Le BUT de ma thèse est d’étudier les mécanismes fondamentaux du mélange d’une poudre avec un liquide : Au début du mélange, la poudre et le liquide sont versés dans le mélangeur, des agrégats de poudre communément appelés grumeaux se forment. Ensuite chaque agrégat va évoluer par l’action de plusieurs phénomènes : l’imbibition, phénomène spontané qui désigne l’infiltration d’un liquide dans un milieu poreux par capillarité ; et le phénomène forcé de rupture sous contraintes d’écoulement. A l’état final la poudre est dispersée finement et de façon homogène dans le liquide. Ma thèse est alors structurée en deux parties : l’étude de la cinétique d’imbibition d’un agrégat sphérique immergé ; et l’étude de la rupture d’un agrégat sous contrainte extérieure. La REUSSITE de l’étude provient des expériences approfondies: de la création d’un nouveau procédé de fabrication d’un agrégat grâce à l’impression 3D, jusqu’à la détermination de lois empiriques de nouveaux phénomènes mis en évidence. / The GOAL of my PhD is to study the fundamental mechanisms of mixing a powder with a liquid. The mix of focus proceeds as follows:At start, as the powder and the liquid are filled in the mixer, powder aggregates form.Then each powder aggregate evolves under the influence of several phenomena: imbibition, spontaneous phenomenon corresponding to the infiltration of a liquid inside a porous medium by capillarity; and the forced phenomenon of rupture under flow. At last the powder is finely and homogeneously dispersed in the liquid. My PhD is thus organized in two parts: the study of the imbibitions kinetics of a spherical aggregate, and the study of the rupture of an aggregate under flow.The SUCCESS of the study relies on the thorough experiments: from creating a new aggregate manufacturing process using 3D printing, to determining empirical laws corresponding to new phenomena.

This thesis is concerned with the deformation and adhesion of thin elastic sheets that come into contact with an underlying substrate. The focus of this work is on the interplay between material and geometric properties of a system and how this interplay determines the equilibrium states of sheet and substrate, particularly in the regime of geometrically nonlinear deformations. We first consider the form of an elastic sheet that is partially adhered to a rigid substrate, accounting for deflections with large slope: the Sticky Elastica. Starting from the classical Euler Elastica we provide numerical results for the profiles of such blisters and present asymptotic expressions that go beyond the previously known, linear, approximations. Our theoretical predictions are confirmed by desktop experiments and suggest a new method for the measurement of material properties for systems undergoing large deformations. With the aim to gain better understanding of the initial appearance of blisters we next investigate the deformation of a thin elastic sheet floating on a liquid surface. We show that, after the appearance of initial wrinkles, the sheet delaminates from the liquid over a finite region at a critical compression, forming a delamination blister. We determine the initial blister size and the evolution of blister size with continuing compression before verifying our theoretical results with experiments at a macroscopic scale. We next study theoretically the deposition of thin sheets onto a grooved substrate, in the context of graphene adhesion. We develop a model to understand the equilibrium of the sheet allowing for partial conformation of sheet to substrate. This model gives phys- ical insight into recent observations of ‘snap-through’ from flat to conforming states and emphasises the crucial role of substrate shape in determining the nature of this transition. We finally present a theoretical investigation of stiction in nanoscale electromechanical contact switches. Our model captures the elastic bending of the switch in response to both electrostatic and van der Waals forces and accounts for geometrically nonlinear deflections. We solve the resulting equations numerically to study how a cantilever beam adheres to a fixed bottom electrode: transitions between free, pinned and clamped states are shown to be discontinuous and to exhibit significant hysteresis. The implications for nanoscale switch design are discussed.

