Du fait de leur grande qualité optique, les monocristaux sont largement utilisés dans le domaine de la photonique, pour l’émission laser de puissance, la conversion de fréquence,.... Les monocristaux sont toutefois limités par leur mode fabrication qui est lent et onéreux et par la difficulté d’obtenir des pièces de grandes dimensions. Les verres tellurites sont des candidats de choix en raison de leur réponse non-linéaire élevée, leur mise en forme aisée et leur faible coût de production. Toutefois, pour certaines applications nécessitant des effets non-linéaires de second ordre, les verres ne peuvent pas être utilisés en raison de leur isotropie optique. Au cours de cette thèse, nous avons donc entrepris l’élaboration de composites vitrocéramiques tellurites composés de cristaux non-centrosymétriques capables de générer un signal de seconde harmonique. Les composites sont élaborés par co-frittage SPS d’une poudre de verre et de cristaux. Nous nous sommes également intéressés à la réalisation de céramiques transparentes tellurites pour l’élaboration de cavités lasers de dimensions millimétriques. Les matériaux tellurites sont en effet des candidats intéressants en raison de leurs indices de réfractions linéaires élevées et leurs basses énergies de phonon qui favorisent les transitions radiatives. Les céramiques transparentes ont été obtenues par un procédé innovant de cristallisation complète et congruente du verre qui allie la facilité de mise en forme du verre et les propriétés de la céramique finale. Nous avons également mise en œuvre la réalisation d’une nouvelle céramique transparente tellurate (TeVI) par frittage SPS d’une poudre céramique broyée. Les composés tellurates ont l’avantage de présenter de basses énergies de phonons et des propriétés diélectriques micro-ondes intéressantes. / Owing to thier high optical quality, single-crystals are widely used in photonics, for high power laser, frequency conversion… However, single-crystals are constrained by their manufacturing process which is slow and expensive and because it difficult to obtain large parts. Tellurite glasses are ideal candidate due to their high nonlinear response, the easy glass shaping and their low manufacturing cost. Nonetheless, for some kind of applications requiring second order nonlinear effects, glasses can’t be used because of their optical isotropy. During this thesis, we undertook the elaboration of tellurite glass-ceramics composites consisting of noncentrosymmetric crystals able to generate second harmonic signal. Composites are elaborated by SPS co-sintering of a glass powder and crystals. We are also interested in the elaboration of transparent tellurite ceramics in order to make millimetric laser cavities. Indeed, tellurite-based materials are interesting candidates owing to their high nonlinear refractive index and their low phonon energy, which favors radiative transitions. Transparent ceramics have been fabricated by an innovative way, the full and congruent crystallization of glass which combines the easy glass shaping and the properties of the final ceramic. We have also developed the elaboration of a new transparent tellurate ceramic (TeVI) by SPS sintering of a crushed ceramic powder. Tellurate compounds have the advantage of showing low phonon energy and interesting microwave dielectric properties.

Les matériaux tellurites possèdent des propriétés optiques non linéaires exceptionnelles, avec des valeurs de la susceptibilité optique non linéaire d’ordre trois de l’ordre de 10 à 50 fois supérieures à celle de la silice pure, favorisant alors l’efficacité des effets non linéaires. L’origine de ces propriétés optiques exceptionnelles est associée non seulement à la présence de la paire libre mais aussi à une « délocalisation » électronique très forte le long des ponts Te-O-Te dans des chaînes polymérisées (TeO2)p. Ainsi, nos recherches expérimentales ont porté sur les deux systèmes ternaires suivants : TeO2-TiO2-ZnO (TTZ) et TeO2-GeO2-ZnO (TGZ).Les domaines vitreux ont été délimités, la stabilité thermique augmente en fonction de l’ajout de ZnO, TiO2 et GeO2. L’étude vibrationnelle réalisée par spectroscopie de diffusion Raman et réflectivité spéculaire infrarouge, a mis en évidence une faible dépolymérisation du réseau vitreux par rupture des chaînes formées via des ponts Te-O-Te. Pour les teneurs élevées en ZnO, ce dernier contribue à une compensation de cette rupture par la formation de nouveaux ponts Te-O-Zn et/ou Zn-O-Zn. Une étude complète des propriétés mécaniques a été menée à la fois à température ambiante et en fonction de la température, notamment au passage de la température de transition vitreuse. L’augmentation de la teneur en ZnO dans les verres TTZ et TGZ a augmenté globalement les modules élastiques. Enfin, la diminution de la susceptibilité optique non linéaire du troisième ordre avec l’ajout de ZnO, nous a permis de montrer l’importance de la présence de chaînes composées de ponts Te-O-Te dans la structure du verre à base de dioxyde de tellure. / Tellurite materials possess exceptional nonlinear optical properties, with values of the third-order nonlinear optical susceptibility are 10 to 50 times higher than in pure silica, favoring then the efficiency of the nonlinear effects. The origin of these exceptional optical properties is not only associated with the presence of the electronic lone pair, but also with the very strong electronic "delocalization" along Te-O-Te bridges in polymerized chains (TeO2)p. Our experimental researches concerned the following both ternary glass systems: TeO2-TiO2-ZnO (TTZ) and TeO2-GeO2-ZnO (TGZ).The glass formation domains were determined, the thermal stability increases with the increased amount of ZnO, TiO2 and GeO2. The vibrational study carried out using Raman spectroscopy and specular infrared reflectivity, revealed that the increase of the ZnO amount leads to a slight depolymerization of the glass network by breaking chains formed via Te-O-Te bridges. For higher ZnO contents, the latter contributes to a compensation of this break by the formation of new bridges: Te-O-Zn and/or Zn-O-Zn. Mechanical properties were studied at the same time at room and high temperature, in particular around the glass transition temperature. The increase of the ZnO content in TTZ and TGZ glasses increased globally elastic modulus. Finally, the decrease of the third-order nonlinear optical susceptibility with the increased ZnO concentration emphasizes the role of the presence of chains consisted of Te-O-Te bridges in the structure of the tellurite glass.

