Depuis quelques années on s'intéresse aux actionneurs base polymères, souvent appelés polymères électroactifs électroniques (EAPS) pour intégrer dans des microsystèmes électromécaniques (MEMS). Trois mécanismes sont à l'origine du couplage électromécanique : (i) la piézoélectricité qui apparait dans certaines phases cristallines, (ii) la force "de Maxwell" lorsqu'un champ électrique aux bornes du condensateur constitué d'un polymère souples placé entre deux électrodes, et (iii) l'électrostriction, phénomène intrinsèque aux matériaux polaires, mal connu. Les deux derniers se traduisent par une dépendance quadratique de la déformation macroscopique avec le champ électrique appliqué. Parmi les EAPs électrostrictifs, on cite souvent certains polyuréthanes (PU) qui a conduit à ce choix pour ce travail de thèse. Une première partie a consisté à analyser en détail l'électrostriction de 3 PUs, copolymères à blocs de deux types d'unités de répétition, les unes conduisant à des segments rigides très polaires, les autres à des segments souples peu polaires. La séparation de phase qui apparait lors de la mise en œuvre de ces PUs (contenant des fractions différentes de segments souples et rigides) semble propice à l'apparition de leur électrostriction. C'est ce qu'indique une modélisation récemment proposée qui prédit un facteur de près de 1000 entre forces de Maxwell (ici négligeables) et électrostriction. Le comportement des matériaux résultent clairement de la compétition entre contraintes d'origine électrostatique (dipôles des phases polaires dans un gradient de champ électrique) et contraintes mécaniques liées à la rigidité des phases. L’influence systématique de l'épaisseur des films sur leur activité électromagnétique a été rendue compte: les films minces présentent une plus faible déformation à champ électrique donné que les films plus épais. Les films obtenus par évaporation du solvant utilisé pour dissoudre les PU présentent probablement un gradient de microstructure : en surface, l'évaporation rapide limite la séparation de phase, alors qu'elle est plus avancée à cœur. C’est cohérent avec la modélisation reposant sur la présence de gradient de constante diélectrique au sein des films. Dans une dernière partie, on a cherché à augmenter encore l'électrostriction de ces matériaux en dispersant des particules conductrices à conduction électronique, de taille nanométrique (noir de carbone et nanotubes de carbone). On observe trois effets, l'un correspondant à l'augmentation de la constante diélectrique apparente (celle diverge au seuil de percolation), et un deuxième effet à une augmentation des forces d'attraction locales. En revanche, le troisième effet qui contrecarre les forces d'origine électrostatique puisqu'il résulte de l'augmentation de la rigidité dû à la présence des particules rigides. Là encore, la compétition entre contraintes électrostatique et mécanique conduit à un optimum en termes de fraction volumique de particules renforçantes. / Piezoelectric ceramics are commonly used for actuation applications. However, they suffer from several drawbacks particularly such low electric field-induced strains and difficult implementation inside microelectromechanical systems (MEMS). Recently, electroactive polymers (EAPs) have attracted considerable interest, especially following the publication of elevated electric field-induced strain values. The results have rendered EAPs very attractive for replacing the lead-based ceramics. Three mechanisms are responsible for the electromechanical coupling in electronic EAPs: (i) The piezoelectricity that appears in some crystalline phases, (ii) The “Maxwell” forces when applying an electric field through a capacitor which consists of a flexible polymer film placed between two electrodes, and (iii) The electrostriction, an intrinsic phenomenon related to polar materials, which is still poorly understood. The last two mechanisms result in a quadratic dependence of the deformation with the applied electric field. Among the electrostrictive EAPs, some polyurethanes (PU) have been often cited, and have therefore guided the choice of the materials for this work. The first part was to analyze the electrostrictive behavior of three PUs, made of two partially miscible types of repeating units: the high polar hard segments and the low polar soft segments. The phase separation occurred during the elaboration process of these PU films seems favorable to the emergence of electrostrictive behavior. A model predicted recently an almost 1000 factor between the electrostriction and the Maxwell stress (here negligible). This is clearly related to the competition between the electrostatic strains (polar phases dipoles in a field gradient) and the mechanical stresses. The thickness of films was found to have a strong influence on electromechanical activity: thin films present a lower strain for a given electric field compared to thick films. Depending on the solvent evaporation during the film elaboration, the films exhibit a thickness gradient in the microstructure: Fast evaporation on the surface inhibits the phase separation, whereas it is more favored in the core. This is consistent with the modeling based on the gradient of dielectric constant in PU. In the last part, we aimed to further increase the electrostriction of PU by filling with nanoscale conductive particles (carbon black or carbon nanotubes). This normally results three effects, one corresponding to the increase of the dielectric constant in the vicinity of the percolation threshold, a second effect relates to an increase in local attractive forces which behave as internal constraints. In contrast, the third effect counteracts the electrostatic forces since it results from the increased stiffness due to the hard particles. Again, the competition between electrostatic and mechanical stress leads to an optimum induced-deformation associated to a fraction of reinforcing particles.

Le sujet concerne l’influence des effets tridimensionnelles sur les champs de déformation et de contrainte au voisinage d’une éprouvette chargée en mode I. La loi de comportement caractéristique des polymères amorphes avec un seuil d’écoulement viscoplastique suivi d’un adoucissement et d’un durcissement à mesure que la déformation augmente est prise en compte. La loi est implantée dans une UMAT abaqus. Les champs au voisinage de l’entaille sont analysés et les résultats 3D comparés à ceux correspondant à un calcul 2D sous l’hypothèse de déformation plane. L’influence de l’épaisseur de l’échantillon est étudiée et nous montrons qu’au-delà d’un rapport épaisseur t sur rayon d’entaille rt, t/rt>20, les champs de déformation plastique sont qualitativement similaires entre les calculs 3D et 2D. En revanche, nous montrons que la répartition des contraintes et notamment celle de la contrainte moyenne est sur-estimée avec un calcul 2D en comparaison à une simulation 3D. Nous prenons en compte par la suite la rupture par craquelage, modélisée avec un modèle cohésif. Une étude paramétrique est menée afin de définir une procédure d’identification des paramètres caractéristiques du modèle cohésif. Par ailleurs les simulations montrent qu’au-delà d’un rapport t/rt supérieur à 20, une ténacité minimum peut être estimée : ceci constitue un résultat important pour la détermination expérimentale de la ténacité des polymères ductiles. / We investigate 3D effect of crack tip palsticity and the influence of the thickness on 3D glassy polymer fracture. The characteristuc constitutive law with a viscoplastic yield stress followed by softening and progressive hardening is accoutne for and implemented in a UMAt routine, in abaqus. The crack tip fields are investigated and 2D plasne strain versus 3D calculations compared. Qualitatively, the palstic distribution are comparableas soon as the ratio thickness over crack tip radius is larger than 20. However, the 2D calculations over estimate the stress distribution compared to the 3D cases. We have accounted for failure by crazing that is described with a cohesive models. A parametric study sheds light on the methodology to use for the calibration of the cohesive parameters. The simulations show that for a ratio thickness over craci tip radius larger than 20, a minimum tuoghness can be observed. This results has implication on the definition of a thickness larger enough experimentally.

Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν πειραματικά σειρές σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας, με παράμετρο τον τύπο και την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση. Ως μήτρα χρησιμοποιήθηκε εποξειδική ρητίνη υψηλών προδιαγραφών. Ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιηθήκαν μικροσωματίδια, νανοσωματίδια τιτανικού βαρίου και αποφλοιωμένα γραφιτικά νανοεπίπεδα (exfoliated graphite nanoplatelets). Η επιλογή των υλικών είχε ως στόχο να εκμεταλλευτούν σε κοινό σύνθετο σύστημα οι «θετικές» ιδιότητες των συστατικών του, όπως η θερμο-μηχανική σταθερότητα της μήτρας, η υψηλή διαπερατότητα και η σιδηροηλεκτρική συμπεριφορά του τιτανικού βαρίου και οι καλές μηχανικές ιδιότητες μαζί με την υψηλή ειδική αγωγιμότητα των αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων. Παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν τα παρακάτω συστήματα σύνθετων υλικών, για διάφορες περιεκτικότητες σε ενισχυτική φάση: (α) σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης, (β) σύστημα νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης, (γ) σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/εποξειδικής ρητίνης, (δ) υβριδικό σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης, (ε) υβριδικό σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/ νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης. Την παρασκευή των δοκιμίων ακολούθησε πολύπλευρος χαρακτηρισμός τους. Για λόγους αναφοράς παρασκευάστηκε και μελετήθηκε και δοκίμιο μη ενισχυμένης ρητίνης. Η μορφολογία τους διερευνήθηκε με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (scanning electron microscopy) και την τεχνική σκέδασης ακτίνων-Χ (x-ray diffraction scattering). Διαπιστώθηκε η επιτυχής διασπορά των νανο-εγκλεισμάτων αλλά και η ύπαρξη μικρών συσσωματωμάτων. Τα φάσματα σκέδασης ακτίνων-Χ πιστοποίησαν την παρουσία των πληρωτικών μέσων που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε κατηγορία σύνθετου συστήματος. Ακολούθησε θερμικός χαρακτηρισμός των σύνθετων υλικών, με στόχο τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσής τους. Η μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των συνθέτων έγινε υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Η στατική συμπεριφορά εξετάστηκε με την τεχνική κάμψης τριών σημείων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Διαπιστώθηκε αύξηση του μέτρου ελαστικότητας με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων συστημάτων. Παράλληλα, διαπιστώθηκε μείωση της μηχανικής αντοχής με τη συγκέντρωση πληρωτικού μέσου σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων υλικών που μελετήθηκαν. Η δυναμική μηχανική απόκριση μελετήθηκε με την τεχνική της δυναμικής θερμικής ανάλυσης (dynamic mechanical thermal analysis) σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Τα ενισχυμένα συστήματα παρουσιάζουν αυξημένες τιμές του μέτρου αποθήκευσης, ενώ οι κορυφές της εφαπτομένης απωλειών επιτρέπουν τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (Tg). Η Tg φαίνεται να διαφοροποιείται ελαφρά με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, άλλοτε προς μεγαλύτερες και άλλοτε προς μικρότερες τιμές. Οι διαφοροποιήσεις αυτές εκφράζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φάσεων και ίσως την πλήρη ή μη διαβροχή των εγκλεισμάτων από τη μήτρα. Η ηλεκτρική απόκριση των σύνθετων συστημάτων εξετάστηκε με τη μέθοδο της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος, σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων και θερμοκρασιών. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έγινε μέσω των φορμαλισμών της ηλεκτρικής διαπερατότητας, του ηλεκτρικού μέτρου και της ειδικής αγωγιμότητας εναλλασσομένου. Η χρήση και των τριών φορμαλισμών προσφέρει τη δυνατότητα εξαγωγής περισσότερων πληροφοριών για τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των συνθέτων. Διαπιστώθηκε η παρουσία δύο διηλεκτρικών χαλαρώσεων που σχετίζονται με την πολυμερική μήτρα. Αυτές αποδίδονται, στη μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της εποξειδικής ρητίνης (α-χαλάρωση) και στην επαναδιευθέτηση πλευρικών πολικών ομάδων (β-χαλάρωση). Η παρουσία των εγκλεισμάτων στο εσωτερικό της μήτρας εισάγει ηλεκτρική ετερογένεια με αποτέλεσμα την εμφάνιση του φαινομένου διεπιφανειακής πόλωσης (interfacial polarization). Μη δέσμια φορτία συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια των φάσεων, όπου σχηματίζουν μεγάλα δίπολα που παρουσιάζουν αδράνεια ως προς τον προσανατολισμό τους, παράλληλα του εφαρμοζόμενου πεδίου. Η διεπιφανειακή πόλωση είναι η πλέον αργή διεργασία και παρατηρείται σε χαμηλές συχνότητες και υψηλές θερμοκρασίες. Το πραγματικό μέρος της ηλεκτρικής διαπερατότητας, όπως και η ειδική αγωγιμότητα παρουσίασαν αύξηση με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, ιδιαίτερα στην περίπτωση των συστημάτων με γραφιτικά νανοεπίπεδα. Η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας στα συστήματα διερευνήθηκε με χρήση της πυκνότητας ενέργειας υπό σταθερό ηλεκτρικό πεδίο. Διαπιστώθηκε αύξηση της αποθηκευόμενης ενέργειας με αύξηση της περιεκτικότητας σε ενισχυτική φάση. Τη βέλτιστη συμπεριφορά επέδειξε το σύστημα με τη μέγιστη περιεκτικότητα σε γραφιτικά νανοεπίπεδα. Η δυναμική των χαλαρώσεων μελετήθηκε μέσω διαγραμμάτων Arrhenius, από τα οποία προέκυψαν και οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης. Η θερμοκρασιακή γειτνίαση των διεργασιών της α-χαλάρωσης και της διεπιφανειακής πόλωσης οδήγησε σε αλληλοεπικάλυψη των διεργασιών. Από τις ενέργειες ενεργοποίησης που υπολογίστηκαν φαίνεται πως στο δοκίμια της μη ενισχυμένης ρητίνης επικρατεί η συνεισφορά της α-χαλάρωσης, ενώ στα σύνθετα συστήματα επικρατεί η συνεισφορά της διεπιφανειακής πόλωσης. Τα σωματίδια του τιτανικού βαρίου υφίστανται δομικό μετασχηματισμό από την πολική τετραγωνική δομή (σιδηροηλεκτρική φάση) στην μη-πολική κυβική δομή (παραηλεκτρική φάση) σε μία κρίσιμη θερμοκρασία, πλησίον των 130οC. Η μετάβαση αποδείχθηκε μέσω των φασμάτων ακτίνων-Χ και είναι περισσότερο έντονη στην περίπτωση των μικροσωματιδίων. Η λειτουργική συμπεριφορά των συστημάτων σχετίζεται με τη θερμικά διεγειρόμενη δομική μετάβαση από τη σιδηροηλεκτρική στην παραηλεκτρική φάση των εγκλεισμάτων τιτανικού βαρίου, τη μεταβολή του προσήμου του θερμοκρασιακού συντελεστή ειδικής αγωγιμότητας και τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας. Η συνύπαρξη σε κοντινές θερμοκρασίες των διεργασιών α-χαλάρωσης και διεπιφανειακής πόλωσης μαζί με την κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης