Les réfractaires alumine-carbone sont largement utilisés dans la coulée continue de l'acier. Ils sont responsables du contrôle du flux d'acier et de sa protection contre l'oxydation. Cependant, pour améliorer leur propre résistance à l'oxydation, plusieurs additifs tels que des carbures, des métaux, des composés à bas point de fusion et des frittes de verre sont ajoutés en tant qu'antioxydants. Dans cette étude, l'influence de ces additifs, ainsi que des conditions de cuisson, sur les propriétés liées à la résistance aux chocs thermiques des matériaux réfractaires à matrice carbonée a été étudiée. Des matériaux modèles, ayant une composition simplifiée par rapport aux matériaux industriels, ont été étudiés pour faciliter la compréhension des interactions entre les différents constituants du composite. Le comportement des matériaux réticulés (avant cuisson) et cuits a été étudié. La première partie de l'étude a montré que les antioxydants peuvent modifier les propriétés du réfractaire par différents mécanismes : cristallisation de la liaison carbone (B4C), guérison des microfissures (borax et fritte de verre) et formation de nouvelles phases (Al-Si). Cependant, puisque les additifs métalliques sont les antioxydants les plus largement utilisés dans les produits de Vesuvius, la deuxième partie de l'étude a porté sur leur impact (Al-Si,Al-Mg et Al) sur les propriétés clés influençant la résistance aux chocs thermiques. En plus, l'impact des conditions de cuisson (température et atmosphère) a également été étudié. Il a été prouvé que tous les antioxydants métalliques réagissent avec d'autres constituants pour former de nouvelles phases qui à la fois rigidifient le réfractaire et augmentent sa valeur du coefficient de dilatation thermique. Malheureusement, un tel comportement entraîne une détérioration de la résistance aux chocs thermiques. De plus, il s'est avéré que l'atmosphère de cuisson a une influence négligeable sur la réactivité des additifs et donc sur les propriétés finales du réfractaire. Ainsi, la température de cuisson est le paramètre qui a l'impact le plus important sur l'évolution réfractaire. Tous les résultats obtenus facilitent le choix des antioxydants et des conditions de cuisson pour obtenir les propriétés souhaitées du réfractaire. / Alumina-carbon refractories are widely used in the continuous casting of steel. They are responsible for the steel flow control and its protection against oxidation. However, to improve their own oxidation resistance, several additives such as carbides, metals, low melting point compounds and glass frits are added as antioxidants. In this study, the influence of these additives, as well as firing conditions, on the properties related to the thermal shock resistance of carbon-bonded refractories was studied. Model materials, having simplified composition compared to the real industrial ones, were investigated tofacilitate the comprehension of interactions between different constituents of the composite. Behavior of both cured (before firing) and fired materials was studied. The first part of the study proved that antioxidants may modify the properties of the refractory through different mechanisms: crystallization of the carbon bond (B4C), microcracks healing (anhydrous borax and glass frit) and formation of new phases (Al-Si). However, since the metallic additives are the most widely used antioxidants in Vesuvius' products, the second part of the study was focused on their (Al-Si, Al-Mg and Al) impact on the key properties influencing the thermal shock resistance. What is more, the impact of firing conditions (temperature and atmosphere) was also investigated. It was proved that all metallic antioxidants react with other constituents to form new phases which both rigidify the refractory and increase its value of the coefficient of thermal expansion. Unfortunately, such behavior results in worsening of the thermal shock resistance. Moreover, it turned out that the firing atmosphere has a negligible influence on the additives reactivity and thus the final properties of the refractory. Thus, firing temperature is the parameter that has the most important impact on the refractory evolution. All the obtained results facilitate the choice of antioxidants and firing condition to obtain desired properties of the refractory.