Cette étude porte sur le développement et la caractérisation d’un biomatériau d’ostéosynthèse bioactif, biorésorbable et présentant une tenue mécanique la plus élevée possible. Il a pour vocation de favoriser la repousse osseuse tout en remplaçant temporairement les fonctions mécaniques de l’os. Le matériau, élaboré à base d’un polyacide lactique et de verre bioactif, doit pouvoir être transformé par injection moulage de manière à obtenir des formes complexes de petites tailles telles que des vis, des ancres ou des plaques d’ostéosynthèse. Le bioverre permet au matériau de se lier facilement à l’os tandis que le polyacide lactique apporte des propriétés mécaniques essentielles pour des applications impliquant des contraintes et l’aptitude à la mise en oeuvre. Des biocomposites à base du bioverre 45S5 existent déjà mais leurs applications sont limitées du fait d’interactions bioverre/polymères partiellement incomprises qui provoquent une stabilité thermique très faible. Un contrôle systématique de la dégradation thermique des matériaux a permis d’établir la matrice polymère, le procédé d’élaboration composite et la granulométrie du bioverre optimaux pour l’obtention d’un composite de référence à base de 45S5. Par la suite, le suivi in vitro de composites élaborés à partir de nouveaux bioverres a permis de mieux comprendre l’influence de la composition des bio-verres ainsi que les interactions polymère/bioverre. Ces essais ont permis d’identifier une nouvelle formulation permettant d’allier bioactivité (formation d’hydroxyapatite au bout de 15 jours dans du SBF) et dégradation in vitro minimisée. Cette formulation a présenté des propriétés thermiques et rhéologiques similaires à celle du polymère permettant une mise en forme de petites pièces par injection moulage bien plus aisée qu’avec le composite 45S5. En outre, au bout de 4 mois d’immersion in vitro dans du PBS, les propriétés mécaniques en traction de ce matériau s’approchent de celles du polymère et sont largement supérieures à celles du composite à base de 45S5. / The elaboration and characterization of a bioresorbable and bioactive biomaterial with mechanical properties as high as possible for osteosynthesis applications is the purpose of this study. This biomaterial must promote bone healing while replacing temporarily its mechanical functions. It is made with a polylactic acid and a bioactive glass and it must be easy to process through plasturgy methods in order to obtain small complex shapes as screws, anchors or osteosynthesis plates. The bioactive glass enhances the bioactivity of the material allowing it to link with the bone and the polylactic acid brings good mechanical properties essential to the applications that imply stress support and process aptitude. Biocomposites elaborated with 45S5 bioactive glass already exist but their applications are limited because of poorly understood bioactive glass/polymer interactions implying a weak thermal stability. A systematic control of the thermal degradation of the materials allows to define the best polymer matrix, composite elaboration process and bioactive glass granulometry to obtain an optimized 45S5 composite which stands for reference composite. Then, the in vitro follow-up of composites made with new bioactive glasses enhances the comprehension of the influence of the composition of the bioac-tive glass as well as the polymer/bioactive glass interactions. Hence, a new optimal formulation was identified. This formulation showed bioactivity (hydroxyapatite formation after 15 days in SBF) and a minimized in vitro degradation. Moreover, it showed thermal and rheological properties similar to neat polymer’s, which allows the thermomanufacturing of small pieces easierly than with the 45S5 composite. Plus, after an in vitro degradation in PBS of 4 months, its tensile properties were close to polymers’ and largely superior to 45S5 composite’s.

