentaux. La simulation CPFE indique une hétérogénéité du champ de contrainte à travers la microstructure en présence d'un gradient de texture cristallographique. Nous montrons que la micro-texture (texture simple ou double texture) et leur dispersion spatiale (homogène ou architecturée) peuvent être utilisées comme stratégie de conception pour obtenir une microstructure optimale en fonction de l’ensemble désiré de propriétés mécaniques.

Une étude de l'impact des mascarets sur le transport des sédiments à l'aide de la simulation numérique a été réalisée dans ce travail. En utilisant le logiciel OpenFOAM CFD, nous avons généré 17 simulations numériques de mascaret avec divers nombres de Froude Fr, allant de 0,99 à 1,66. Deux types de mascarets, ondulant et déferlant, ont été couverts dans ces 17 simulations numériques. Pour les particules sédimentaires non cohésives, nous avons utilisé les équations de Maxey et Riley pour déterminer la trajectoire des particules sédimentaires non cohésives sous l’influence d’un mascaret ondulant. En utilisant le schéma Runge-Kutta du quatrième ordre, une méthode tracker résout les équations de Maxey et Riley qui nécessitent l’information des champs de vitesse au temps t. Pour les particules sédimentaires cohésives, nous avons calculé la distribution des particules sédimentaires cohésives en utilisant un modèle de transport de flocs, présenté par Winterwerp (2001). Dans ce modèle, la concentration volumique solide des sédiments et le diamètre des flocs D sont estimés. Les équations de transport de et D sont résolues en utilisant la méthode des moments présentée par Beaudoin et al. (2002 et 2004). La méthode des moments permet de réduire le temps CPU rendant possible une étude paramétrique. De ce travail, nous avons trouvé une classification du mascaret en fonction du nombre de Froude Fr. Cette classification est également basée sur l’étude menée par Furgerot (2014). Pour un nombre de Froude 1,04 < Fr < 1,43, le mascaret est ondulant. Pour un nombre de Froude 1,43 < Fr < 1,57, le mascaret est partiellement déferlant, similaire à la transition de mascaret définie par Furgerot (2014). Pour un nombre de Froude Fr > 1,57, le mascaret est totalement déferlant. Une analyse de la distribution de la pression a été effectuée par Baddour et Song (1990). Nous avons trouvé que les pressions totales et hydrostatiques d’un mascaret ondulant ont de grandes valeurs sous la crête et le creux. Dans le cas d’un mascaret ondulant, les pressions totales ne sont pas égales à les pressions hydrostatiques. Cela provoque la présence de pressions dynamiques. Dans le cas de mascaret déferlant, les pressions totales deviennent égales aux pressions hydrostatiques. La turbulence réduit les pressions dynamiques. L'impact des mascarets sur le transport de particules sédimentaires non cohésives et cohésives a été étudié dans ce travail. Pour les particules sédimentaires non cohésives, nous avons observé que la trajectoire utilisant l’écoulement généré par OpenFOAM est similaire à la trajectoire de type e proposée par Chen et al. (2010). Des modifications du modèle de Chen ont été faites en incluant les effets de la gravité, l’élévation et l’atténuation pour reproduire des trajectoires de particules non cohésives sous un mascaret ondulant. Nous avons obtenu des relations linéaires entre les paramètres du modèle de Chen modifié (β1 , β2 et β3) et le nombre de Froude Fr. C’est parce que le niveau de la turbulence du mascaret ondulant est faible. L’écoulement induit par mascaret ondulant n’est pas complexe. Ce phénomène physique est quasi linéaire. Le paramètre β1, lié à la célérité avant du mascaret ondulant, diminue lorsque le nombre de Froude Fr augmente. Les paramètres β2 et β3, liés respectivement à l’élévation et à l’atténuation du mascaret déferlant, augmentent lorsque le nombre de Froude Fr augmente. Enfin, pour les particules sédimentaires cohésives, nous avons calculé la distribution de la taille des flocs D sous deux types de mascaret, ondulant et déferlant. Nous avons utilisé le diamètre initial de la particule sédimentaire cohésive d = 4 μm. La taille du floc initial D est égale à 10 μm avec la concentration du floc c = 0,5 kg/m3 . Et nous avons limité la taille maximale du floc à 2000 μm. Nous avons observé que la valeur maximal de la taille des flocs Dmax augmente de façon exponentielle par rapport au nombre de Froude Fr.