των σιδηροηλεκτρικών εγκλεισμάτων, δυσχεραίνει πολύ την διάκρισή τους. Με την εισαγωγή της διηλεκτρικής συνάρτησης ενίσχυσης (dielectric reinforcing function) έγινε δυνατός ο διαχωρισμός των φαινομένων. Επιπλέον, η συνάρτηση διηλεκτρικής ενίσχυσης προσφέρει τη δυνατότητα εξέτασης της λειτουργικής συμπεριφοράς και της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας, ανεξάρτητα των γεωμετρικών διαστάσεων του υλικού. Τέλος, το σύνολο των αποτελεσμάτων έγινε αντικείμενο συγκρίσεων και συζήτησης. / In this study, series of polymer matrix composite materials were developed and experimentally studied, varying the reinforcing phase content. The employed matrix was a high tech epoxy resin, while reinforcing phase was micro- and/or nano-barium titanate particles, as well as exfoliated graphite nanoplatelets. The choice of the materials was targeting to take advantage in a common composite system of the thermo-mechanical stability of the matrix, the high dielectric permittivity and the ferroelectric behaviour of barium titanate and the enhanced mechanical properties in tandem with the high conductivity of the exfoliated graphite nanoplatelets. The following composite materials systems were fabricated and studied, for various filler contents: (a) barium titante micro-particles/epoxy resin composite system, (b) barium titante nano-particles/epoxy resin composite system, (c) exfoliated graphite nanoplatelets/epoxy resin composite system, (d) barium titante micro-particles/barium titante nano-particles /epoxy resin hybrid composite system, (e) exfoliated graphite nanoplatelets /barium titante nano-partcles /epoxy resin hybrid composite system. The fabrication of the composites was followed by a multiple characterization of the produced specimens. For reference reasons pure resin was also prepared and studied. Systems’ morphology was investigated by means of scanning electronic microscopy and x-ray diffraction scattering. It was ascertained the existence of fine nanodispersions, as well as of small clusters, within the composites. XRD spectra verified the presence of filler in each category of composite systems. Thermal characterization was conducted via differential scanning calorimetry aiming to determine the glass to rubber transition temperature of all studied systems. Mechanical behaviour was investigated under static and dynamic conditions. Static behaviour was determined via three point bending tests at ambient temperature. It was found that modulus of elasticity increases with filler content in all composite systems categories. On the other hand, mechanical strength decreases with filler content. Dynamic response was studied by means of dynamic mechanical thermal analysis in a wide temperature range. Reinforced systems exhibit higher values of storage modulus, while the loss tangent peaks allow the determination of the glass transition temperature Tg. Tg slightly varies with reinforcing phase content, to higher or lower values depending on the type and the amount of filler concentration. These variations express the interactions between the phases of the composites and possibly the uncompleted wetting of the inclusions in some cases. The electrical response of the composite systems was examined by means of broadband dielectric spectroscopy in a wide frequency and temperature range. The analysis of the experimental data was carried out via the dielectric permittivity, electric modulus, and ac conductivity formalisms. The usage of all three formalisms provides the opportunity to extract more information concerning the physical mechanisms occurring within the composites. It was found that two dielectric processes are related to the polymer matrix. These are attributed to the glass to rubber transition of epoxy resin (α-relaxation) and to the re-arrangement of polar side groups of the main polymer chain (β-relaxation). The presence of inclusions within the matrix introduces electrical heterogeneity resulting in the occurrence of interfacial polarization. Unbounded charges accumulate at the interface of the phases, forming large dipoles, which exhibit inertia in orienting themselves parallel to the applied field. Interfacial polarization is the slowest process in the systems and thus it is observed at low frequencies and high temperatures. The real part of dielectric permittivity, as well as, the conductivity increase with reinforcing phase content, especially in the case of the systems with graphite nanoplatelets. The energy storage efficiency was investigated via the density of energy, at constant electric field. It was found that the energy storage capability increases with filler content. Optimum behaviour is displayed by the system with maximum content in graphite nanoplatelets. The dynamics of the relaxations was studied via Arrhenius graphs, from which the values of activation energy were calculated. Interfacial polarization and α-relaxation appear in adjacent temperature ranges, leading in a superposition of both processes. From the calculated values of activation energy it is concluded that in the pure resin specimen the dominating contribution is related to the α-relaxation, while in the composite systems the contribution of interfacial polarization seems to prevail. Barium titanate particles undergo a structural transition from the polar tetragonal structure (ferroelectric phase) to the non-polar cubic structure (paraelectric phase) at a critical temperature closed to 130oC. This transition was proved via XRD spectra and is more intense in the case of barium titanate microparticles. Systems’ functional behaviour is related to the thermally stimulated structural transition from the ferroelectric to the paraelectric phase of barium titanate inclusions, to the change of sign of the temperature coefficient of conductivity, and their ability for energy storage. The coexistence at adjacent temperatures ranges of α-relaxation and interfacial polarization, as well as the critical transition temperature of ferroelectric inclusions, hampers the discrimination of the effects. By introducing the dielectric reinforcing function the discrimination of the processes became possible. Furthermore, the dielectric reinforcing function provides the possibility to examine the functional behaviour and the energy storage efficiency of the systems, neglecting the materials’ geometrical characteristics influence. Finally, experimental results and analysis are compared and discussed.