Συστηματική μελέτη πυριτικών, πυριτίου-ασβεστίου και φωσφοπυριτικών γυαλιών, με σύσταση 80 SiO2 - (20-x) Na2O - x Me2O (όπου x=0, 10 και Me=Li ή K), 48.7SiO2 - 26.9CaO - (24.4-x) Na2O - x Me2O (όπου x=0, 12.2 και Me=Li ή K) και 46.1 SiO2 - 2.6 P2O5 - 26.9 CaO - (24.4-x) Na2O - x Me2O (όπου x=0, 12.2 και Me=Li ή K), γίνεται με φασματοσκοπικές τεχνικές πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού MAS NMR (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) και MQ–MAS NMR (Multiple Quantum-MAS NMR). Η 29Si MAS NMR ανάλυση του Na2O πυριτικού γυαλιού έδειξε την ύπαρξη δύο κορυφών, οι οποίες αποδίδονται σε Q3 και Q4 πυριτικές δομές. Η υποκατάσταση Na από Κ διατηρεί τις Q3 και Q4 δομές ενώ στο Na2O-Li2O γυαλί, παρατηρήθηκαν τρεις κορυφές, οι οποίες αποδίδονται σε Q3, Q4-3 και Q4-4 πυριτικές δομές. H Q4-4 είναι σχετικά στενή και υποδηλώνει έναρξη κρυστάλλωσης του δικτύου λόγω της μικρής έντασης του σήματος. Στο γυαλί Na2O πυριτίου-ασβεστίου, η ανάλυση οδήγησε σε δυο κορυφές οι οποίες αποδίδονται σε Q1 και Q2 δομές, ενώ στο Na2O-K2O γυαλί, το φάσμα αναλύθηκε μόνο μια κορυφή που αντιπροσωπεύει Q2 πυριτικές δομές. Από την άλλη, στο γυαλί Na2O-Li2O, παρατηρήθηκαν δύο κορυφές οι οποίες αντιστοιχούν σε Q2 και Q3 δομές. Στο Na2O φωσφοπυριτικό γυαλί, η ανάλυση οδήγησε στις κορυφές που αποδίδονται σε Q2 και Q3 δομές. Η 23Na MQ-MAS NMR ανάλυση στο Na2O πυριτικό γυαλί οδήγησε στην παρουσία δύο ιοντικών περιοχών νατρίου (site 1: δiso= 5.1 ppm, CQ= 0.96 MHz, ΔCS= 20 ppm και site 2: δiso= 1.9 ppm, CQ= 3.06 MHz, ΔCS= 20 ppm). Η υποκατάσταση Na από Li ή Κ διατηρεί τις δύο ιοντικές περιοχές στα γυαλιά. Στο γυαλί Na2O πυριτίου-ασβεστίου, η ανάλυση οδήγησε μόνο σε μια ιοντική περιοχή η οποία είναι η site 2 (δiso= 5.4 ppm, CQ= 2.83 MHz, ΔCS= 17 ppm). Στα υπόλοιπα γυαλιά δεν παρατηρούνται διαφορές κατά την υποκατάσταση Na από Li ή Κ. Στο 24.4 Na2O φωσφοπυριτικό γυαλί παρατηρήθηκαν τρεις ιοντικές περιοχές (site 1: δiso= 6.0 ppm, CQ= 1.4 MHz, ΔCS= 20 ppm, site 2: δiso= 6.8 ppm, CQ= 2.6 MHz, ΔCS= 20 ppm, και site 3: δiso= 6.6 ppm, CQ= 1.2 MHz, ΔCS= 1 ppm). Η υποκατάσταση Na από Li ή Κ οδήγησε στην απουσία της τρίτης και πιο ισχυρής ιοντικής περιοχής (site 3). Πιθανολογούμε ότι η απουσία της σχετίζεται με την τροποποίηση του δικτύου που προέρχεται από την εισαγωγή του φωσφόρου στο υαλώδες δίκτυο. Η μελέτη μας επεκτάθηκε και στην μοριακή προσομοίωση των γυαλιών των τριών οικογενειών με την βοήθεια του προγράμματος Gaussian 03W. Πρώτα έγινε η γεωμετρική προσομοίωση του πλέγματος και μετά η προσομοίωση των NMR παραμέτρων με την χρήση της DFT μεθόδου (Density Functional Theory) και με τις βάσεις 6-311++G, 6-31G και 3-21++G. Οι δομές που προέκυψαν έδωσαν μια εικόνα του πυριτικού, πυριτίου-ασβεστίου και φωσφοπυριτικού υαλώδους δικτύου. Οι δομές των αλκαλίων αποτελούνται από τετραεδρικής, εξαεδρικής και οκταεδρικής συμμετρίας κυψελίδες. Μετά από υπολογισμούς διαφόρων πιθανών δομών καταλήξαμε στις δομές για την ερμηνεία των φασμάτων σε εκείνες που υπάρχει καλή συμφωνία μεταξύ των θεωρητικών και πειραματικών 23Na NMR αποτελεσμάτων. Συγκεκριμένα, η site 2 προέρχεται από ένα 23Na σε XXX-εδρικό περιβάλλον. Η site 3 μπορεί να