L’amélioration de la figure de mérite ZT des matériaux thermoélectriques (TE) est actuellement entreprise via des procédés de métallurgie, tels que la nanostructuration et l’introduction contrôlée de dislocations. De tels niveaux de complexité de microstructure soulèvent la problématique du comportement mécanique associé. En effet, malgré les valeurs de dureté et module d’élasticité connues pour la plupart des matériaux TE, rares sont les données sur les mécanismes de déformation. Portant sur le Half-Heusler Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2 de type p, notre étude multi-échelle propose de caractériser les mécanismes de déformation de cet alliage. Les expérimentations menées aux échelles macroscopique, mésoscopique, et microscopique sont pensées pour déclencher puis examiner les mécanismes de plasticité. Les tests en compression sur échantillons massifs dans un environnement de pression de confinement et température ont aboutis à une rupture exclusivement fragile. Les mécanismes de rupture sont identifiés comme associés une propagation de fissure intra- et inter granulaire, dépendant de la taille de grain rencontrée par le front de fissure. La méthode « indentation toughness » à l’échelle mésoscopique permet l’insertion de fissures, où les analyses MET en front de fissure confirment une abscence d’activité de dislocations, également confirmé par 3D-EBSD. À l’échelle microscopique, les données de compression de micro-pilliers ainsi que les observations de faciès de fracture sont comparable avec les échantillons massifs. Ces résultats peuvent être utilisés comme guide pour produire des matériaux TE plus résistants à la fissuration.

L’étude des interfaces est omniprésente en sciences des matériaux étant donné qu’elles sont à l’origine de nombreuses propriétés magnétiques, électriques, optiques ou mécaniques. Cette étude tente d’éclaircir le rôle des interfaces dans la définition des propriétés mécaniques des matériaux à travers deux applications industrielles pour lesquels la notion d’interface est cruciale. Tout d’abord, nous nous sommes intéressés à la problématique d’adhésion dans les systèmes revêtus via la caractérisation de la dureté et de la microstructure d’un substrat en acier 17-4PH dont la surface a été sablée avant d’y déposer un revêtement cermet par projection par flamme supersonique. La dureté a été mesurée par nanoindentation alors que les microstructures ont été observées par microscopies optique et électronique. Les résultats ont démontré un effet important du sablage sur la microstructure et la dureté du substrat à l’interface illustrant de potentielles conséquences néfastes sur l’adhésion du film. Ensuite, à la lumière des résultats récoltés, une méthode similaire a été applique à la caractérisation d’une mousse d’aluminium. Cependant, la mousse s’est révélée être un matériau beaucoup plus complexe qui nécessite de suivre une approche multi échelles. La structure et la microstructure de la mousse ont été caractérisées par plusieurs techniques pour prendre en compte la nature multi échelles du matériau. De même, différentes techniques ont été utilisées pour caractériser les propriétés mécaniques. Les résultats ont révélé un matériau particulièrement inhomogène à toutes les échelles se traduisant directement par des propriétés mécaniques également inhomogènes. Ainsi, il y a une interdépendance claire des différentes échelles, qui une fois révélée, permet d’avoir une compréhension plus globale des propriétés mécaniques de la mousse.

Ce travail vise à utiliser des surfaces d'alumine nanostructurées pour guider la croissance et l'organisation de particules métalliques (Ag, Au et AgxAu1-x), et à les tester en tant que substrats SERS-actifs robustes et réutilisables. Nous avons utilisé la spectrophotométrie pour la caractérisation des propriétés optiques résultantes, l'ellipsométrie spectroscopique pour l'extraction des indices optiques et la microscopie électronique en transmission pour les caractérisations structurales. La diffusion Raman exaltée de surface (SERS) a été utilisée pour la détection de molécules de bipyridine adsorbées sur la surface des échantillons, en collaboration avec l’Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes. Nous étudions d'abord des systèmes de nanoparticules monométalliques et bimétalliques afin de comprendre les modes de croissance de telles assemblées. Nous montrons que des arrangements différents de nanoparticules bimétalliques sont obtenus selon la séquence de dépôt utilisée et qu'un alliage est obtenu à l'issue de recuits ex situ sous vide. Les propriétés optiques en champ proche et lointain de nanoparticules d'alliage AgxAu1-x noyées dans une matrice d'Al2O3 sont comparées numériquement à celles des métaux purs, par la méthode de calcul des différences finies dans le domaine temporel. Les résultats indiquent que l’amplification du champ pour les nanoparticules de métal pur est plus élevée que pour les nanoparticules d’alliage. Enfin, les expériences SERS menées sur un système dichroïque de nanoparticules d’Ag plus ou moins couplées montrent que l'on peut obtenir un signal SERS intense avec des nanoparticules recouvertes.