Τα σύνθετα υλικά οργανικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες γυαλιού είναι μια κατηγορία υλικών που έχει υψηλό τεχνολογικό ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες με πληθώρα εφαρμογών στην αεροπορική και διαστημική βιομηχανία, στην αυτοκινητοβιομηχανία, στη formula 1, στα σπορ και γενικότερα όπου οι απαιτήσεις για υψηλή επίδοση των υλικών συνδυάζονται με την απαίτηση για χαμηλό βάρος. Στην κατεύθυνση αυτή έχει συντελέσει και το διαρκώς μειούμενο κόστος παραγωγής των υλικών αυτών μέσω της χρήσης καινοτόμων τεχνικών. Η συνεχής εξέλιξη των υλικών αυτών οδηγεί σε βελτιωμένα υλικά ενισχυτικής και μητρικής φάσης αλλά και εντελώς καινούρια υλικά και προσεγγίσεις όπως είναι ενισχυτικές φάσεις στη νανοκλίμακα (nanofibers, nanotubes). Η εισαγωγή τέτοιων υλικών στη μήτρα συνθέτων υλικών αλλάζει τις μηχανικές και φυσικές τους ιδιότητες με τρόπο πολλές φορές ολοκληρωτικό. Είναι προφανές ότι η τεκμηριωμένη γνώση και ανάπτυξη μεθόδων μη καταστροφικού ελέγχου της δομικής ακεραιότητας αλλά και η γνώση της μηχανικής συμπεριφοράς μέσω της διαδικασίας εξέλιξης της βλάβης σε μια κατηγορία υλικών με τόσο σημαντικές εφαρμογές είναι ζητούμενο από την ερευνητική κοινότητα παγκοσμίως. Προς αυτήν την κατεύθυνση είναι και η συμβολή της παρούσας διατριβής. Μη καταστροφικές μέθοδοι και δοκιμές εφαρμόζονται εδώ και πολλά χρόνια σε σύνθετα υλικά οργανικής μήτρας με επιτυχία παρά την εγγενή ανομοιογένεια και ανισοτροπία που παρουσιάζουν. Ωστόσο πάντα παραμένει ισχυρή η ζήτηση για μεθόδους που θα βοηθήσουν προς την κατεύθυνση της αύξησης της αξιόπιστης χρήσης των υλικών αυτών μέσω της διαρκούς αποτίμησης και γνώσης της φέρουσας ικανότητάς τους. Η συσσώρευση της βλάβης σε σύνθετα υλικά οργανικής μήτρας που υπόκεινται σε μηχανική φόρτιση είναι ένα ζήτημα που έχει διερευνηθεί εκτενώς μέχρι σήμερα. Ωστόσο, η εισαγωγή ενίσχυσης (carbon nanotubes, CNT) στη μήτρα αλλάζει τους μηχανισμούς δημιουργίας και εξέλιξής της. Επίσης προστίθεται η δυνατότητα της μέτρησης μιας ιδιότητας που εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της εισαγωγής αυτής και η οποία είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο βασικός λοιπόν σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της χρήσης μη καταστροφικών ελέγχων κατά τη διάρκεια μηχανικών δοκιμών συσσώρευσης βλάβης στα υλικά αυτά, καθώς επίσης και η εισαγωγή της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης τους ως ικανής μεθόδου παρακολούθησης και ποσοτικοποίησης της βλάβης αυτής. Η διερεύνηση της επιβελτίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων λόγω της εισαγωγής των CNT στα υλικά αυτά μέσω της σύγκρισης με τις ιδιότητες που έχουν χωρίς την προσθήκη αυτή. Αναλυτικότερα οι στόχοι που επιδιώξαμε να πετύχουμε στα πλαίσια της διατριβής είναι οι ακόλουθοι: • Μελέτη της διεθνούς βιβλιογραφίας στα συγκεκριμένα θέματα. • Εκτέλεση ειδικά επιλεγμένων μηχανικών δοκιμών σε σύνθετα υλικά Glass/vinylester και Glass/vinylester με CNT (κυκλικά πειράματα φόρτισης – αποφόρτισης – επαναφόρτισης). • Χρήση εξελιγμένων μη καταστροφικών μεθόδων όπως η χρήση δεδομένων ταχύτητας διάδοσης υπερηχητικών ελαστικών κυμάτων (UT) και η ακουστική εκπομπή (AE) για την παρακολούθηση της βλάβης κατά τη διάρκεια των μηχανικών δοκιμών. • Διερεύνηση καταγραφών ηλεκτρικής αντίστασης ως δείκτη βλάβης του υλικού. • Δοκιμές θραυστομηχανικής συμπεριφοράς για την εκτίμηση της βελτίωσης των επιδόσεων του υλικού παρουσία των CNT. / Multi wall carbon nanotubes were used as an additive in the matrix of glass / vinylester composites, in order to improve their damage tolerance and provide a means for their damage assessment at any stage of their loading history. The improvement of the damage tolerance is expected to stem from the incorporation of an additional interfacial area that activates energy dissipation mechanisms such as interfacial sliding, fibre pull out and bridging as well as crack bifurcation and arrest; all these mechanisms are active at the nanoscale. The life monitoring is performed via the electrical resistance changes in the conductive carbon nanotube network within the composite matrix; this network follows any deformation of the composite providing real time strain monitoring and, at the same time, pinpoints all loci of failure through the local breach of the conductive path that lead to a monotonic increase in the overall resistance. The experimental findings verify both the increased damage tolerance of the doped composites and the reliable damage assessment of the composite at all stages of its loading history. Other Non - Destructive Techniques were utilized in order to detect and quantify the accumulating damage. Inverse scattering theory and phase velocity data were used in order to determine the elastic constants of the stifness matrix of the anisotropic material. Fracture toughness and fatigue life behaviour were investigated for both the material systems.

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η κατασκευή, η μοντελοποίηση και η μελέτη της φυσικής και μηχανικής συμπεριφοράς συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα. Πρώτος στόχος της εργασίας είναι η μελέτη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα. Για τη μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκαν μια σειρά διαφορετικών πειραμάτων προκειμένου να προκύψουν αξιόπιστα συμπεράσματα. Το πρώτο και βασικότερο πρόβλημα που μελετά η συγκεκριμένη εργασία είναι η κατασκευή νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα με τρόπους που συνδυάζεται το χαμηλό κόστος εξοπλισμού και η μικρή διάρκεια προετοιμασίας για την κατασκευή. Η κατασκευή των νανοσυνθέτων έγινε με δύο βασικές μεθόδους, με μηχανική ανάδευση και με χρήση υπερήχων. Το κύριο πρόβλημα που έπρεπε να ξεπερασθεί ήταν η ομογενής διασπορά μέσα στη ρητίνη καθώς η τάση που έχουν οι νανοσωλήνες να σχηματίζουν συσσωματώματα επιδρά αρνητικά. Από τη βιβλιογραφική και πειραματική μελέτη που έγινε προκύπτει πως ο χρόνος ανάμιξης, η μέθοδος ανάμιξης και η μεθοδολογία κατασκευής παίζουν καθοριστικό ρόλο στην επίτευξη καλής διασποράς των νανοσωλήνων μέσα στη ρητίνη. Εδώ πρέπει να σημειωθεί πως ο τύπος της ρητίνης και ο τύπος των νανοσωλήνων ανατρέπουν τη βέλτιστη μέθοδο. Για παράδειγμα στη μία ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε, βέλτιστος χρόνος ήταν τα 10 λεπτά ενώ στην άλλη ρητίνη, βέλτιστος χρόνος ήταν τα 20 λεπτά. Για το στατικό μηχανικό χαρακτηρισμό νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων. Για πληρότητα της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι εποξικών ρητινών. Και οι δύο τύποι ρητινών ενισχύθηκαν με νανοσωλήνες άνθρακα σε διάφορες περιεκτικότητες. Από τα συγκεκριμένα πειράματα προέκυψε ότι υπάρχει μία συγκεκριμένη περιεκτικότητα σε νανοσωλήνες στην οποία το νανοσύνθετο εμφανίζει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, για τον πρώτο τύπο εποξικής ρητίνης βρέθηκε πως το ποσοστό αυτό είναι το 0.3% κ.