προέρχεται από οκταεδρικούς σχηματισμούς υψηλής συμμετρίας των ιόντων Na γιατί αυτές οι περιοχές οδηγούν με βάση τους υπολογισμούς μας σε περιβάλλον με αυξημένη ιοντική ισχύ και συμμετρία. / Silicate, calcium-silicate and phosphosilicate glasses of the composition 80 SiO2 - (20-x) Na2O - x Me2O (where x=0, 10 and Me=Li or K), 48.7SiO2 - 26.9CaO - (24.4-x) Na2O - xMe2O (where x=0, 12.2 and Me=Li or K) and 46.1 SiO2 - 2.6 P2O5 - 26.9 CaO - (24.4-x) Na2O - x Me2O (where x=0, 12.2 and Me=Li or K), have been investigated using the advanced NMR methods of MAS NMR (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) and MQ-MAS NMR (Multiple Quantum-MAS NMR). The 29Si MAS NMR analysis of the sodium silicate glass revealed two lines attributed to Q3 and Q4 silicate species. Substitution of Na with K conserves the Q3 and Q4 species while in the Na2O-Li2O glass, three lines were obtained attributed to Q3, Q4-3 and Q4-4 species. The Q4-4 signal is attributed to initial stage of crystallization due to the narrow size distribution and low intensity. In the sodium calcium-silicate glass, two lines were resolved assigned to Q1 and Q2, while in the Na2O-K2O glass, only one line was resolved attributed to Q2 species. For the Na2O-Li2O glass, two lines were revealed assigned to Q2 and Q3. In the sodium phosphosilicate glass, the analysis revealed two lines ascribed to Q2 and Q3. The 23Na MQ-MAS NMR analysis in the sodium silicate glass exhibits two Na ionic sites (site 1: δiso= 5.1 ppm, CQ= 0.96 MHz, ΔCS= 20 ppm and site 2: δiso= 1.9 ppm, CQ= 3.06 MHz, ΔCS= 20 ppm). Substitution of Na with Li or K conserves the two sites in the glasses. For the sodium calcium-silicate glass, the analysis revealed only one site (site 2: δiso= 5.4 ppm, CQ= 2.83 MHz, ΔCS= 17 ppm). No difference was observed by the substitution of Na with Li or K in the glasses. In the 24.4 Na2O phosphosilicate glass three sites were obtained with: site 1 (δiso= 6.0 ppm, CQ= 1.4 MHz, ΔCS= 20 ppm), site 2 (δiso= 6.8 ppm, CQ= 2.6 MHz, ΔCS= 20 ppm), site 3 (δiso= 6.6 ppm, CQ= 1.2 MHz, ΔCS= 1 ppm). The substitution of Na with Li or K resulted in the absence of the third and most ionic site, which is probably associated with the presence of phosphorus in the glassy network. Our study was completed by the molecular simulation of the three types of glasses, for which the Gaussian 03W program was used. For the geometrical optimization and the optimization of the NMR parameters was used the DFT (Density Functional Theory) method and the 6-311++G, 6-31G, and 3-21++G basis sets. The resulting structures gave an insight into the silicate, calcium-silicate and phosphosilicate glassy network. These structures consist of tetrahedral, hexahedral, and octahedral symmetry shells which enclose the alkali ions. The good agreement between the theoretical and experimental 23Na NMR results leads to the depiction of the Na ionic sites and especially of site 2. This site was attributed to sodium in XXX-coordination. Concerning site 3, was observed that the increased ionic strength of the site could possible be ascribed to high symmetry octahedral configurations of Na ions.