On considère dans cette thèse plusieurs situations dynamiques concernant des gouttes accrochées à des fibres,en mouillage total. Ces gouttes funambules se rencontrent au moment de la fabrication industrielle de laine de verre quand la colle projetée à l’état liquide lie les fibres de verre composant l’isolant thermique.Dans une première partie, nous étudions l’évolution spontanée d’une jonction liquide entre deux fils : une goutte mouillante aligne et attire les fibres qu’elle connecte et nous caractérisons la dynamique et l’intensité de ces interactions capillaires. En outre, si deux fibres se recentrent avec un angle aigu, une goutte à leur intersection s’étale dans le coin tandis qu’un excès de liquide progressera en sens inverse entre les fibres jusqu’au point où leur espacement est de l’ordre de leur rayon. Nous calculons cette distance critique et l’observons au sein de la laine de verre, révélant l’étalement possible du liant industriel avant séchage. L’influence de l’élasticité des fibres est discutée.Dans une seconde partie, nous proposons deux méthodes forçant le déplacement d’une goutte funambule isolée.Premièrement, un champ électrostatique établi entre une fibre conductrice et une contre-électrode provoque l’étalement irréversible d’une goutte isolante lorsque la surpression électrostatique l’emporte sur la surpression capillaire. Nous modélisons la dynamique de cet étalement diélectrophorétique comme un effet Marangoni. Deuxièmement,un flux d’air transverse à la fibre induit un mouvement de la goutte dans un sens aléatoire si le nombre de Reynolds associé dépasse la valeur critique où le sillage devient asymétrique. Nous modélisons la dynamique de cette translation comme un effet d’entraînement visqueux de la goutte par le tourbillon principal du sillage,alors que les interactions entre tourbillons expliquent la répulsion à longue distance entre plusieurs gouttes, leurs rebonds sur des obstacles solides ou leur capture par un obstacle placé en aval de l’écoulement. / This thesis deals with several dynamic situations involving drops hanging on fibers, in total wetting. Such drops can be found during the industrial process of glass wool manufacturing, as liquid glue is projected onto glass fibers in order to bind them and form the thermal insulator.In the first part, we study the spontaneous evolution of a liquid junction between two wires : a wetting drop makes the wires align and approach, and we characterize the dynamics and magnitude of these capillary interactions.Besides, a drop placed in the wedge between two fibers spreads in the corner, whereas an excess of liquid placed at the intersection spreads in the opposite direction until it reaches a spacing close to the fiber radius. We calculate this critical distance and observe it inside glass wool, revealing the possible spreading of industrial binder before it dries. The influence of elasticity is discussed.In the second part, we propose two ways to induce drop displacement. First of all, an electrostatic field between a conductive fiber and a counter electrode leads to the irreversible spreading of an insulating drop when the electricoverpressure exceeds the capillary overpressure. We model the dynamics of this dielectrophoretic spreading asa Marangoni effect. Secondly, a transversal air flow can induce the continuous motion of the drop in a random direction if the Reynolds number exceeds a critical value, at which point the wake becomes asymmetric. We model the dynamics of this translation as a viscous entrainment of the drop by the main vortex of the wake.The interactions between vortices are responsible for long-range repulsion between drops, their rebonds over solid obstacles and their capture by a downstream obstacle.