β. με ποσοστιαία αύξηση 10.6% και 2.6% σε μέτρο ελαστικότητας και αντοχής σε κάμψη. Σε ποσοστό 3% κ.β., η αύξηση στο μέτρο ελαστικότητας ήταν 14.03% αλλά η αντοχή του ήταν πολύ μικρή. Για το δεύτερο τύπο εποξικής ρητίνης βρέθηκε ότι το ποσοστό αυτό είναι το 0.2% κ.β., με ποσοστιαία αύξηση στο μέτρο ελαστικότητας σε κάμψη 22.8% και στην αντοχή σε κάμψη 29.4%. Για τον πειραματικό χαρακτηρισμό της βισκοελαστικής συμπεριφοράς (Long term testing) των υλικών που κατασκευάσθηκαν πραγματοποιήθηκαν πειράματα εφελκυστικού ερπυσμού-επανάταξης, ενώ για τον έλεγχο της βραχυπρόθεσμης βισκοελαστικής συμπεριφοράς πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων σε διαφορετικούς ρυθμούς παραμόρφωσης για τα οποία έγινε μοντελοποίηση με εφαρμογή των βισκοελαστικών προτύπων του στερεού των τεσσάρων και τριών παραμέτρων, αντίστοιχα. Εξίσου σημαντική ήταν και η μελέτη των υλικών σε μη ιδανικές συνθήκες, δηλαδή σε συνθήκες όπου μπορεί να βρεθούν τα υλικά αυτά όταν αποτελέσουν μέρος μιας πραγματικής μηχανολογικής κατασκευής. Για το σκοπό αυτό έγινε μελέτη της βλάβης που εμφανίζεται σε υλικά καθαρής ρητίνης αλλά και ενισχυμένης τόσο ύστερα από κυκλικό θερμικό σοκ όσο και μετά από απορρόφηση υγρασίας. Η μελέτη που έγινε χωρίζεται σε δύο μέρη, το πειραματικό και το θεωρητικό. Όσον αφορά το πειραματικό σκέλος έγινε μηχανικός χαρακτηρισμός των υλικών με στατικά πειράματα κάμψης τριών σημείων, ενώ όσον αφορά το θεωρητικό σκέλος έγινε εξήγηση των μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα με αποτέλεσμα την πρόκληση βλάβης. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν στην περίπτωση της θερμικής κόπωσης είναι ενθαρρυντικά. Συγκεκριμένα για το μέτρο ελαστικότητας σε περιεκτικότητα 0.2%, όπου έχει γίνει μια επιτυχημένη κατασκευή νανοσυνθέτου με αύξηση που ξεπερνάει το 22.5%, παρατηρείται ότι η σχετική αύξηση σε πέντε κύκλους θερμικής κόπωσης ξεπερνάει το 30% (30, 40, 50, 80 και 90) και μάλιστα φτάνει το 40.2% στους 80 κύκλους. Όσον αφορά την αντοχή, αντίστοιχα είναι τα συμπεράσματα. Φαίνεται πως τα νανοσύνθετα συνεχίζουν να υπερτερούν έναντι του παρθένου υλικού με πιο χαρακτηριστική περίπτωση την αύξηση που παρατηρείται στους 40 κύκλους θερμικής κόπωσης όπου φτάνει το 46.7%. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν μετά από απορρόφηση υγρασίας δεν είναι ενθαρρυντικά καθότι τόσο στο 0.2%κ.β. όσο και στο 0.3%κ.β. η σχετική μείωση των ιδιοτήτων είναι ιδιαίτερα υψηλή. Για το δυναμικό χαρακτηρισμό των υλικών έγιναν πειράματα δυναμικής θέρμο-μηχανικής ανάλυσης μέσω των οποίων προσδιορίσθηκε η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης Tg και η ικανότητα απόσβέσης των νανοσυνθέτων. Από τα πειράματα προέκυψε πως τα νανοσύνθετα έχουν Tg μεγαλύτερη από αυτή του μητρικού υλικού και συγκεκριμένα 126°C έναντι 101°C. Επίσης, η ικανότητα απόσβεσης των νανοσυνθέτων φαίνεται να είναι αισθητά μικρότερη. Τα πειραματικά αποτελέσματα ενισχύθηκαν με θεωρητική μελέτη. Για το σκοπό αυτό έγινε εφαρμογή αναλυτικών μοντέλων και αριθμητική ανάλυση με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων. Το πρώτο μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε ήταν το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης που έχει αναπτυχθεί από τον καθηγητή Γ. Παπανικολάου και την ερευνητική του ομάδα. Το μοντέλο αυτό εισάγει την έννοια του συντελεστή πρόσφυσης και της ενδιάμεσης φάσης, ως μίας φάσης που ξεκινά αμέσως μετά τη διεπιφάνεια ίνας-μήτρας και καταλήγει στη μήτρα. Κατά το πάχος της ενδιάμεσης φάσης οι ελαστικές ιδιότητες. Η ενδιάμεση φάση συμπεριφέρεται βισκοελαστικά με αποτέλεσμα το πάχος της να μεταβάλλεται με το χρόνο. Η υβριδική ενδιάμεση φάση είναι πολύ σημαντική και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό από τους μηχανικούς. Η άποψη αυτή ενισχύεται από την παρατήρηση που γίνεται στη συγκεκριμένη εργασία, ότι, δηλαδή, μπορεί να προκύψει ένα σύνθετο υλικό με πλήρως τροποποιημένη μήτρα. Στην περίπτωση αυτή, το σύνθετο σε μικροσκοπική κλίμακα εμφανίζει ιδιότητες ίνας και ιδιότητες ενδιάμεσης φάσης, αλλά όχι μήτρας. Τα μοντέλα, τόσο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης όσο και της βισκοελαστικής ενδιάμεσης φάσης χρησιμοποιήθηκαν στη μοντελοποίηση που έγινε με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων. Συγκεκριμένα, έγινε μοντελοποίηση ενός αντιπροσωπευτικού στοιχείου όγκου που συνδέει τις μακροσκοπικές με τις μικροσκοπικές ιδιότητες και στη συνέχεια μελετήθηκε η εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αναλυτικά μοντέλα που μελετούν τη διεπιφάνεια. / Nanocomposites constitute a very special category of composite materials. Only a small amount of nano-inclusions is enough to achieve unique mechanical, electrical and other properties. Carbon nanotubes have gain the scientists’ interest the last ten years due their becoming a material with many prospects. After an extended research by Iijima, S. in 1991, carbon nanotubes became a new attractive material to Nanotechnology. Thorough investigations in polymer matrix composites reinforced with carbon nanotubes are being developed in an effort to explain their properties. The aim of the present master thesis is multiple. The first step was the experimental procedure which started with the static mechanical characterization of epoxy polymer matrices reinforced with Multi Walled Carbon Nanotubes in order to define the factors that, mainly, come up during the mixing process and contribute to the final mechanical properties, namely the bending modulus and the strength. High speed shearing and ultrasonication were the two main manufacturing techniques that were applied in order to disperse the nanotubes in different volume fractions. Neat epoxy and MWCNT’s-reinforced epoxy specimens were also tested with Dynamic Thermo Mechanical Analysis bending experiments, by which the glass transition temperature, Tg, and the damping response were defined. Furthermore, three point bending tests in different strain rates and creep-recovery tests were executed for the definition of the short-term and long-term viscoelastic response, respectively. Finally, the damage that occurs after thermal shock cycling and water absorption was examined thoroughly. More specifically, the elastic properties degradation, due to damage, of the neat epoxy and of the nanocomposites was compared. Next, using the hybrid interphase concept and the viscoelastic intrphase, a theoretical investigation of the fiber-matrix interphase region was executed in an effort to compute both analytically and numerically its effect on the interfacial stress and strain fields developed in the area close to CNT’s. Analytical models that give the distribution of the normal and