Au cours des dernières années, nous avons assisté à un changement de paradigme, passant de la fabrication de robots rigides à des robots compliants. Ceci est dû à plusieurs raisons telles que l'amélioration de l'efficacité des robots dans la réalisation des mouvements explosifs ou cycliques. En fait, l'une des premières motivations à l'origine de ce changement est la sécurité. Parlant de la sécurité à la fois du sujet humain et du robot, tout en s'engageant dans des tâches collaboratives. Ainsi la désignation des cobots. Les cobots peuvent aider un opérateur humain expérimenté dans plusieurs domaines où la précision est essentielle, comme les applications industrielles ou les tâches médicales. Jusqu'à présent, les cobots présentent toujours des problèmes de sécurité, même avec des recommandations réglementaires telles que ISO / TS 15066 et ISO 10218-1 et 2 qui limitent leurs avantages économiques. Dans cette vue, plusieurs projets de recherche ont été lancés dans le monde entier pour améliorer la dynamique des cobots par rapport à la sécurité, ANR-SISCob (Safety Intelligent Sensor for cobots) étant l'un de ces projets. Les travaux menés au cours de cette thèse ont pour but de concevoir des dispositifs de sécurité qui sécuriseront les robots en y introduisant l’aspect de compliance. En effet, nous avons développé deux dispositifs dans lesquels l'aspect sécurité est atteint avec deux approches différentes : - Prismatic Compliant Joint (PCJ) : qui vise à la mise en œuvre dans les articulations linéaires, car peu de travaux ont traité de tels systèmes d'actionnement. Ici, la sécurité est atteinte biomimétiquement tout en faisant face à d'autres critères de sécurité liés aux propriétés mécaniques du corps humain. - Variable Stiffness Safety Oriented Mechanism (V2SOM) : Contrairement au premier dispositif d'inspiration biomimétique qui sert aux systèmes d'actionnement linéaires, le profil de sécurité du V2SOM est axé sur la sécurité selon deux critères de sécurité: force d’impact et HIC. L'aspect ‘orienté sécurité’ est dû à ce que nous appelons la capacité de découplage d'inertie de son profil de rigidité. V2SOM est actuellement dans ses dernières étapes de brevetage. Ces deux appareils seront intégrés dans un robot sériel réalisé dans notre laboratoire.

Les mécanismes de déformation plastique des matériaux cubiques à corps centré sont étudiés depuis plus d’un demi-siècle. Il est maintenant bien établi que les dislocations vis contrôlent la plasticité de ces matériaux. Ceci est dû à une structure non-plane du cœur de ces dislocations, qui induit une forte friction de réseau communément appelée ‘pseudo-Peierls’. Le mécanisme supposé est la nucléation thermiquement activée de paires de décrochements. Cette structure de cœur particulière limite également les plans de glissement possibles. Les traces de glissement aux échelles méso et microscopiques apparaissent ‘ondulées’, ce qui a amené à proposer toute une variété de plans de glissement. Dans ce contexte, nous avons analysé à une échelle plus fine, i .e. à l’échelle atomique, les traces de glissement obtenues par déformation en compression de monocristaux de niobium à des températures situées dans le régime de température thermiquement activé: 293 K, 200 K et 90 K. L’analyse par microscopie à effet tunnel sous environnement ultra vide indique qu’à la résolution atomique chaque trace de glissement peut être décomposée en segments associés à des plans de type {112} et {110}. De manière surprenante, il est mis en évidence qu’à 293 K et 200 K du glissement se produit à la fois dans le sens maclage et antimaclage. De plus, toutes les traces de glissement impliquent du glissement sur des plans de type {110}, étayant ainsi la structure de cœur compact prévue par simulations atomistiques ab initio. L’étude in situ de la surface sous contrainte, à T = 293 K et 200 K, a aussi mis en évidence des réorganisations, voire des disparitions, de terrasses atomiques au voisinage de dislocations émergentes. Le calcul des forces d’interaction en élasticité linéaire isotrope montre que les dislocations proches de ces terrasses ne jouent pas de rôle prépondérant sur la position d’équilibre des terrasses. En revanche, celles-ci modifient localement le potentiel chimique de surface, favorisant la diffusion atomique à l’origine des réorganisations de surface constatées expérimentalement.