Σκοπός της εργασίας είναι η παρουσίαση των εξισώσεων κίνησης του στερεού σώματος και η μελέτη δύο σημαντικών επιλύσιμων περιπτώσεων κίνησης στρόβου (Lagrange, Euler) . Στo πρώτο κεφάλαιο περιγράφουμε την κίνηση ενός στερεού σώματος χρησιμοποιώντας την ομάδα στροφών. Αποδεικνύουμε το θεώρημα Chasles το οποίο μας δείχνει πως η μετακίνηση ενός στερεού μπορεί να αποσυντεθεί σε περιστροφή γύρω από έναν άξονα και μεταφορά πάνω σε αυτόν. Στη συνέχεια σκοπός μας είναι η κατανόηση της γωνιακής ταχύτητας ενός στερεού σώματος. Σημαντικό ρόλο σε αυτή την πορεία παίζει τόσο το αδρανειακό όσο και το ενσωματωμένο στο στερεό σύστημα αναφοράς. Έπειτα δίνονται οι ορισμοί της ενέργειας, της στροφορμής, της ροπής και οι εκφράσεις τους συναρτήσει γνωστών πλέον εννοιών από τα προηγούμενα. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την Δυναμική που έχει ως αντικείμενο μελέτης και έρευνας τη κίνηση των σωμάτων υπό την επίδραση δυνάμεων, και καταλήγει στην παρουσίαση των εξισώσεων Euler. Στο δεύτερο κεφάλαιο στρέφουμε το ενδιαφέρον μας στις εφαρμογές και παρουσιάζουμε την επίλυση δύο σημαντικών προβλημάτων της μηχανικής: η κίνηση ενός συμμετρικού στρόβου που κινείται υπό την επίδραση του βάρους του έχοντας ένα σταθερό σημείο (ο στρόβος του Lagrange) και η κίνηση ενός στερεού που κινείται χωρίς την επίδραση εξωτερικών ροπών (ο στρόβος του Euler). Οι λύσεις εκφράζονται μέσω Ελλειπτικών Συναρτήσεων. Τέλος, στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθενται σχόλια στις εργασίες των Holmes - Marsden και των Heijden - Yagasaki που αφορούν την ύπαρξη χαοτικής συμπεριφοράς στην διαταραγμένη περίπτωση Lagrange, που αναφέρεται σε σχεδόν συμμετρικό στρόβο. / Σκοπός της εργασίας είναι η παρουσίαση των εξισώσεων κίνησης του στερεού σώματος και η μελέτη δύο σημαντικών επιλύσιμων περιπτώσεων κίνησης στρόβου (Lagrange, Euler) . Στo πρώτο κεφάλαιο περιγράφουμε την κίνηση ενός στερεού σώματος χρησιμοποιώντας την ομάδα στροφών. Αποδεικνύουμε το θεώρημα Chasles το οποίο μας δείχνει πως η μετακίνηση ενός στερεού μπορεί να αποσυντεθεί σε περιστροφή γύρω από έναν άξονα και μεταφορά πάνω σε αυτόν. Στη συνέχεια σκοπός μας είναι η κατανόηση της γωνιακής ταχύτητας ενός στερεού σώματος. Σημαντικό ρόλο σε αυτή την πορεία παίζει τόσο το αδρανειακό όσο και το ενσωματωμένο στο στερεό σύστημα αναφοράς. Έπειτα δίνονται οι ορισμοί της ενέργειας, της στροφορμής, της ροπής και οι εκφράσεις τους συναρτήσει γνωστών πλέον εννοιών από τα προηγούμενα. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την Δυναμική που έχει ως αντικείμενο μελέτης και έρευνας τη κίνηση των σωμάτων υπό την επίδραση δυνάμεων, και καταλήγει στην παρουσίαση των εξισώσεων Euler. Στο δεύτερο κεφάλαιο στρέφουμε το ενδιαφέρον μας στις εφαρμογές και παρουσιάζουμε την επίλυση δύο σημαντικών προβλημάτων της μηχανικής: η κίνηση ενός συμμετρικού στρόβου που κινείται υπό την επίδραση του βάρους του έχοντας ένα σταθερό σημείο (ο στρόβος του Lagrange) και η κίνηση ενός στερεού που κινείται χωρίς την επίδραση εξωτερικών ροπών (ο στρόβος του Euler). Οι λύσεις εκφράζονται μέσω Ελλειπτικών Συναρτήσεων. Τέλος, στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθενται σχόλια στις εργασίες των Holmes - Marsden και των Heijden - Yagasaki που αφορούν την ύπαρξη χαοτικής συμπεριφοράς στην διαταραγμένη περίπτωση Lagrange, που αναφέρεται σε σχεδόν συμμετρικό στρόβο.