shear stresses were applied and the results were compared with the numerical analysis. The Finite Element Method was used for the numerical analysis. Many simplifying assumptions were necessary for both analytical and numerical technique. Experimental findings combined with analytical and numerical results gave a better understanding on the structural and mechanical performance of epoxy resin-carbon nanotubes composites. The static mechanical characterization that is being presented shows that we can achieve better mechanical properties by using a quit simple and low cost mixing process, but it needs much better techniques to achieve high performance materials. Glass transition temperature, Tg, of the nanocomposite is clearly higher from that of the neat epoxy. On the other hand, the damping of the nanocomposite is much lower, especially in higher temperatures. Finally, the nanocomposites seem to have much better response after cyclic thermal shock in contrast with the effect of water absorption, that seem to degrade the properties. The theoretical investigation showed that the third phase formatted around the inclusion is responsible for the stress and strain field developed in the area close to the nanotube. The interphase is not simply a geometrical concept but it mainly a property dependent concept, the thickness of which vary in compliance with the adhesion coefficient and time. Nanocomposites are materials that need further investigation in order to achieve things that the human brain could never imagine a few decades before.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η μελέτη μιγμάτων αλειφατικών/αρωματικών πολυεστέρων. Αρχικά υπήρχε η πρόθεση να επικεντρωθούμε στη μελέτη της βιοαποικοδόμησης μίγματος ενός αλειφατικού και ενός αρωματικού πολυεστέρα. Για τη διερεύνηση όμως της αναμειξιμότητάς τους εστιάσαμε στην έμμεση μελέτη του μοριακού προσανατολισμού μονοαξονικά εφελκυσμένων μιγμάτων αλειφατικών/αρωματικών πολυεστέρων, με τη χρήση πολωμένων φασμάτων δόνησης. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκε η σύγχρονη παρουσία σ’ ένα μόνο πολωμένο φάσμα Raman της μη-συμβατικής συμπεριφοράς της δόνησης τάσης της χαρακτηριστικής ομάδας του καρβονυλίου (C=O) των αρωματικών πολυεστέρων με την αντίστοιχη συμβατική συμπεριφορά της ίδιας ομάδας των αλειφατικών πολυεστέρων. Μετά από πολλές προσπάθειες διαφόρων παρεμφερών μιγμάτων στα οποία παρουσιάστηκαν διάφορα προβλήματα, κυρίως αναμειξιμότητας, καταλήξαμε στο μίγμα του βιοαποικοδομήσιμου αλειφατικού πολυεστέρα L-PLA με τον αρωματικό πολυεστέρα PBT. Παρασκευάστηκαν φιλμ των ομοπολυμερών L-PLA και PBT καθώς και του μίγματος L-PLA/PBT, με ανάμιξη των συστατικών σε τήγμα και στη συνέχεια μορφοποίησή τους σε υδραυλική θερμοπρέσα. Για τον προσδιορισμό των θερμικών ιδιοτήτων των υλικών χρησιμοποιήθηκε η τεχνική Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC). Δοκίμια των ομοπολυμερών και του μίγματος εφελκύστηκαν μονοαξονικά σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από τη μετάβαση υάλου τους και ο προσανατολισμός τους εκτιμήθηκε με τη χρήση πολωμένων φασμάτων Raman. Σε κάθε περίπτωση, επειδή παρά τις πολλές προσπάθειες δεν ήταν δυνατό κυρίως και πάλι λόγω προβλημάτων αναμειξιμότητας να συνεχιστεί μια τέτοια μελέτη και στο επίπεδο της βιοαποικοδόμησης ενός αλειφατικού και ενός αρωματικού πολυεστέρα, αποφασίσαμε να συνεχίσουμε με ένα αναμείξιμο σε κάθε αναλογία μίγμα, ενός βιοαποικοδομήσιμου και ενός μη-αποικοδομίσιμου πολυμερούς. Το μίγμα αυτό των πολυμερών ήταν το PCL/PVC με το οποίο και συνεχίστηκε και ολοκληρώθηκε η παρούσα διατριβή εξειδίκευσης. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στη μελέτη μιγμάτων PCL/PVC διαφόρων συστάσεων, δύο πολυμερών τα οποία είναι αναμίξιμα σε όλο το εύρος των αναλογιών τους. Το ομοπολυμερές του αλειφατικού πολυεστέρα PCL και τα μίγματα που προέκυψαν μελετήθηκαν ως προς τις θερμικές τους ιδιότητες και χαρακτηρίστηκαν φασματικά με Raman. Επιπλέον, επιχειρήθηκε η μελέτη της βιοαποικοδόμησης τόσο της PCL όσο και των μιγμάτων της με PVC, μετά από εμβάπτιση σε φυσιολογικό ορό για χρονικό διάστημα άνω των 3 μηνών. Για τον προσδιορισμό των θερμικών ιδιοτήτων των μιγμάτων PCL/PVC και του ομοπολυμερούς PCL χρησιμοποιήθηκε η τεχνική DSC, στη συνέχεια χαρακτηρίστηκαν με τη δονητική φασματοσκοπία Raman ενώ ακολούθησαν πειράματα Χρωματογραφίας Διαπιδύσεως μέσω Πηκτής (GPC) και Δυναμικής Σκέδασης Φωτός (DLS) ώστε να προσδιοριστεί η βιοαποικοδόμηση των υλικών. Η βιοποικοδόμηση των PCL/PVC και κατ’ επέκταση της PCL μελετήθηκε υπό διαφορετικές συνθήκες (θερμοκρασίας, χρόνου, συγκέντρωσης) και σε διαφορετικό βαθμό. / The aim of this dissertation was the study of aliphatic/aromatic copolyesters. At the beginning, the main purpose was to investigate the biodegradation behavior of an aliphatic/aromatic polyester blend. In order to examine the miscibility of the two polymers comprising the blend we have studied the molecular orientation of melt blends utilizing polarized vibrational spectroscopy. After plenty of essays on resembling blends and due to the problems that we have faced (mainly miscibility problems) we decided to study the polymer blend of the biodegradable aliphatic polyester Poly(L-lactic acid) (L-PLA) and the aromatic polyester Poly(butylene terephthalate) (PBT). In particular, the interest centered to the peculiar and unexpected behavior of the C=O stretching carbonyl Raman band of the aromatic polyesters (in case PBT) comparing to the corresponding conventional behavior of the aliphatic polyesters, (in case L-PLA). L-PLA/PBT blends were prepared through reaction extrusion (melt mixing). Films prepared by melt pressing have been uniaxially hot drawn. Polarized laser Raman spectroscopy has been used to estimate the molecular orientation of drawn films of L-PLA and PBT homopolymers and L-PLA/PBT polymer blends. The crystallization behavior of the samples was investigated by using a differential scanning calorimeter (DSC). Finally, the polymers L-PLA and PBT have found to be partially miscible so we took the decision of studying another totally miscible blend consisted of PCL and PVC, a mixture of an aliphatic biodegradable polyester and a non-biodegradable thermoplastic polymer. Blends of PCL and PVC are under development with various potential applications in view, including controlled delivery of agrichemicals, and it is important to investigate their biodegradation behavior. The thermal properties of the homopolymer PCL and PVC blends were investigated under nitrogen by using DSC. Samples of the homopolymer PCL and PCL/PVC blends were placed in glass bottles with serum for more than 3 months. Raman Spectroscopy, Gel Permeation Chromatography and Dynamic Light Scattering have been used to estimate the biodegradation of the samples.