Les plasmas froids d’air à pression atmosphérique sont très utiles pour un grand nombre d’applications grâce à leur chimie hors-équilibre et leur souplesse d’utilisation. Leur intérêt réside dans la production de certaines espèces réactives ou chargées avec un coût énergétique plus avantageux que la chimie à l’équilibre. L’objectif de cette thèse est de combiner les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) avec une géométrie micrométrique. Par cette combinaison, nous souhaitons palier au chauffage excessif des étincelles qui génèrent pourtant des fortes densités d’espèces. Notre étude se concentre en trois points principaux. Dans un premier temps la phase de claquage est étudiée ; c’est pendant cette étape que l’énergie est déposée et que les espèces sont produites. La combinaison des diagnostics électriques et de spectroscopie d’émission optique montrent que l’air est presque complètement dissocié et ionisé. Ensuite, nous nous intéressons à la phase de recombinaison qui conditionne la durée de vie de ces espèces. Les résultats mettent en évidence une réaction à trois corps comme mécanisme de recombinaison principal. Et enfin, le dernier point concerne le transport des espèces vers un substrat conducteur. En lui appliquant une tension, celui-ci nous permet de générer un écoulement de vent ionique provenant de la décharge. L’écoulement est étudié par vélocimétrie d’images de particules et imagerie Schlieren. Ce travail a permis de démontrer la capacité des NRP micro-plasmas dans la production contrôlée d’espèces réactives et chargées, mais aussi dans leur transport vers une surface par panache électro-aérodynamique.

Les garnitures mécaniques sont utilisées dans de multiples applications pour réaliser l'étanchéité autour d'arbres en rotation. Ces composants peuvent fonctionner efficacement pendant plusieurs années en conditions stables, mais leur durée de vie est significativement réduite lorsque les conditions varient. L'objectif de ce travail de recherche est de développer et d’utiliser un banc d'essais et code de calcul pour étudier l'impact de pulsations de pression, d’inversions de pression et du chargement dynamique résultant sur les performances de garnitures mécaniques ayant des faces mésalignées et présentant des défauts de planéité. Le solveur fluide d'un modèle numérique de garnitures mécaniques a été étendu aux conditions transitoires. Un module résolvant la dynamique des forces et des moments a été ajouté afin de prédire le déplacement axial et les déplacements angulaires de la face montée de manière flexible. Afin de caractériser les performances de garnitures, un banc d'essais générant des pulses de pression a été instrumenté et des méthodes de mesure de perte de volume d'huile et d'entrée d'eau mises en place. Des garnitures mécaniques à faces parallèles puis mésalignées, fonctionnant sous pulsations et inversions de pression, ont été testées expérimentalement et simulées. Seules de très faibles augmentations d'eau dans l'huile ont été observées, sans augmentation au cours du temps, et sans fuite d'huile mesurable. Les faibles valeurs d'entrées d'eau sont dues à la faible épaisseur de film et à la courte durée des inversions de pression. Une garniture mécanique expérimentale à fort défaut de planéité a aussi été testée. Contrairement aux autres paramètres, le défaut de planéité semble augmenter significativement la fuite et promouvoir les entrées d'eau et pourrait ainsi être à l'origine de certaines défaillances.

La lubrification eX-Poro-HydroDynamique (XPHD) est un mécanisme de lubrification d’inspiration biomimétique. Il s’agit principalement d’un écoulement dans un milieu poreux, dont la phase solide représentée par des fibres, induit des forces élastiques de compression considérées comme négligeables par rapport aux forces hydrodynamiques générées à l’intérieur du milieu poreux. L’idée essentielle de la lubrification XPHD consiste en remplacement du matériau antifriction et du film de fluide mince, traditionnellement utilisé dans les solutions classiques, par une couche poreuse imbibée d’un fluide qui fournit plus grande capacité de charge. Ce type de lubrification représente une solution technologique totalement nouvelle (en rupture avec la solution classique) qui peut permettre de remplacer les lubrifiants pétroliers, de créer des systèmes tribologiques autolubrifiants et donc plus écologiques et moins coûteux. Ce travail de recherche est donc focalisé sur l’évolution des performances de la lubrification XPHD dans le cadre d’un mouvement tangentiel, adapté à l’étude de butées pour faible et moyenne vitesses de rotation. Dans ce contexte scientifique, une étude approfondie d’un matériau poreux présélectionné (mousse en polyuréthane) fut réalisée avec le but de déterminer les caractéristiques physiques et les paramètres cruciaux pour la lubrification XPHD: la porosité et la perméabilité du matériau poreux. Les modèles théorique et numérique de lubrification XPHD proposés se basent sur l’équation de Darcy-Brinkman et les hypothèses de la lubrification classique, ainsi que l’écoulement à l’intérieur du milieu poreux sont prédit avec une nouvelle forme de l’équation de Reynolds. Le banc d’essais spécialement développé permet d’étudier expérimentalement le mécanisme de lubrification XPHD pour des différents types de dislocateur en combinaison avec des liquides newtoniens et nonnewtoniens. Une description détaillée du banc d’essais et de tous les dispositifs expérimentaux utilisés ainsi que la comparaison des résultats de modélisation et des résultats expérimentaux sont présentés.