Différentes techniques spectroscopiques (impédancemétrie électrique, RMN, IR et Raman) ont été utilisées pour étudier la mobilité ionique de deux séries de verres binaires de borate d’alcalins (Li₂O-B₂O₃ et Na₂O-B₂O₃) dans une large gamme de composition en relation avec la structure, aussi bien dans l’état solide que dans l’état fondu. Nous avons ainsi établi un bilan complet de l’évolution de la structure du réseau vitreux à température ambiante en fonction de la teneur en oxyde d’alcalin M₂O. Alors que B₂O₃ n’est formé que d’unités BO₃, organisées en anneaux boroxol reliés par des chaînes, l’ajout d’alcalins entraîne l’apparition d’unités BO₄- incorporées dans différents groupements borate. Parallèlement, les chaînes et les boroxols disparaissent progressivement. A partir de 20% en M₂O, les alcalins commencent à jouer un rôle de modificateurs de réseau vitreux en cassant des liaisons, entrainant la formation d’oxygènes non-pontants (NBO). Leur proportion augmente rapidement de telle sorte qu’à partir de 40% de M₂O, la teneur en BO₄- rediminue. L’association de deux dispositifs de mesure de l’impédance complexe a permis d’obtenir des valeurs fiables de la conductivité sur un intervalle de température très étendu allant du solide jusqu’à l’état fondu. En dessous de Tg, la conductivité statique suit une loi d’Arrhenius. Sa valeur augmente avec la teneur en M₂O, toutefois, deux changements de régime sont observés : le premier vers 32% de M₂O coïncide avec l’anomalie de bore et peut être relié à la formation d’un nombre important de NBO, le second, est observé dans la série Na vers 10-20% de Na₂O et serait provoqué par une compaction du réseau. En passant à l’état fondu, la conductivité augmente de façon considérable et suit une loi VFT. Nous avons observé que l’anomalie de bore persiste à l’état fondu, mais se déplace vers les basses teneurs en M₂O. / Different spectroscopic techniques (electrical impedancemetry, NMR, IR and Raman) have been used to study ionic mobility of two series of binary alkaline borate glasses (Li₂O-B₂O3 and Na₂O-B₂O₃) in a wide range of composition in relation to their structure, both in the solid and molten state. We have thus established a complete description of the structural evolution of the vitreous network at ambient temperature as a function of the alkaline oxide M₂O content. While B₂O₃ is only formed of BO₃ units, organized in boroxol rings linked by chains, the alkaline addition leads to the appearance of BO₄- units incorporated in different borate groups. At the same time, chains and boroxols disappear gradually. From 20% M₂O, the alkalines start to play the role of vitreous network modifiers by breaking bonds, resulting in the formation of non-bridging oxygens (NBO). Their proportion increases rapidly so that, from 40% M₂O, the BO₄- content decreases. The association of two devices for measuring the complex impedance enabled us to obtain reliable values of the conductivity over a very extended temperature range from the solid to the molten state. Below Tg, the static conductivity follows Arrhenius law. Its value increases with the M₂O content, however, two changes are observed: the first towards 32% M₂O coincides with the so-called boron anomaly and can be related to the formation of a large number of NBO, the second, is observed in the Na series towards 10-20% Na₂O and is caused by network compaction. When passing to the molten state, the conductivity increases considerably and follows a VFT law. We observed that the boron anomaly persists in the molten state, but moves to lower M₂O contents.

En Europe, le secteur du bâtiment représente près de la moitié de la consommation énergétique totale (dont 60 % pour le chauffage et la climatisation) et des rejets de CO2. Ainsi, une maîtrise de la consommation énergétique dans différents secteurs (bâtiment, transports et industrie) est nécessaire. L’utilisation de matériaux « super-isolants » thermiques tels que les panneaux isolants sous vide (PIV) dans la rénovation et dans de nouvelles constructions à très faible consommation énergétique sont prometteurs. Un PIV est composé d’un matériau de cœur thermoscellé dans une enveloppe hermétique mise sous vide. Le cœur est constitué d’un empilement de nano poudres de silices à très forte porosité (> 90%) et à très fine structure poreuse (< 200 nm). Deux types de silices sont utilisés : les silices pyrogénées (FS) avec lesquelles on obtient des PIV manipulables pour une densité de cœur de 160 kg/m3 après compaction contre 250 kg/m3 pour les silices précipitées (PS). Les PIV à base de silices FS sont plus efficaces thermiquement et mécaniquement que ceux à base de silice PS, mais restent plus coûteux. Cette étude propose de comprendre les différences de propriétés mécaniques entre les compacts de silice FS et PS. Ainsi, les comportements en compression œdométrique et en indentation sphérique d’une silice pyrogénée Konasil 200 et de deux silices précipitées Tixosil 43 et 365 ont été analysés. Ceux-ci sont complétés par des observations structurales en microscopie électronique à transmission (MET) et en diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS). Le couplage de ces résultats à l’étude du vieillissement et de la structure multiéchelles des poudres permet d'identifier les causes des écarts des propriétés observées entre silices FS et PS. Ainsi, l’impact de la chimie de surface et de l’organisation multiéchelles entre les objets observés est mis en évidence pour expliquer les différences de propriétés mécaniques entre silices FS et PS. / Buildings account for almost the half of the total energy consumption (60% for heating and cooling) and CO2 emissions in Europe. Thus, the control of energy consumption in building appears as critical. In that perspective, "super-thermal insulating" materials such as vacuum insulation panels (VIP) are promising, both for buildings renovation, and for new energy-efficient constructions. A VIP is composed by a sealed core material in which vacuum is established. The core is made of an open nanoporous stack of silica powders with very high porosity (> 90%) and very fine porous structure (< 200 nm). Two types of silica are typically used: first fumed silica (FS) which enable to process panels with a sufficient compression strength for handling for a density as low as 160 kg/m3, second precipitated silica (PS) which enable to process denser panels with a minimal density of about 250 kg/m3. VIPs made of FS powders are more efficient in terms of thermal and mechanical properties as compared of VIP made of PS powders. However, their price is higher. This study aims at understanding the differences in mechanical properties noted between compacted FS and PS powders. Oedometric compression tests and spherical indentation test were carried out on compacts of Konasil 200 FS silica and on compacts of Tixosil 43 and 365 PS silica. In addition, structural observations of the powders were made using transmission electron microscopy (TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS). These results permit to identify the parameters leading differences between FS and PS powders. Thus, surface chemistry, multiscale organization and interactions forces are highlighted to explain the differences in mechanical properties between compacts of FS and PS silica.