Ce travail de thèse porte sur les instabilités dans les structures minces hyperélastiques. Nous analysons les mécanismes de sélection du motif de flambement dans un solide prismatique fortement pré-contraint. Pour ce système, le modèle de poutre classique d'Euler-Bernoulli n'est pas pertinent du fait de cette forte précontrainte et il est nécessaire de recourir à une description 3-d pour expliquer l'apparition de modes instables de petite longueur d'onde. Notre analyse, fondée sur la théorie de l'élasticité finie incrémentale, montre que la longueur typique du motif de flambement est sélectionnée par l'importance relative de la pré-contrainte et du rapport d'aspect du solide prismatique. Nous nous interrogeons ainsi sur les limites du modèle classique et proposons une piste de réflexion pour la construction de nouveaux modèles. Celle-ci repose sur un développement à deux échelles combiné aux équations d'équilibre du système formulées sous forme faible. Il est alors facile de résoudre les équations exactes à chaque ordre, ce qui donne accès à la cinématique complète du système. Nous mettons en œuvre cette méthode pour l'exemple simple d'un barreau homogène en compression, ce qui nous permet d'établir le modèle classique d'Euler-Bernoulli à partir des équations de l'élasticité 3-d. La dernière partie de ce travail de thèse porte sur l'étude du flambement de systèmes invariants d'échelle : l'étude expérimentale et numérique de la compression d'un prisme à base triangulaire met en lumière une transition inédite d'un mode de flambement étendu vers des motifs localisés. / This Ph.D. work deals with buckling instabilities arising in thin hyper-elastic structures. We focus on instabilities arising in a prismatic solid submitted to finite incompatible pre-strains. We observe that the traditional 1-d Euler-Bernoulli beam model is not applicable to such a system because of the finite inhomogeneous pre-stress. The latter triggers short-wavelength instabilities that are note described by the classical 1-d models. We rely on the 3-d elasticity theory and propose a quantitative criterion on the ratio between the pre-stress and the cross-sectional aspect-ratio of the prismatic solid, that predicts the typical wavelength of the buckling pattern. This work questions the validity of classical 1-d models and suggests that extensions of these models are possible. We propose a method for the systematic derivation of reduced models. It relies on asymptotic expansions of the variational formulation of the equilibrium equations, starting from the complete expression of the energy. In this framework, kinematics can be entirely determined by solving the exact equations, order by order. We successfully apply this method to a homogeneous and isotropic beam submitted to a homogeneous compression and recover the classical Euler-Bernoulli beam model. In a last part of the manuscript we investigate the transition from extended wrinkling to localized creasing in a scale-invariant system made of a prismatic solid with a triangular cross-section, both experimentally and numerically.

Cette thèse développe, dans le cadre de la biophysique, des modèles théoriques centrés sur les interactions entre les bio-filaments, de longs polymères présents dans les cellules biologiques et les membranes biologiques, qui protègent les cellules de leur environnement. La thèse est divisée en trois parties, traitant différents systèmes. Dans un premier temps, un modèle admettant plusieurs états de courbure préférée des bio-filaments est développé. Ce type de filaments est forcé à former un anneau et leur interaction avec des membranes tubulaires qu'ils enlacent est discutée. Deuxièmement, les déformations de membranes biologiques modèles sous l'action de filaments appliquant des couples sont calculées, dans le régime linéaire. Finalement, la motilité de la bactérie Spiroplasma est abordée. Les résultats préliminaires d'un modèle élastique sont donnés. / This work focuses on the development of theoretical models in the framework of biophysics. In particular, it deals with the interactions between bio-filaments (long polymer chains found in biological cells) and biological membranes which protect cells from their environment. It is divided in three main parts, where different systems are studied. Firstly, a model going beyond the Worm-Like Chain model is developed to take into account different preferred states of curvature of the constituents of the bio-polymer chains. This kind of filaments are forced to close into a ring and their interactions with tubular membranes they entwine are discussed. Secondly, the deformations induced to biological membranes by torque-applying bio-filaments are discussed in the linear regime. Finally, the motility of the bacteria Spiroplasma. Preliminary results on an elastic model describing the cell motility are given.

Le polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (PE-UHPM) est un matériau utilisé comme composant d’appui dans les prothèses articulaires, dont la durabilité dépend des propriétés chimiques et mécaniques de ce polymère. Une des principales étapes de la production de composants en PE-UHPM pour les prothèses est la réticulation par irradiation qui améliore considérablement la résistance à l'usure, mais dans le même temps, réduit drastiquement la stabilité chimique, la résistance à la traction et la résistance à la fracture du PE-UHPM. La texturation, définit comme un procédé induisant la formation d'un réseau de molécules alignées,pourrait être un traitement alternatif à la réticulation, car elle peut augmenter la résistance à la traction et la résistance à la fracture d'un polymère sans altérer ses propriétés chimiques. Cependant,peu d'informations sont connues sur l'effet de l'orientation initiale des chaînes sur le glissement et le comportement à l’usure du PE-UHPM texturé. Dans cette thèse, l'effet de l'état d'orientation des chaînes sur le comportement au glissement et à l'usure du PE-UHPM est étudié, ainsi que les mécanismes sous-jacents. / Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) is a material widely used as bearing material in joint prostheses whose durability depends on its chemical and mechanical properties. One of the main steps in the production of UHMWPE parts for prostheses is an irradiation-induced cross-linking that considerably improves wear resistance, but at the same time lowers drastically the chemical stability, tensile strength, and toughness of UHMWPE.Texturing like e.g. the formation of a stretched molecular network, could be an alternative treatmentto cross-linking, since it can increase strength and toughness of a polymer without altering itschemical properties. However, little information is yet available about the effect of chain orientationon the sliding and wear behaviour of textured UHMWPE. In this PhD thesis, the effect of the chainorientation state on the sliding and wear behaviour of UHMWPE is investigated as well as the underlying mechanisms.

