The water vapour sorption properties of several commercial tropical hardwoods and temperate softwood species as well as thermally modified wood and acetylated wood has been studied. A dynamic vapour sorption apparatus was used for this investigation to give data on the sorption isotherms under equilibrium conditions as well as sorption kinetic behaviour. Small differences in the sorption isotherms were found between the wood species, but modification resulted in substantial changes to the sorption isotherms. The sorption isotherms were analysed using the Hailwood-Horrobin model. Sorption kinetics behaviour was found to be accurately described using the parallel exponential kinetics (PEK) model. This model has only recently been applied to wood and this work represents a much more comprehensive study of the applicability of the model. Until now the favoured approach has been based upon Fickian models. The conventional interpretation of the PEK model relies upon the idea of different types of sorption sites, but his work has shown (partly based upon Hailwood-Horrobin analyses of the isotherms) that this interpretation is not applicable. Instead, an interpretation based upon relaxation limited kinetics has been adopted. These ideas are commonly employed in the polymer science literature, but have hardly been used in wood science. The model employed was that involving two Kelvin-Voigt elements in series, from which cell wall moduli and viscosities have been determined. The values of the moduli appear sensible, but the model is only tentative at this stage. The kinetic data has also been used to determine activation energies, entropies and Gibbs free energy of sorption. This is the first time that the entropy and Gibbs free energy of sorption have been studied. The purpose of this work was to understand the phenomenon of sorption hysteresis and in particular to examine if there was a link between sorption hysteresis and sorption kinetics.

Depuis plus d’un siècle, le flambement des coques fait l’objet de nombreuses études, aussi bien fondamentales qu’appliquées, d’autant plus qu’il est fréquemment caractérisé par de grandes disparités entre les résultats expérimentaux et les prédictions théoriques. Grâce aux travaux précurseurs de von Kàrman et Tsien, puis ceux de Koiter, on sait maintenant que contrairement aux poutres et plaques, les coques (cylindriques, sphériques, …) sont très sensibles aux imperfections initiales. Ne connaissant pas, le plus souvent, la nature et l’amplitude précises de ces imperfections, et à des fins d’efficacité, le dimensionnement au flambement est en pratique réalisé en combinant des résultats théoriques sur la structure parfaite et des facteurs d’abattement permettant la prise en compte de défauts géométriques et matériels éventuels, ou d’effets induits par le chargement et les conditions aux limites. Dans ce travail de thèse, on se propose d’utiliser le formalisme des Recommandations Européennes pour un dimensionnement au flambement optimal de sphères et de calottes sphériques sous diverses sollicitations. Les différents paramètres des courbes de voilement de la sphère et des calottes sphériques sous pression externe et sous cisaillement, définis par les Recommandations Européennes, sont extraits au moyen d’analyses paramétriques numériques aussi bien sur la structure qu'imparfaite. Ces calculs préalables numériques (par éléments finis) permettent finalement d’expliciter les différentes courbes d’interaction d’une sphère et de calottes sphériques sous sollicitations combinées (pression externe + cisaillement). / The buckling of shell structures is the subject of many studies for more than a century, all the more so as large discrepancies between theoretical predictions and experiments are commonly observed. Thanks to the pioneering work of von Kàrman and Tsien, and then to the decisive one of Koiter, we know now that shells are generally shown to be very imperfection-sensitive. Unsure of the precise nature and amplitude of the initial defects, and for efficiency purposes, the most current design method used in shell buckling relies then on a combination of theoretical results on perfect structures and the use of knock-down factors, which are supposed to account for possible geometric and material imperfections, or loading and boundary condition effects. In this work, the buckling behavior of spherical shells and spherical caps subjected to external pressure and circumferential shear loads is investigated through the use of the European Recommendations framework (ECCS). Thus, parametric studies using the different analyses which are currently implemented in the ECCS text make it possible to retrieve the key parameters of the capacity curves for spherical shells and spherical caps subjected to external pressure and circumferential shear loads. Finally, these full numerical (finite element) computations make it possible to give the interaction curves of a spherical shell and a spherical cap subjected to combined loadings (external pressure + shear).