Les alliages métalliques amorphes, appelés aussi verres métalliques connaissent un intérêt grandissant, de par leurs propriétés remarquables comparées à celles des alliages métalliques cristallins, comme par exemple, une haute limite élastique due à l’absence de dislocations, une résistance élevée à la corrosion provoquée par l’absence de microstructure, ou encore un faible module de Young. Ce dernier point est intéressant pour une application en tant que biomatériaux, dans le but d’éviter les phénomènes d’ostéolyses. Cependant, ce type de matériaux possède deux inconvénients majeurs : (i) un manque de déformation plastique, ainsi (ii) qu’une taille critique faible, provoquée par la nécessité d’avoir une vitesse de refroidissement très élevée. Pour pallier ce problème, l’ajout d’éléments avec un petit rayon atomique, comme le béryllium ou l’aluminium, est fréquemment employé. Cependant, ces éléments peuvent même être dangereux pour le corps humain, sous forme d’ions relargués. L’objectif de cette thèse est donc, tout d’abord, de développer de nouvelles nuances de verres métalliques complètement biocompatibles, puis de définir des axes d’amélioration pour augmenter la taille critique, ainsi que la ductilité de ces matériaux. Dans une première partie, deux nouvelles compositions biocompatibles ont été développées, la première a été réalisée dans l’objectif d’obtenir un biomatériau résorbable, base Mg. La seconde a permis d’étudier un biomatériau de renfort, base Zr. Mais les éléments tels que le Be ou Al sont difficiles à éviter car ils jouent un rôle sur le diamètre critique et les propriétés mécaniques. Ainsi, dans un second temps, l’objectif a été de trouver des voies d’amélioration, tant au niveau procédé de fabrication, qu’au niveau de la composition du matériau. Premièrement, en utilisant un système déjà connu, Cu-Zr-Ti, l’addition de terre-rares, comme l’yttrium, a été étudiée. En ajoutant 1% atomique d’yttrium au système, la déformation plastique a été augmentée de 2 points, ainsi que la résistance à la corrosion et la biocompatibilité. La formation de précipités d’Y2O3, créant des zones cristallisées, semblent être responsables d’une augmentation de la ductilité. Une autre technique de mise en forme, par la métallurgie des poudres, a pu être abordée. La vitesse de refroidissement par atomisation, très élevée, permet d’obtenir une poudre complètement amorphe, même pour des systèmes présentant une faible aptitude à former des verres. Aussi, l’élaboration de composites alliant poudres amorphe et cristalline est possible est possible par frittage. Enfin, le rôle du pré-cyclage mécanique et de la vitesse de déformation sur les mécanismes de déformation ont été étudiés en associant simulation par dynamique moléculaire et essais de compression quasi-statiques. Une homogénéisation de la déformation, dûe au pré-cyclage, semble être responsable de l’augmentation de ductilité. / Metallic glasses exhibit improved properties compared to pure crystalline metals, as for example, a high strength and a high corrosion resistance, due to the absence of microstructure and also a low Young modulus. This last feature is interesting for use as biomaterials to prevent bone osteolysis. However, these materials exhibit two main drawbacks: a lack of ductility and a small critical size. To improve these points, most parts of the glasses for biomedical applications still contain toxic elements, such as Be or Al. This work aims to find new fully biocompatible compositions of metallic glasses and suggest three solutions to remedy some issues, based on micro-alloying, powder metallurgy and deformation mechanisms understanding. In the first part of the work, two new compositions for metallic glasses were elaborated: a Mg-Ca-Au-Yb system for use as bioresorbable materials and a Zr-based glassy system for use as reinforcement materials. A complete study on the processing and the characterization of the samples has been conducted: thermal stability, also corrosion properties, cytotoxicity and mechanical properties are also crucial to characterize for a use as biomaterials. However, trying to use only biocompatible elements considerably reduces the possibility to obtain fully amorphous large diameter samples. In that respect, the other part of the work consists to study the possible ways of increasing the samples size, using an Al-free, Ni-free well-known system: Cu-Zr-Ti. First, yttrium additions in the Cu-Zr-Ti system has been investigated. The optimum amount of yttrium to add and the characterization of this material was conducted. 1 at. % of Y in the Cu-Zr-Ti leads to an increase of 2% of plastic strain, of the corrosion resistance, and biocompatibility. The microstructure was precisely studied using Transmission Electron Microscopy (TEM) observations and some explanation about this improvement can be discussed. To the author knowledge, for the first time, yttrium nano-precipitates with a core-shell structure were observed. This leads to an improvement of the ductility of the material, due to the nano-crystallized areas induced by the precipitates. Moreover, a new process, the powders metallurgy with Spark Plasma Sintering (SPS) allows the creation of larger sintered samples. Indeed, the high cooling rate of the atomization allows to obtain fully amorphous powder, even for low GFA systems. Processing of ex-situ composites samples, adding some ductile particles in the amorphous matrix. At last, the role of the mechanical pre-cycling and of the strain rate on the elementary deformation mechanisms were investigated using both atomistic simulation and compressive mechanical tests. A homogenization of the deformation, caused by the pre-cycling, seems to improve the ductility.