En microélectronique, les techniques actuelles de fabrication des supercondensateurs requièrent le développement de motifs nanostructurés de surface spécifique élevée. Nous nous intéressons à une alternative émergeante aux techniques classiques ‘top-down’ de fabrication des masques de gravure : les mélanges d’homopolymères. En effet, deux polymères avec des chimies différentes sous forme de films minces peuvent conduire à une séparation de phase avec des domaines cylindriques de taille sub-micrométrique. Une gravure cryogénique au travers de ces masques produit une nanostructuration avec une importante surface spécifique. Les travaux de cette thèse ont porté sur la réalisation des films minces et sur la compréhension des mécanismes d’obtention de la morphologie finale. Une étude a été menée sur les solvants de dépôt et d’exposition pour déterminer leur influence sur les morphologies. Les paramètres influençant la taille des motifs sont ensuite étudiés. Des domaines de moins de 100 nm ont été obtenus. Finalement, l’étude d’une méthode alternative de dépôt par dip-coating a permis l’obtention d’une grande variété de morphologies en une seule étape et pour une même solution. Ces travaux se sont ensuite orientés sur la réalisation des motifs en gravant par plasma le silicium au travers de ces masques. Deux procédés ont été retenus, adaptés et optimisés afin de réaliser des gravures profondes sans défaut. Le procédé STiGer aniso permet de les obtenir et ce, avec la meilleure répétabilité. Un autre axe, portant sur l’optimisation de la sélectivité en modifiant la nature du masque, a été développé. Une sélectivité de 70 : 1 est obtenue pour un masque de poly(styrène) marqué au Ru. / In microelectronics, current techniques for supercapacitors manufacturing requires the development of nanostructured patterns with high specific surface. We are interested in an emerging alternative approach to conventional 'top-down' fabrication techniques based on blends of homopolymers. Indeed, two polymers with different chemistries in thin films can lead to phase separation with cylindrical domains of sub-micrometer size. A cryogenic plasma through these masks can produce nanostructuration with a high specific surface. The work of this thesis focused on the realization of thin films and on the understanding of the mechanisms to obtain the final morphology. A study on solvent deposition and exposure was led to determine their influence on the morphologies. The parameters influencing the size of the domains are then studied. Domains of less than 100 nm were obtained. Finally, the study of an alternative method of deposition by dip-coating enabled to obtain a variety of morphologies in one step and for the same solution. This work was then directed towards the realization of structured surfaces by plasma etching of the silicon through this masks. Two methods were used, adapted and optimized to achieve deep etched without default. The process StiGer aniso allows to obtain this and with better repeatability. Another axis is developed. It is focused on the optimization of the selectivity by modifying the nature of the mask. We succeed in obtaining a selectivity of 70: 1 with a mask of poly(styrene) stained by Ru.

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l’ensemble des pathologies identifiées en France chaque année. Ces maladies inflammatoires et dégénératives des articulations sont pour la plupart consécutives au vieillissement ou à un traumatisme et évoluent vers l’usure des cartilages, d’où un handicap sévère. Comme aucun traitement ne permet la réparation totale du tissu cartilagineux, la recherche médicale développe des techniques d’ingénierie tissulaire. Ces techniques utilisent des substrats polymériques et des cellules souches qui sont « contraints » de se développer pour former du tissu cartilagineux. Cependant, ces techniques ne peuvent pas encore être utilisées à l’échelle d’une articulation complète car il n’est pas possible de reproduire ex vivo à grande échelle la structure et les propriétés mécaniques et physicochimiques du cartilage articulaire. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse ont permis de développer des matériaux polymères capables d’être implantés à l’échelle macroscopique dans les articulations pathologiques afin de combler l’usure des cartilages. Pour se faire, de nouveaux biomatériaux - hydrogels p(HEMA) - ont été obtenus en contrôlant le caractère hydrophile des hydrogels p(HEMA) au cours de leur synthèse chimique en présence de différents co-monomères (acide acrylique, acrylamide, acrylate d'éthylène et acrylate de butyle). Partant de là, les propriétés physicochimiques, mécaniques et tribologiques de ces nouveaux hydrogels ont été optimisées afin d’obtenir des propriétés similaires à celles du cartilage articulaire sain. Ensuite, la libération contrôlée de médicaments par ces hydrogels a été étudiée afin de minimiser les risques inflammatoires lors de leur utilisation en ingénierie tissulaire du cartilage articulaire. / Osteoarticular diseases re present approximately 10% of all diseases identified in France each year. These inflammatory and degenerative joint disease are mostly consecutive with age or injuries and the wear progress of cartilage, resulting in severe disability. Because no treatment will total repair the cartilage tissue, medical research is developing techniques based on tissue engineering. These techniques use polymer substrates and stem cells that are "forced" to develop into cartilage tissue. However, these techniques cannot be used across a run articulation because Il is not possible-to replicate ex vivo a large-scale structure and the physicochemical and mechanical properties of articular cartilage. In this context, the purpose of this thesis is to develop polymer materials that can be implanted at the macroscopic level in the joints disease that will fill the wear of the cartilage. To do so, new biomaterials - hydrogels p (HEMA)- were obtained by controlling the hydrophilic nature of hydrogels p (HEMA) during their chemical synthesis in the presence of various co-monomers (acrylic acid, acrylamide, acrylate ethylene and butyl acrylate). From there, physicochemical, mechanical and tribological properties of these novel hydrogels have been optimized to obtain similar properties to those of healthy articular cartilage. Then, the controlled release of drugs from these hydrogels was studied to minimize inflammatory when used in tissue engineering of articular cartilage.