Les blessures de l'abdomen représentent une faible proportion (5%) des blessures lors d'accidents de la route mais elle augmente fortement pour les blessures sérieuses à sévères (16%). L'abdomen du mannequin THOR (Test Device for Human Occupant Restraint), destiné aux futures réglementations de choc frontal, nécessite des améliorations de sa biofidélité et un critère de blessure. Le travail présenté est en trois parties :Premièrement, les paramètres principaux de la réponse mécanique de l'abdomen du THOR et de Sujets Humain Post Mortem (SHPM) sous chargements impacteur et ceinture furent identifiés à l'aide d'un modèle mécanique simplifié. La comparaison des paramètres mécaniques du THOR et des SHPM a mis en évidence les changements nécessaires pour l'amélioration de la biofidélité. Il apparaît que la viscosité équivalente du THOR doit être augmentée d'un facteur 5 et que l'interaction avec la pièce bassin doit être modifiée du fait qu'elle augmentait la rigidité d'un facteur 8. Ces changements furent inclus dans le modèle Éléments Finis (EF) d'un abdomen prototype incluant des capteurs de pression APTS (Abdominal Pressure Twin Sensors) pour caractériser le chargement de l'abdomen.Deuxièmement, la réponse mécanique du prototype a été évaluée en simulations d'essais charriot, ce qui a montré que l'abdomen prototype a peu d'influence sur la cinématique globale du mannequin mais que la flexion du tronc peut faire augmenter la pression dans les APTS. Cela a mené à des recommandations supplémentaires au niveau de la conception de l'abdomen.Finalement, en vue de définir un critère de blessure pour l'abdomen, la pression des APTS a été corrélée aux blessures des organes décrites dans les études sur SHPM de la littérature ou prédites par le modèle EF humain THUMS / Abdominal injuries represent a small proportion (5%) of road crash injuries but their proportion increases considerably with regard to serious and severe injuries (16%). The abdomen of the Test device for Human Occupant Restraint (THOR), intended to be used in future frontal impact assessments, needs further developments regarding its biofidelity and injury criterion. The work performed in this thesis project was in three folds: Firstly, the main parameters of the THOR and Post Mortem Human Subjects (PMHS) abdomen responses under impactor and seatbelt loadings were identified using a lumped element model. The comparison between the THOR and the PMHS mechanical parameters highlighted desired changes for THOR abdomen biofidelity improvement. It was found that THOR material viscosity should be increased by 5 and that interaction with the pelvis flesh should be modified as it increased by 8 the abdomen stiffness. These changes were included in the Finite Element (FE) model of an existing abdomen prototype which is equipped with Abdominal Pressure Twin Sensors (APTS) to quantify the abdomen load. Secondly, the response of the prototype was evaluated in sled test simulations which showed that the prototype abdomen had little influence on the dummy overall kinematics but that the torso flexion could increase the pressure in the APTS. This led to additional recommendations regarding the abdomen design. Finally, for the abdominal injury criterion definition, the APTS pressure was correlated with organ injuries as reported in published PMHS tests or as predicted by THUMS human FE model

Les formulations des peintures à l’eau sont basées sur l’utilisation de suspensions colloïdales de particules de polymère dans l’eau (latex) et d’additifs dont principalement des pigments et des charges. La formation d’un film mince à matrice polymère par séchage d’un système colloïdal aqueux donne lieu à des phénomènes interdépendants d’une extrême complexité. Dans le cadre d’applications spécifiques, tels que le marquage routier, le séchage d’un latex formulé nécessite une minimisation des temps de séchage sans apport excessif d’énergie. Néanmoins, une fois sec, le film doit être aussi peu poreux que possible et avoir la meilleur tenue mécanique possible. L’objectif principal de cette thèse était d’identifier les paramètres clés pouvant jouer sur la vitesse de séchage d’une peinture aqueuse et de comprendre comment ces paramètres influencent les propriétés rhéologiques, les mécanismes de séchage du latex formulé et les propriétés mécaniques des films de polymères secs. Ceci dans le but d’apporter une meilleure