Cette étude a pour objectif d’optimiser la durée de vie du corps broyant du broyeur Horomill® développé par la société Fives FCB. La pièce maîtresse qui assure le broyage par compression est la frette qui est constituée d’un rechargement dur déposé par soudage sur un acier type P355NH. La frette après rechargement est assemblée par frettage sur un arbre. Ces deux opérations introduisent des champs de contraintes résiduelles qui s’ajoutent aux contraintes cycliques de service. Ces sollicitations complexes peuvent induire des endommagements de type fatigue/usure/abrasion. Dans ce travail on aborde le problème de l’amélioration de la tenue en service par les trois volets complémentaires suivants :Le premier volet s’attache à la caractérisation métallurgique et mécanique des rechargements dans l’objectif de proposer un rechargement avec une microstructure performante contre l’usure par abrasion. Le deuxième volet traite de l’influence des contraintes résiduelles dues au procédé de rechargement. Des solutions de rechargement avec sous-couche ont été étudiées. Les contraintes résiduelles associées ont été déterminées. Des essais de fatigue en flexion trois points avec ces différentes configurations ont été menés pour évaluer leur influence sur la durée de vie et l’amélioration apportée par les sous-couches.Le troisième volet s’intéresse au dimensionnement de ces structures. Afin de généraliser les résultats obtenus et d’aborder le problème de fatigue, une modélisation numérique par éléments finis a été réalisée. Cette modélisation considère le problème depuis la phase de frettage jusqu’au calcul de durée de vie en fatigue. / This study aims at improving the fatigue life of Horomill® grinding media designed and produced by the company Fives FCB. The main part which ensures the grinding is the sleeve. Hardfacing is welded on a P355NH steel substrate. After this operation the sleeve is shrunk on a shaft. Both operations introduce residual stress fields which add to cyclic contact loads and may lead to fatigue/wear/abrasion damage. Three complementary approaches are investigated in this work in order to improve the fatigue limit of the part :The first one deals with the metallurgical and mechanical characterization of various hardfacing deposits in order to recommend one with a microstructure adapted to abrasive wear.The second one is about the influence of residual stresses introduced by the welding operations. Hardfacing deposits with buffer layers have been studied and the relevant residual stress fields have been determined. Three point bending fatigue tests have been realized with the different hardfacing configurations to assess their influence on the service life. The aim of these fatigue tests is also to estimate the improvement provided by the buffer layer.The third one focuses on the design of such structures. Numerical modelling by finite element method has been performed in order to investigate the influence of design parameters on fatigue life. The model starts with stress computation from the shrinking operation and ends with the determination of the fatigue life of the sleeve.

Lors de ces dernières décennies, l’exploitation du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) a connu un intérêt croissant, et un marché en forte expansion avec de nombreux projets d’installation de terminaux méthaniers. Le gaz naturel liquéfié est transporté et stocké à très basses températures (~ -163°C), dans des réservoirs de capacités de plus en plus importantes. Ceci impose l’utilisation de matériaux particuliers présentant des caractéristiques adaptées aux températures cryogéniques. Les terminaux méthaniers doivent fonctionner en toute sécurité pendant toute leur durée de vie, cet impératif de sécurité doit être pris en compte dès la phase de conception et pendant toute la période d’exploitation. Cette étude est une contribution à la vérification et la compréhension des comportements de l’acier à 9% de nickel et de l’acier austénitique 316L utilisés respectivement pour la construction des grands réservoirs et des bras de chargements-déchargements. Ce comportement est étudié à la température ambiante et à -196°C à l’aide d’essais mécaniques classiques et d’essais Small Punch Test. Pour évaluer les effets de cyclage consécutifs aux remplissages-vidanges des installations, une matrice d’essais de cyclage est proposée et les caractéristiques mécaniques des matériaux et de certaines soudures sont établies et comparées avant et après cyclage. / In last few decades, there has been increasing interest in the exploitation of the Liquefied Natural Gas (LNG). It is a fast growing market with many projects of storage terminal installation. Liquefied natural gas is transported and stored in reservoirs with increasingly important capacities at very low temperatures (~ -163°C). This requires the use of special materials with tailored properties at cryogenic temperatures. The storage terminals must operate safely during their life. This imperative security must be taken into account at the design stage and throughout the operating period. This study provides a significant contribution to the verification and understanding of the behavior of 9% Nickel steel and 316L austenitic steel used for the construction of large reservoirs and loading-unloading arms respectively. Mechanical behavior of these materials is studied at room temperature and -196°C using conventional mechanical tests and Small Punch Test. The cycling test matrix is proposed in order to assess effects on installations due to consecutive filling-emptying cycles. The mechanical characteristics of the materials and some of welds are carried out and compared before and after cycling.