Cette étude a été menée afin d’identifier les paramètres qui permettent de contrôler la réaction de géopolymérisation et les propriétés d’usage des matériaux finaux. Différentes sources aluminosilicates et solutions alcalines ont donc été sélectionnées afin d’évaluer leur réactivité. Ensuite, une étude de faisabilité des matériaux consolidés a été initiée pour identifier les zones d’existence des matériaux géopolymères dans le diagramme ternaire Si/Al/M/O. L’évolution des échantillons au cours de la formation a été suivie par analyses thermiques (ATD-ATG), pour quantifier l’énergie nécessaire à la formation des oligomères, et par spectroscopies infrarouge et résonance magnétique nucléaire afin de déterminer la nature des réseaux formés et le taux de la réaction. Une forte corrélation a été mise en évidence entre la réactivité des précurseurs, la structure locale et poreuse et les propriétés mécaniques. Ces données ont été exploitées pour valoriser d’une part une argile tunisienne de faible réactivité et d’autre part pour recycler un déchet géopolymère dans des nouvelles formulations. / This study was undertaken to identify the parameters that control the geopolymerization reaction and the working properties of the final materials. To do this, various aluminosilicate sources and alkaline solutions have been studied to exacerbate their reactivity. Then a feasibility study of the consolidated materials was conducted to identify the geopolymer existence domain in Si-Al-M / O ternary diagram. The evolution of samples during formation was monitored by thermal analysis (DTA-TGA), to quantify the required energy for oligomer formation, and infrared and nuclear magnetic resonance spectroscopies to determine the nature of formed networks and the reaction rate. A strong correlation was evidenced between the precursors reactivity, the local and porous structure and the mechanical properties. The obtained results have been exploited to use poorly reactive Tunisian clay as alternative aluminosilicate source and also to reuse geopolymer waste in new formulations.

Cette thèse avait pour objectif d’étudier les relations existant entre la microstructure de réfractaires alumine-carbone utilisés en coulée continue dans l’industrie sidérurgique et leurs propriétés thermomécaniques. Le travail réalisé ici s’inscrit dans une logique composite, en déterminant les propriétés thermomécaniques des constituants séparément et en analysant ensuite les propriétés des matériaux multiphasiques. Différents systèmes de matériaux modèles ont été étudiés en s’intéressant à deux échelles : agrégats et matrice. Ces matériaux sont constitués d’une part, d’un squelette de graphite et d’agrégats d’alumine et d’autre part d’une matrice carbonée chargée en petits grains d’alumine. La liaison carbone de ces matériaux résultant de la pyrolyse d’une résine phénolique, les propriétés thermomécaniques des matériaux modèles élaborés ont été analysées à la fois pendant et après le traitement thermique de pyrolyse. L’évolution des propriétés au cours de la pyrolyse des échantillons réticulés a mis en évidence l’apparition d’un léger endommagement en fin de montée en température, et un endommagement plus prononcé lors du refroidissement. Cet endommagement résulte d’un différentiel de dilatation thermique entre les grains d'alumine et la liaison carbone. L'influence de ces effets microstructuraux sur le comportement mécanique des matériaux pyrolysés a été étudiée grâce à des essais de traction, mettant en évidence un comportement non-linéaire assez marqué. Des relations entre la fraction volumique et les propriétés physiques clés des matériaux ont pu être établies. Par ailleurs, les résultats obtenus ont montré qu’un changement de composition relativement peu important peut modifier radicalement les propriétés thermomécaniques de ces matériaux. Cette étude sur des matériaux modèles a permis de dégager des pistes pour une amélioration des compositions industrielles. / The present thesis aimed at investigating the relationships existing between the microstructure of alumina-carbon refractories used in steel continuous casting and their thermomechanical properties. The work realized here fall within a composite approach, by determining thermomechanical properties of the single constituents of the materials and analyzing then the properties of the heterogeneous composites. Different systems of double scale model materials, constituted of graphite and alumina aggregates in one hand, and of carbon matrix loaded with fine alumina grains on the other hand were studied here. The carbon bond of these materials resulting from pyrolysis of phenolic resin, the thermomechanical properties of the elaborated model materials were analyzed both during and after the pyrolysis heating treatment. The properties evolutions of the cured samples during the pyrolysis highlighted a slight damage during the end of heating and important damage during cooling, due to a thermal expansion mismatch between the alumina grains and the resin/carbon bond. The influence of the thermal damage has been investigated thanks to tensile tests on the pyrolyzed materials, which exhibit a rather strong non-linear behavior. Relationships between volume fraction and physical key-properties of the materials have been established. Besides, the obtained results highlighted that a small change in composition can drastically change the thermomechanical properties of these materials. This overall study on model materials allowed to develop some ideas in order to improve industrial compositions.