Ce travail a pour but d’améliorer la description structurale du verre de TeO2 pur et d’étudier en profondeur la structure de la phase désordonnée δ-TeO2 au moyen de la dynamique moléculaire (DM). Nous avons établi des potentiels interatomiques (IAP), simples mais non triviaux, prenant en compte la polarisabilité des atomes de tellure et d’oxygène à l'aide du modèle cœur-coquille. Nous avons démontré le rôle important de la paire libre électronique de l'atome de Te dans la formation d'unités asymétriques TeOx. Les IAPs précis reproduisent 17 structures cristallines à base de TeO2 et sont appropriés pour les simulations par DM des systèmes désordonnés. Les simulations des structures de la phase vitreuse pure et de δ-TeO2 ont été effectuées par DM. Il a été démontré que le verre de TeO2 est principalement constitué d'unités structurales TeO3 et TeO4, et un grand nombre d'atomes d’oxygène non-pontant (NBO) est observé. La coordinence des atomes de tellure est plus faible dans le verre que dans les structures cristallines pures.Dans la phase δ-TeO2, les atomes de tellure forment un réseau cristallin (CFC) bien défini et les atomes d'oxygène présentent un grand désordre de position. Cette phase est caractérisée par une population d’unités structurales, une coordinence des atomes de tellure et une proportion d'atomes d’oxygène non pontant typique du verre. Par conséquent, la structure δ-TeO2 est plus proche de celle du verre que des structures d'autres polymorphes cristallines de TeO2 pures. / This work aims to improve the structural description of the pure TeO2 glass and to give a deep insight into the structure of the disordered δ-TeO2 phase by means of molecular dynamics (MD) simulations.We derived simple but nontrivial interatomic potentials (IAPs), which take into account the polarisability of tellurium and oxygen atoms using the core-shell model. We demonstrated the important role of the electronic lone pair of the tellurium atoms in the formation of asymmetrical TeOx units. The accurate IAPs is able to reproduce 17 crystalline TeO2-based structures and are appropriate for MD simulations of disordered systems.The MD simulations of the pure glass and δ-TeO2 phase structures were carried out. It was demonstrated that the TeO2-glass consists of mainly TeO3 and TeO4 structural units and a large number of non-bridging oxygen (NBO) atoms is observed. The coordination number of the tellurium atoms in the glass is less than in the pure crystalline structures.In the δ-TeO2 phase, the tellurium atoms form a well-defined crystalline (FCC) lattice and the oxygen atoms exhibit a large positional disorder. This phase has a structural units distribution and a tellurium coordination number and a proportion of NBO atoms similar to those of the glass. Hence, the structure of δ-TeO2 is closer to that of glass than to the structures of other pure TeO2 crystalline polymorphs.