Le travail de thèse porte sur l’étude du comportement mécanique d’un tissu soumis à un impact balistique en utilisant une modélisation multi-échelle prenant en compte les fibres et les fils. Cette approche micro-méso permet de mettre en évidence les phénomènes physiques pouvant se produire lors d’un impact balistique sur un tissu. A l’échelle du fil, une étude paramétrique a permis de cerner l’influence des propriétés physiques et mécaniques sur les réponses balistiques d’un tissu 2D. En plus, les effets de la localisation de l’impact sont étudiés pour tenir compte de la position du projectile sur un tissu 3D. A l’échelle de la fibre, une analyse fine des déformations en compression transversale d’un fil est développée. Ces phénomènes sont pris en considération pour prédire la tenue balistique d’un fil soumis à un impact transversal en utilisant une modélisation à l'échelle microscopique (échelle d'une fibre). Aussi, un tissu est modélisé en utilisant une approche multi-échelle. En effet, la zone affectée par l’impact est modélisée à une échelle microscopique tandis que les autres zones sont modélisées à une échelle mésoscopique. Une analyse des résultats est effectuée en termes d'évolutions des vitesses d'impact avec et sans perforation, des énergies cinétique et déformation et des forces d'impact. Les résultats numériques sont validés par confrontation aux données expérimentales. / The thesis focuses on the study of mechanical behavior of a fabric subjected to ballistic impact by using a multi-scale modeling that takes into account fibers and yarns. This micro-meso approach allows highlighting the physical phenomena that may occur during the ballistic impact on fabric. At the yarn level, a parametric study enables investigation into the influences of physical and mechanical yarn properties on the ballistic behavior of a plan-woven-fabric. Also, the effects of the impact localization are investigated to take into account the strike position of the projectile on a 3D fabric. At the fibers level, a detailed analysis of transverse compressive deformation of yarn is developed. These phenomena are considered to predict the ballistic response of a yarn subjected to a transverse impact using modeling at the microscopic scale (the scale of fiber). A modeling of fabric using a multi-scale approach is also performed. In this model, the area affected by the impact is modeled on the microscopic scale, while other areas are modeled on the mesoscopic scale. An analysis of the results is carried out regarding projectile velocity history, the kinetic energies and deformation, and impact forces in the cases of impact with and without perforation. The numerical results are validated by comparison with experimental data.

L'objectif de cette thèse est l’implémentation d'algorithmes d'optimisation pour l'identification du comportement mécanique des matériaux. Ces outils sont considérés ici pour automatiser la recherche des paramètres des lois mécaniques implémentés dans un calcul en éléments finis (EF) et diminuer le nombre de calculs nécessaires pour résoudre le problème d’identification. La base de données expérimentale comprend des réponses mécaniques en flexion et en indentation instrumentée qui sont utilisés pour l’identification du comportement d’un biocomposite et d'une variété de métaux. Plusieurs approches d’optimisation ont été développées comprenant des méthodes déterministes, hybrides et stochastiques. Ces méthodes sont évaluées en termes d'efficacité, coût de calcul et précision de l’approche. Le couplage EF-outil d'optimisation s'est avéré efficace et incontournable pour prédire le comportement des matériaux étudiés notamment quand il s'agit d'un essai local. / The objective of this work is to implement optimization algorithms for the identification of the mechanical behavior of materials. The tools developed here are intended to automatic search of mechanical parameters that represent variables in a constitutive law implemented in Finite Element (FE) models. The advantage of the implemented tools is the reduction of computational time needed to solve the identification problem. The experimental database includes a variety of mechanical responses in bending and instrumented indentation that are used for the identification the behavior of a biocomposite and a variety of metals. Several optimization approaches are developed in the work including deterministic, stochastic and hybrid methods. These methods are evaluated in terms of efficiency; calculation costs and accuracy. The coupling FE-optimization tool proved to be effective and essential to predict the behavior of the studied materials, especially for instrument indentation.