L'apparition des supraconducteurs à hautes températures (HTc) a permis un développement continu des moteurs supraconducteurs. Ces dispositifs supraconducteurs permettent d'obtenir des puissances et des couples massiques et volumiques très élevés, et sont des alternatives intéressantes aux machines conventionnelles. Le dimensionnement des ces moteurs nécessite une bonne connaissance des caractéristiques électromagnétiques, thermiques et mécaniques des supraconducteurs HTc. Ainsi, le travail présenté ici traite du dimensionnement de machines HTc avec la prise en compte des contraintes liées aux fils supraconducteurs. Le manuscrit débute par une étude bibliographique approfondie dans laquelle trois points sont abordés : les fils supraconducteurs, description des réalisations remarquables de machines HTc de fortes puissances et une analyse statistique sur ces réalisations. Ensuite, la caractérisation DC des fils supraconducteurs HTc et la détermination de leurs pertes AC sous champ variable sont abordées. Des méthodes numériques sont utilisées pour la modélisation et les résultats obtenus sont comparés à ceux de l'expérience. La dernière partie aborde le dimensionnement électromagnétique de moteurs supraconducteurs HTc par des méthodes analytiques et numériques, avec la prise en compte des contraintes liées aux courants critiques dans les bobinages. Les premiers résultats concernant le dimensionnement électromagnétique et thermique d'une structure de machine synchrone supraconductrice à pôles saillants sont donnés. Les solutions techniques envisagées sont largement commentées / The appearance of high-temperature superconductors (HTS) has led to a continuous development of superconducting motors. These superconducting devices allow high power and torque densities, so they constitute and novel alternative to conventional motors. The design of such motors requires a deep knowledge of the electromagnetic, thermal and mechanical characteristics of the HTS materials. Hence, the work presented here is related to the design of HTS motors which includes the constraints due to the HTS conductors. The manuscript begins with an extensive literature review where three main points are discussed, viz. HTS conductors, already constructed HTS motors and statistical analysis on these achievements. The dc characterization of HTS superconductors as well as their ac losses under time varying magnetic fields are theoretically and experimentally studied. In so doing, numerical techniques are used and the obtained results are compared the measurements. The last part deals with the design of HTS motors by analytical and finite element methods. A particular attention is given to the constraints introduced by the use of HTS materials. The first results of the electromagnetic and thermal design of a salient pole HTS synchronous machine are provided with the emphasis of the adopted technical solutions

Le niobate de lithium (LN) présente des propriétés piézo-électrique, électro-optique, optique non linéaire et photo-réfractive, qui sont riches d'applications matures (filtres acoustiques de surface, modulateurs EO, convertisseurs de fréquence) ou potentielles (mémoires holographiques, guide d'onde photo-inscrits). En utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) couplée à la méthode des ondes planes augmentées linéarisées à potentiel total (FP-LAPW) implémentée dans le code WIEN2k_12, nous avons pu investiguer - avec plus de détails - les propriétés électroniques du LN stoechiométrique (SLN) tel que la structure de bande, les densités d'états, la densité de charges électroniques, les masses effectives, les intégrales du saut Nb-Nb et O-O, ainsi que les différentes propriétés optiques déduites de la fonction diélectrique à savoir l'indice de réfraction, le coefficient d'extinction, le coefficient d'absorption... Au cours de notre étude, nous avons essayé aussi d'analyser et d'interpréter, les désaccords qui apparaissent dans les résultats de calculs ab initio d'un auteur à un autre. Ces désaccords imputables aux méthodes de calcul employées sont parfois déjà très sensibles pour le matériau SLN exempt de défauts. La valeur expérimentale de l'énergie de gap (3.78 eV) correspondante à LN quasi stoechiométrique (NSLN) - fréquemment cité dans la littérature - fut suggérée plus grandes pour le SLN d'après des études ab initio récentes. Pour cette raison, nous avons tenté de la corriger en utilisant une nouvelle approche (en se référant à la valeur d'indice de réfraction expérimental du SLN). Ainsi, nous nous proposons une nouvelle valeur théorique Eg pour le