Dans le cadre de la recherche sur le conditionnement des déchets nucléaires issus des combustibles usés, de nouvelles formulations vitreuses sont à l’étude. Ces nouvelles matrices doivent être capables d’incorporer une importante teneur en produits de fission et actinides mineurs (PFA) tout en présentant d’excellentes propriétés en termes d’homogénéité, stabilité thermique, comportement à long terme et faisabilité technologique. Cette étude s’intéresse aux verres dits « peralumineux », c’est-à-dire à des verres présentant un excès d’ions aluminium vis-à-vis des ions compensateurs de charges (Na⁺, Li⁺ et Ca²⁺). Une approche par plan d’expériences a été réalisée afin de déterminer les relations entre la composition de systèmes peralumineux simplifiés à sept oxydes (SiO2 – B2O3 – Al2O3 – Na2O – Li2O – CaO – La2O3) et leurs propriétés physico-chimiques : viscosité, température de transition vitreuse et microstructure. Une étude structurale réalisée par spectroscopie RMN a également permis de mieux définir les rôles structuraux de Na⁺, Li⁺ et Ca²⁺ au sein des verres peralumineux ainsi que l’organisation structurale de ces matrices. Par la suite, des verres peralumineux complexes ont été élaborés et caractérisés afin d’une part, de valider la transposition des résultats entre verres simplifiés et verres complexes et d’autre part, de souligner la potentialité des verres peralumineux comme matrice de conditionnement. / Part of the Research and Development program concerning high level nuclear waste conditioning aims to assess new glass formulations able to incorporate a high waste content with enhanced properties in terms of homogeneity, thermal stability, long term behavior and process ability. This study focuses on peraluminous glasses, defined by an excess of aluminum ions Al³⁺ in comparison with modifier elements such as Na⁺, Li⁺ or Ca²⁺. A Design of Experiment approach has been employed to determine relationships between composition of simplified peraluminous glasses (SiO2 – B2O3 – Al2O3 – Na2O – Li2O – CaO – La2O3) and their physical properties such as viscosity, glass transition temperature and glass homogeneity. Moreover, some structural investigation (NMR) was performed in order to better understand the structural role of Na⁺, Li⁺ and Ca²⁺ and the structural organization of peraluminous glasses. Then, physical and chemical properties of fully simulated peraluminous glasses were characterized to evaluate transposition between simplified and fully simulated glasses and also to put forward the potential of peraluminous glasses for nuclear waste containment.

Les céramiques polycristallines transparentes sont une classe émergente de matériaux pour des applications optiques et photoniques. Au cours de cette thèse, nous avons utilisé une méthode innovante pour élaborer de tels matériaux : la cristallisation complète d'un verre parent. Ce procédé permet d'obtenir de nouvelles céramiques polycristallines transparentes grâce à l'absence de porosité, inhérente à la fabrication du verre parent et aussi d'accéder à de nouvelles phases cristallines. Deux études ont été menées pour améliorer la vitrification de la composition BaAl₄O₇ (1ère céramique transparente obtenue par cristallisation complète du verre). Des résultats surprenants ont été obtenus avec la cristallisation d'une nouvelle phase (BaGa₄O₇) ou avec la synthèse de céramiques biphasiques transparentes BaAl₄O₇ - BaAl₂O₄ dont la transparence est fortement améliorée par rapport à la céramique de BaAl₄O₇, grâce à la cristallisation d'une seconde phase BaAl₂O₄, limitant la croissance des grains biréfringents de BaAl₄O₇. Des céramiques polycristallines transparentes appartenant à la famille des mélilites, de formule générale Sr₁₊xRE₁₋xGa₃O₇₊x∕₂ (RE : rare earth), ont aussi été synthétisées. Des propriétés d'émission de lumière visible ont été mises en évidence à partir des compositions SrGdGa₃O₇ et SrYbGa₃O₇. Cette famille de céramiques polycristallines transparentes ouvre la voie à d'autres applications où l'absence totale de porosité ainsi que l'élaboration de nouvelles phases cristallines inaccessibles par réaction à l'état solide sont des facteurs clés. Ces possibilités ont été démontrées dans le cas de céramiques transparentes présentant une importante conductivité ionique. / Transparent polycrystalline ceramic is an emerging class of optic and photonic materials. During this thesis, we used an innovative method to elaborate such materials: the full glass crystallization. This process permits to obtain new transparent polycristalline ceramics through the lack of porosity, inherent to the parent glass and to access to new crystalline phases. Two studies were leaded to improve the glass forming ability of the BaAl₄O₇ composition (1st transparent ceramic obtained from full glass crystallization). Surprising results were obtained with the crystallization of a new phase (BaGa₄O₇) or with the synthesis of two-phase transparent ceramics (BaAl₄O₇ – BaAl₂O₄) where the transparency is considerably enhanced compared to the BaAl₄O₇ ceramic thanks to a second phase crystallization (BaAl₂O₄), limiting the growth of the birefringent BaAl₄O₇ grains. Transparent polycristalline ceramics belonging to the melilite family, with Sr₁₊xRE₁₋xGa₃O₇₊x∕₂ (RE: rare earth) general formulae were also synthesized. White light emission properties have been demonstrated from the SrGdGa₃O₇ and SrYbGa₃O₇ compositions. This family opens the way to others applications where the total absence of porosity with the elaboration of new crystalline phases unattainable by solid state reaction are key factors. These possibilities were demonstrated in the case of transparent polycristalline ceramics showing an important ionic conductivity.