The application of gold and silver nanoparticles to areas such as medical research is based on unique optical properties exhibited by some metals. These properties are a direct consequence of localised excitations occurring at visible frequencies known as Surface Plasmon Resonances (SPRs). The exact frequency of an SPR induced in a nanoparticle can be 'tuned' in the optical range by, for example, changing the size of gold and silver nanoparticles, or by varying the relative concentrations of gold and silver within an alloy nanoparticle. Whatever the desired frequency, it is critical that the majority of nanoparticles exhibit the frequency within the resolution limit of the imaging system. The research presented here utilises the high resolution imaging and spectroscopy techniques of (Scanning) Transmission Electron Microscopy ((S)TEM) and Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS). It is common practice to analyse the optical properties of alloy nanoparticles using techniques that acquire a single spectrum averaged over multiple particles such as Ultraviolet-Visible (UV-Vis) spectroscopy. However, this technique cannot detect any optical variation between the nanoparticles resulting from compositional change. In this research the author demonstrates through the use of EELS that the SPR can be determined for individual gold/silver alloy nanoparticles, for the purpose of determining the extent of their homogeneity. Importantly, the data presented here suggest dramatic variation in SPR frequency between particles and even within the same particle, indicative of large variations in alloy composition. This puts the assumption that alloying can be scaled down to the nanometre-scale to the test. In order to resolve and extract the SPR in both the pure gold and gold and silver alloy nanoparticles, the author has successfully applied multiple post acquisition techniques such as Richardson-Lucy deconvolution and Principle Component Analysis (PCA) to the EELS Spectrum Imaging (SI) acquisition method. Additionally, the valence band EELS data are supported by complementary electron microscopy techniques; Core loss EELS, Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX) and High Angle Annular Dark Field (HAADF) imaging.

This thesis explores different physical phenomena observed in, or involving thin surface films. Thin surface layers are ubiquitous. Found in nature and used in almost every aspect of daily life, thin surface films are invaluable. While the applications and roles may be varied, to be used effectively, the physical properties of these films and the factors influencing their stability need to be well understood. Surfaces can have a strong effect on the stability of thin films. In thin films of polymer blends, wetting layers rich in one component often form at the film interface prior to phase separation. Here the formation of these wetting layers are seen to result in destabilisation of the film, even when the blend is far from phase coexistence. A spinodal like instability with a characteristic wavelength is shown to form. A theoretical model is developed, which describes the observed behaviour in terms of coupled height and composition fluctuations in the wetting layer. Spin coating is a common technique for the formation of thin polymer films. Films formed in this way however, are often seen to exhibit anomalous properties, which strongly differ from that of the bulk behaviour of the material. Here the rheological properties and stored stresses in spin cast films are explored, with focus on the role that the casting solvent plays in the properties of the film. The results suggest that the observed deviation comes from a lowered density of chain entanglements. The effective viscosity and residual stresses in the as-spun film are seen to strongly depend on the casting solvent properties and the solvent-polymer interactions. The use of organometallic polymers as precursors for the formation of magnetic ceramics is investigated. Emphasis is placed on doping the polymers with metallic compounds prior to pyrolysis, allowing for the formation of technologically interesting metallic alloys, without the need for new polymers to be synthesised. The formation of iron-palladium alloys is demonstrated using this method. These are highly desirable due to their potential use in hard-disk drive technologies. Thin films can be used to influence the optical signature of a material and are widely used in nature to produce vibrant, pure, iridescent colours. Here the optical properties of the tropical plant Selaginella willdenowii are explored. The bright blue colouration is seen to arise from a multilayer lamella structure on the upper surface of the leaves. Light is important to plants, who use it both as an energy source and an environmental signal. Blue iridescence occurs in a wide range of plant species, suggesting that it has some adaptive benefit. These are considered and discussed.