LN pur. A cet effet, une correction de certains pics d'énergie des états excités des spectres optiques a été mise en évidence / Lithium niobate (LN) has piezoelectric, electro-optics, nonlinear optical and photorefractive properties, which are rich in mature (surface acoustic filters, EO modulators, frequency converters) or potential (holographic memories, photo-induced waveguide) applications. Using the density functional theory (DFT) combined with the full potential linearized augmented plane waves (FP- LAPW) method implemented in the WIEN2k_12 code, we investigated - with more details - the electronic properties of stoichiometric LN (SLN) such as the band structure, the density of states, the charge density, the effective masses, the hopping integral for Nb-Nb and O-O, as well as different optical properties derived from the dielectric function like the refractive index, the extinction index, the absorption coefficient ...etc. In our study, we also tried to analyze and interpret some disagreements that appear in the results of ab initio calculations of an author to another. These disagreements due to the methods of calculation employed may be very sensitive for the SLN material without any defects. The experimental value of the energy band gap (3.78 eV) corresponding to LN nearly stoichiometric (NSLN) - frequently cited in the literature - was suggested to be largest for SLN according to recent ab inito studies. For this reason, we have tried to correct it by using a new approach (referring to the value of the experimental refractive index of SLN). Thus, we propose a new theoretical value Eg for pure LN and we bring correction of some energy's peaks of excited states of the optical spectra

Dans le but de parvenir à comprendre le rôle des joints de grains sur la déformation des polycristaux, il est nécessaire d’étudier finement le comportement des bi-cristaux. Dans cette étude, une approche expérimentale innovante basée sur la fabrication et l’étude du comportement mécanique et de la plasticité cristalline de micro-piliers bi-cristallins est combinée à une approche de modélisation micromécanique. Cette approche théorique est basée sur la théorie continue des dislocations dans laquelle les dislocations stockées au joint de grains sont décrites par une distribution continue de dislocations interfaciales. Ce modèle fournit des expressions analytiques explicites des champs de contraintes et de rotations du réseau dans le cas d’un bi-cristal infini avec un joint plan. Les contributions des différentes sources d’incompatibilité sont mises en évidence en raison des anisotropies élastique et plastique liées aux différentes orientations cristallines. Des calculs éléments finis ont permis de valider l’approche dans une zone proche du joint de grains et distante des surfaces libres du micro-pilier. L’analyse expérimentale est basée sur des essais de compression menés à température ambiante sur des micro-piliers bi-cristallins de Ni fabriqués au FIB (Focused Ion Beam). D’abord, l’étude s’est concentrée sur les prédictions des cissions résolues sur tous les systèmes de glissement du bi-cristal en utilisant le modèle continu. Les effets des fractions volumiques de cristaux et de l’inclinaison du joint de grains ont également été pris en compte dans l’analyse. Les prédictions du modèle développé dans cette thèse sont en accord avec les systèmes de glissement actifs identifiés. Concernant l’entrée en plasticité et les systèmes de glissement associés dans chaque cristal, le modèle développé est plus pertinent que la loi de Schmid. Les essais de compression sont suivis par des mesures microstructurales effectuées par EBSD, pour quantifier les rotations du réseau dans chaque grain au cours de la déformation. Celles-ci ont été également calculées et discutées à l’aide du modèle micromécanique développé dans cette thèse / In order to better understand the role of grain boundaries in polycrystals deformation, the study of the mechanical behavior of bicrystals becomes necessary. In this study, an innovative experimental approach based on the fabrication of bicrystalline micropillars is investigated with a micromechanical analysis of crystal plasticity behavior. The theoretical approach is based on the static Field Dislocation Mechanics (FDM) theory in which the dislocations stored in the grain boundary are described by a continuous distribution of interfacial dislocations. This model provides explicit analytical expressions of the stress and lattice rotation fields in the case of an infinite bicrystal with planar boundary. The contribution of the