La fabrication additive est l’un des secteurs industriels les plus en développent ces dernières années. L’une de ces technologies de fabrication les plus prometteuses est la fusion laser sélective (SLS), et relève d’un intérêt croissant aussi bien industriel qu’académique. Néanmoins, beaucoup de phénomène mis en jeu par ce procédé demeure non encore bien compris, entravant ainsi son développement pour la production de pièces de bonne qualité pour des applications industrielles. L’objectif de cette thèse est de développer un cadre de simulation numérique permettant la simulation du procédé SLS pour des poudres de polymère afin de comprendre les multiples et complexes phénomènes physiques qui se produise lors du frittage laser et d’étudier l’influence des paramètres du procédé sur la qualité du produit final. Contrairement aux approches classiques de modélisation numérique, basées sur la définition de matériaux homogène équivalents pour la résolution des équations de bilan, nous proposons une simulation globale du procédé du frittage laser de poudres, en utilisant la méthode des Eléments Discrets (DEM). Cela consiste en un couplage entre quatre sous-modèles : transferts radiatif dans le milieu granulaire semi-transparent, conduction thermique dans les milieux discrets, coalescence puis densification. Le modèle de transferts par rayonnement concerne l’interaction du faisceau laser avec le lit de poudre. Plusieurs phénomènes sont ainsi pris en compte, notamment la réflexion, la transmission, l’absorption et la réfraction. De plus, une méthode de Monte-Carlo couplée à la méthode du Lancer de rayons est développée afin d’étudier l’influence de la réfraction sur la distribution de l’énergie du laser dans le lit de poudre. Le modèle de conduction dans des milieux discrets décrit la diffusion thermique inter-particules. Finalement, le modèle de frittage décrit les cinétiques de coalescence et de diffusion de l’air dans le polymère et densification du milieu. Cela permet de décrire les cinétiques de fusion des grains, dont l’énergie de surface et la diffusons de l’air sont les deux moteurs principaux. Le couplage entre les différents modèles nous a permis de proposer un modèle numérique global, validé grâce à des comparaisons à des résultats de simulations théoriques et expérimentales, trouvés dans la littérature. Une analyse paramétrique est alors proposée pour la validation du modèle et l’étude du procédé. L’influence de différents paramètres aussi bien du procédé que du matériau sur le champ de température, la densité relative du matériau sa structure, etc , est ainsi investiguée. Les résultats montrent une bonne précision dans la modélisation des différents phénomènes complexes inhérents à ce procédé, et ce travail constitue un potentiel réel pour la modélisation et l’optimisation des procédés de fabrication additive par matériaux granulaires. / Many industrial and academic interests concerning the additive manufacturing processes are developed in the last decades. As one of the most promising technique of additive manufacturing, the Selective Laser Sintering (SLS) has been valued by both industry and academic. However, it remains that several phenomena are still not well understood in order to properly model the process and propose quality improvement of parts made. The goal of this Ph.D. project is to develop a framework of numerical simulation in order to model the SLS process in polymer powder bed, meanwhile understanding multiple physical phenomena occurring during the process and studying the influence of process parameters on the quality of final product. In contrast to traditional approach, based on the equivalent homogeneous material in numerical modeling of partial differential equations derived from conservation laws, we propose a global model to simulate powder-based additive manufacturing by using the Discrete Element method (DEM). It consists in a coupling between four different physical models: radiative heat transfer, discrete heat conduction, sintering and granular dynamics models. Firstly, the submodel of radiative heat transfer concerns the interaction between the laser beam and powder bed. Several phenomena are considered, including the reflection, transmission, absorption and scattering. Besides, a modified Monte Carlo ray-tracing method is developed in order to study the influence of scattering on the distribution of the deposited laser energy inside the powder bed Furthermore, the submodel of discrete heat conduction describes the inter-particles heat diffusion. Moreover, the sintering submodel concerns the phenomena of coalescence and air diffusion. It describes the melting kinetics of grains, driven by surface tension and the release of entrapped gases inside powder bed. Finally, the granular dynamics submodel concerns the motions and contacts between particles when depositing a new layer of powders. The coupling between these submodels leads to propose a global numerical framework, validated by comparing the results to both simulated and experimental ones from literatures. A parametric study is then proposed for model validation and process analysis. The Influence of different material and process parameters on the evolution of temperature, relative density and materials structure and characteristics are investigated. The results exhibit accurate modeling of the complex phenomena occurring during the SLS process, and the work constitute a great potential in modeling and optimization of additive processes.

Le développement des lubrifiants est un véritable levier pour les constructeurs automobiles et les pétroliers pour minimiser les pertes d'énergie dues aux frottements dans les moteurs. La viscosité est le principal paramètre sur lequel les formulateurs peuvent jouer pour abaisser les frottements. Cette thèse porte sur l'étude du rôle et des actions des additifs améliorants de viscosité (AVI) dans les lubrifiants moteur. L'objectif de cette thèse est de corréler l'étude portée à l'échelle moléculaire aux propriétés macroscopiques ainsi qu'aux performances des lubrifiants moteur pour pouvoir orienter les formulateurs vers une ou des molécules cibles qui permettront de répondre le mieux possible à ces problématiques. Ce travail est consacré à des poly-diène-styrène hydrogénés (P-diène-SH) et des copolymères éthylène propylène (EPC). Dans un premier temps, des études structurales des polymères AVI et rhéologiques des solutions ont permis de mettre en évidence l'influence des différentes chimies et structures des polymères sur leurs propriétés rhéologiques. Cette étude a porté sur une large gamme de températures (-20 à +135°C), taux de cisaillement (0 à 107s-1) et concentrations permettant de caractériser la configuration des polymères dans des conditions correspondant à l’application. Dans un second temps, ces propriétés rhéologiques ont été corrélées avec les coefficients de frottement et les épaisseurs de film centrales dans un contact de type sphère/plan en tribologie.Enfin, la capacité des chaînes de ces polymères à se rompre sous la contrainte d’un fort taux de cisaillement en écoulement pulsé ou continu a été étudiée et reliée à la configuration des polymères AVI en solution ainsi que leurs structures. L’ensemble de ces données a été utilisé pour proposer une structure chimique et une architecture présentant des propriétés AVI, une bonne résistance mécanique et un comportement tribologique satisfaisant. / The development of lubricants is a real challenge for the automotive and the petroleum industries to reduce the energy losses in engines due to frictions. The viscosity is the main parameter that the lubricant formulators can vary to reduce the frictions. This PhD deals with the role and mode of actions of viscosity modifier polymers (VM polymers) in lubricants.The purpose of this PhD is to correlate the study at the molecular scale with the macroscopic properties and the lubricant performances in order to orient the formulators towards one or several target molecules which could present the best properties.This work consisted in characterizing hydrogenated Poly-diene-styrene (P-diene-SH) and ethylene-propylene-copolymers (EPC).First, studies on the structure of VM polymers and on rheological properties of the solutions have shown the influence of the different chemical structures and polymer architectures on their rheological properties. This study was carried out on a large scale of temperatures (-20 à +135°C), shear rates (0 à 107s-1) and concentrations leading to characterizations under conditions corresponding to practical conditions.Secondly, these rheological properties were correlated with frictions coefficients and the film thickness in a sphere/plate contact in tribology.Finally, the ability of the polymer chains to break when a high shear rate was applied in a continuous or pulsed flow was studied and related to the chains configurations of the VM polymer and their structure.All these data were further used to propose a chemical structure and a polymer architecture leading to viscosity improved properties, a good resistance to degradation and a satisfactory behavior in tribology.