compréhension au séchage de latex formulés ainsi qu’une aide à la formulation.Après identification des paramètres clés, des latex ont été synthétisés et formulés avec des additifs judicieusement choisis. L'influence des paramètres clés : nature du polymère, taille et distribution en taille des particules, ajout d'un agent de coalescence, d'un co-solvant, d'un agent dispersant et épaississant, de pigments et d’un agent de réticulation, a été étudiée au niveau du séchage des formulations et au niveau des propriétés mécaniques des films secs. Les études sur le séchage ont porté sur le séchage global, les mécanismes de déformation des particules et les mécanismes de séchage horizontal et vertical présent dans les latex. La vitesse de convection horizontale des particules a été mesurée par diffusion multiple de la lumière. Des comparaisons avec des modèles théoriques ont été effectuées. Les propriétés des films secs ont été comparées par analyse dynamique mécanique et par tribologie. / Aqueous paints are made of colloidal suspensions of polymer in water (latex) and additives (mainly pigments and fillers). Latex film formation consists of complex and interdependent phenomena. In case of specific applications, such as road marking, formulated latex must dry fast without excessive supply of energy. However, once dry, the film must be as less porous as possible, with good mechanical properties. The aim of this thesis was to identify the drying key parameters and to understand their influence on the rheology, the drying mechanisms of formulated latex and the mechanical properties of the dried films. The final goal was to have a better understanding of formulated latex drying in order to improve the formulations. After identification of the drying key parameters, latexes have been synthetized and formulated with specific additives. The influence of the following drying key parameters: nature of polymer, size and size distribution of particles, addition of coalescing aid, co-solvent, dispersing and thickening agent, pigments and cross linker, was studied regarding the formulation drying and the dried films mechanical properties. The drying studies focused on the global drying rate of the formulations, the particles deformation mechanisms and the horizontal and vertical drying mechanisms observed in latexes. The particles horizontal convection rate has been measured with multiple light scattering. Comparisons have been made with theoretical models. Dried films mechanical properties have been compared with dynamic mechanical analysis and tribology.

Ce travail présente une étude par diffusion micro-Raman de membranes de graphène suspendu.La spectroscopie Raman est présentée comme un outil rapide et peu invasif pour estimer les contraintes natives dans du graphène suspendu et est utilisée pour en sonder quantitativement la déflexion, induite soit par une différence de pression d’air soit électrostatiquement. Dans des bulles de graphène pressurisées, une analyse minutieuse des intensités et fréquences des principaux modes Raman permet une détermination tout-op que de la topographie de la bulle, du module de Young et des paramètres de Grüneisen du graphène. Une grille électrostatique offre une manière élégante d’introduire à la fois des contraintes et du dopage dans le graphène. Des mesures Raman permettent une détermination précise de la déflection induite par la force électrostatique (jusqu’à l’effondrement irréversible), en très bon accord avec un modèle électromécanique. / This work presents a micro-Raman scattering study of undoped suspended graphene membranes. Raman spectroscopy is introduced as a fast and minimally invasive tool to estimate sample dependent built-in strain in suspended graphene, and is further employed to quantatively probe the membrane deflection, which may be induced either by an air pressure difference or electrostatically. In pressurized graphene blisters, an all-optical determination of the blister topography, the Young’s modulus and the Grüneisen parameters of graphene is achieved by a thorough analysis of the intensity and frequency of the main Raman modes. Electrostatic gating offers an elegant way to simultaneously strain and dope graphene. Raman measurements allow an accurate determination of the electrostatically-induced graphene deflection (up to irreversible collapse), in very good agreement with an electromechanical model.