different incompatibility sources are emphasized due to elastic and plastic anisotropies related to the different crystal orientations. Finite element simulations were also performed to validate this approach in a zone close to the grain boundary and far from the micropillar free surfaces. The experimental results are based on compression tests conducted at room temperature on Ni bicrystalline micropillars. The micropillars are machined on a Focused Ion Beam (FIB). First, the study is focused on the prediction of the resolved shear stresses on the possible slip systems in the bicrystal using the continuum model. The crystal volume fraction and the grain boundary inclination angle effects were also taken into account in the analysis. The predictions of the continuum-based approach developed in this thesis are in full agreement with the experimentally identified active slip systems. Concerning the onset of plasticity and the associated slip systems in each crystal, the developed model is more relevant than the Schmid law. The compression tests are followed by microstructural EBSD measurements to quantify lattice rotations in each grain during the deformation which were also computed using the micromechanical model developed in the present thesis

Ce travail de thèse porte sur la formation et l’évolution des microstructures et microtextures des alliages de titane associées à la précipitation de la phase α aux JDGs β/β. L’alliage β-métastable Ti17 a été utilisé comme alliage modèle de par son aptitude à figer sa microstructure haute température, permettant de conserver la phase parente non transformée. De nombreuses analyses cristallographiques EBSD 2D et quelques analyses 3D ont été réalisées pour des microstructures formées sous diverses sollicitations thermiques (transformation en conditions isotherme (TI) ou refroidissement continu (RC)) et thermomécaniques (déformation de la phase parente puis TI ou RC). L’étude statistique automatisée des microtextures a été menée à partir de données EBSD en utilisant un algorithme spécifique conduisant aux mesures d’orientations de variants et à des grandeurs représentatives de la microtexture. Un lien étroit entre la cinétique de germination croissance de la phase α et le développement de la microtexture est mis en évidence, alors que ce paramètre est souvent négligé dans les travaux de la littérature. De plus, l’étude de différents critères de sélection de variants (SV) a conduit à montrer que la SV était fréquente pour les premiers grains formés. Ces premiers grains ont des conditions de germination plus favorables ; le variant choisi est celui qui minimise l’écart à la ROB avec les deux grains β. Autrement dit, l’énergie d’interface et surtout l’énergie élastique associée à la formation de ce variant sont minimales. Les conditions cristallographiques de formation des colonies de lamelles sont également étudiées et discutées / This work focuses on the formation and the evolution of microstructure and microtexture associated with the α phase precipitation at β/β GBs in titanium alloys. A β-metastable alloy (Ti17) has been studied, because the high temperature microstructure is frozen by a rapid quench and the untransformed parent phase remains. Numerous 2D EBSD analyses and some 3D analyses have been carried out after transformation and under various thermal and thermo-mechanical treatments (isothermal conditions and continuous cooling (CC) without and with prior deformation of the parent phase). One great originality of this study is the automated statistical approach used to characterize the microtexture from EBSD data. An algorithm has been specifically developed in order to get the variants orientation as well as different representative data characterizing the microtexture. We have identified the link between the nucleation/growth kinetics of α phase and the microtexture development, a relationship that is often neglected in the literature, where one usually associates the microtexture only to the variant selection and to the initial β texture. The occurrence of variants selection (VS) has been performed considering different VS criteria; it has been shown that VS is very active for the first grains formed. These grains have the most favorable nucleation conditions. The variant selected is the one that minimizes the deviation to the Burgers Orientation Relationship with both β grains; i.e. the one for which interfacial energy and especially the elastic energy associated to its formation are minimized. Moreover, the crystallographic conditions of α colonies formation are studied and discussed