Les contacts frottants sont réputés particulièrement complexes à appréhender en raison des nombreux phénomènes physiques étroitement couplés (mécanique, dynamique, thermique, …), intervenant à différentes échelles (du 3ème corps d’interface à l’échelle du système). L’objectif de ce travail est de franchir un cap dans l’identification des conditions d’occurrence des instabilités de contact, qu’elles soient dynamiques ou thermiques, en introduisant une modélisation du contact frottant permettant de considérer les hétérogénéités de surface. Dans cette thèse, différentes échelles d’hétérogénéités sont prises en compte allant de la structure jusqu’à celle des plateaux de contact. L'ondulation de disque ainsi que l’hétérogénéité lié à la composition des matériaux de friction sont aussi prises en compte dans des études spécifiques. La stratégie optée exploite un modèle élément fini et un modèle semi-analytique « simplifié » permettant de réaliser des études transitoires et des analyses modales complexes d’un système pion-disque simplifié CRISMAT, développé au laboratoire pour les études de crissement. La méthode des maillages incompatibles a été utilisée pour l’aspect multi-échelles de l’étude. Ce travail a permis de proposer une hiérarchie de criticité des différentes hétérogénéités sur les aspects dynamiques notamment. En effet, l’échelle d’influence sur le comportement vibratoire est finalement liée aux différentes longueurs caractéristiques des hétérogénéités. Ceci étant fortement lié à la distribution de pression obtenue à l’interface de contact. Ce travail semble mettre en évidence une échelle critique en dessous de laquelle les hétérogénéités ont très peu d’influence. / Sliding contact is known to be specially complex to understand because of many phenomenon deeply coupled (mechanic, dynamic, thermal, …) occuring at different scales (from the system scale to the third body layer). The aim of this work is to take a new step into the identification of occurrence conditions on contact instabilities (dynamic or thermal) by introducing a sliding contact model permitting to consider surface heterogneneities. In this thesis, differents scales of heterogeneities are considered and goes from the system to the contact plateau scale. The disc ondulation and the heterogeneity due to friction material composition are taken into account in specific studies. The chosen strategy uses a finite element model and a simplified analytical model. These models permit to realise transiant and complex modal analysis of the simplified pin-on-disc system called CRISMAT and developed in the lab for researches linked to squeal noise. An incompatible mesh method is used for multi-scales aspects. This work suggests a hierarchy of differents heterogeneities scales based on dynamic behavior. Indeed, the impact scale on dynamic behavior is link to different characteristic length of heterogeneities. This is strongly linked to contact pressure on the contact layer and seems to show a critical scale under which heterogeneities have a slight impact.

Dans l'industrie automobile, le bruit reste un problème majeur. Le crissement de frein est un bruit moyenne-haute fréquence renforcée par les vibrations du système et par un couplage de modes instable entre les composants. On suppose également que les propriétés du contact entre la plaquette et le disque jouent un rôle. Le but de ce travail est de lier l'apparition du crissement avec les transformations du matériau de friction et de son profil. Trois formulations de matériaux simplifiées sont testées. Ces formulations sont comparées à une plaquette de frein commerciale. Une forte hétérogénéité des propriétés mécaniques et thermiques est constatée. Des essais de bruit sont exécutés sur des systèmes de freins pour comparer les formulations. On note une forte influence de la formulation, de la température et de l'historique de freinage sur les occurrences de crissement. Des essais sur banc ont été réalisés à différents états de frottement: vierge, avant et après une charge thermique élevée, etc. L'originalité de ce travail est d'étudier l'évolution du matériau de friction avec la séquence de freinage et en particulier ses propriétés mécaniques et ses hétérogénéités. Ces propriétés sont considérées à la surface et dans le volume via des tests d'indentation. Il est montré que l'évolution des propriétés est liée à des seuils de dégradation du matériau avec la température atteinte au cours de la séquence de test. L'hétérogénéité et la distribution des propriétés de contact et de volume, implémentés dans le modèle numérique d'un système de freinage simplifié pour analyser la stabilité dynamique, semblent avoir un rôle important dans la stabilité du système. / In the automotive industry, noise is a major problem. Brake squeal is a medium-high frequency noise reinforced by system vibrations and mode lock-in between components. It is assumed the contact properties the pad and the disc play an important role. The aim of this work is to link squeal occurrence with transformations of friction material and profile. Three simplified friction material formulations were tested. These formulations are compared with a commercial brake pad. Significant heterogeneity is observed regarding mechanical and thermal properties. Noise tests are performed on brake systems to compare formulations. A strong influence of formulation, temperature and braking history is observed on squeal occurrence. Following these acoustic tests, additional tests were stopped at different states of friction: at virgin state, before and after a high thermal load, in silent or noisy conditions. The originality of this work is to consider the evolution of the friction material with braking sequence and especially its mechanical properties and their heterogeneities. These properties are separated in two levels: at the surface and onto the volume via indentation tests. It is shown the evolution of the properties is linked to thresholds of material degradation with temperature reached during the test sequence. The heterogeneity and distribution of the volume and contact properties of the material, implemented in a finite element simplified braking system to analyse the dynamic stability, appears to have a significant role in the system stability.