Cette thèse est dédiée à l'étude des membranes verticales d'Alumine Anodique Poreuse (AAP) et leur application pour l'organisation nanométrique et la fabrication de composants. L'objectif principal a été de développer une méthode d'anodisation d'Al permettant une fabrication réproductible des AAPs qui rend possible la réalisation des nano-structures poreuses complexes et l'organisation de nano-matériaux. La fabrication des AAPs, et donc l'anodisation, a été étudiée profondément à partir de différents substrats sur lesquels une couche d'Al a été déposée au départ. Nous avons pu contrôler précisément la vitesse de fabrication d'AAP. Des AAPs ont été fabriquées utilisant de très forts acides à basse température, ce qui a permis à réaliser des diamètres de pores d'environ 4.2 nm et des densités de pores jusqu'à 7.2*1011cm-². En plus, une méthode unique a été développée pour le traitement de la couche barrière au fond des pores appliquant une décroissance exponentielle de la tension d'anodisation. Cela permet le contrôle et la variation de l'épaisseur de la couche barrière et, en même temps, le contrôle de l'uniformité et de la distribution de cette épaisseur. En se basant sur les résultats fondamentaux concernant la fabrication des AAPs, nous avons pu établir une technique d'électrodéposition dans des AAPs qui permet le dépôt de particules de Ni d'une taille variable (d'environ 10 nm à 2.5 μm) à différentes densités souhaitées dans une gamme de 2.3 109 cm-2 to 7.1 x 1010 cm-2 dans des AAPs avec un diamètre de pores de 40 nm. La croissance des NTCs a été étudiée dans des AAPs aussi bien que sur des surfaces structurées par des AAPs. La variabilité de la densité des particules de catalyseur implique la possibilité de la variation de la densité des NTC. Cela nous a permis la réalisation des échantillons d'émission de champ à partir des NTCs, avec lesquelles on a pu obtenir une émission de champ de 1 mA/cm². Qui plus est, nous avons démontré la faisabilité d'une structure multi-couche poreuse à partir d'une gravure anisotrope utilisant des AAPs comme masque de gravure. Cela pourrait permettre d'envisager de nouveaux composants

Dans le contexte général lié aux économies d'énergie, l'amélioration sensible du rendement des turbines à gaz (aéronautiques ou terrestres), nécessitera d'augmenter notablement la température des gaz de combustion. Cela implique l'emploi de matériaux stables au-delà de 1 500°C. Les céramiques eutectiques préparées par solidification dirigée, à partir des systèmes Al2O3 - Ln2O3 (où Ln représente un élément lanthanide ou l'yttrium) sont une solution envisageable. En effet, leur microstructure, constituée d'un réseau interpénétré 3D de deux phases monocristallines, et exempte de pores, de colonies et de joints de grains, confère à ces systèmes eutectiques des propriétés mécaniques d'un bon niveau, et quasi-constantes jusqu'à des températures proches de leur température eutectique (> 1 700°C). Nos travaux ont consisté à élaborer plusieurs systèmes eutectiques binaires et ternaires, par ajout d'une phase ZrO2 renforçante. Les six systèmes présentant les microstructures les plus prometteuses (3 binaires : Al2O3 - Y3Al5O12, Al2O3 - Er3Al5O12, Al2O3 - GdAlO3, et 3 ternaires : Al2O3 - Y3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - Er3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - GdAlO3 - ZrO2) ont été retenus pour étudier certaines de leurs propriétés mécaniques. Plusieurs modes de fissuration, allant dans le sens de l'augmentation de ténacité détectée dans ces systèmes, ont été décelés après des essais de flexion biaxiale. Ces modes de fissuration ont été corrélés aux caractéristiques microstructurales et à la distribution des contraintes résiduelles, déterminées par le calcul et mesurées par une méthode piézo-spectroscopique. Enfin, l'étude du comportement en fluage à haute température a permis de mettre en évidence une évolution des mécanismes de déformation en fonction des conditions de sollicitation. L'étude MET post mortem a également souligné l'influence marquée du caractère interconnecté de la microstructure sur le comportement en fluage.

Le frittage micro-ondes est connu pour être une technique de frittage prometteuse. En effet, ce procédé présente comme avantages une réduction de la durée des traitements thermiques et un gain énergétique important par rapport aux procédés conventionnels. D'année en année, le frittage dans un environnement micro-ondes est étudié par un nombre croissant de chercheurs. Cependant, les raisons de l'effet bénéfique de ce type de frittage ne sont pas clairement identifiées.Dans ce contexte, l'objectif de ce travail a été de vérifier l'influence d'un champ électromagnétique à la fréquence de 2,45 GHz sur la densification de matériaux céramiques. Cet objectif passe donc par une étude comparative du frittage dans une enceinte micro-ondes et dans un four conventionnel. Cependant, la présence du champ électromagnétique dans un four micro-ondes ne permet pas l'utilisation des méthodes conventionnelles pour suivre le frittage. Ainsi, pour comparer les résultats, un dispositif expérimental original contenant un dilatomètre sans contact de haute résolution a été spécifiquement développé. Ce dispositif, permet aussi un suivi de la distribution de température à la surface de la pièce.Pour des cycles thermiques identiques, obtenus en frittage conventionnel et par micro-ondes, l'évolution de la densification de matériaux aux propriétés différentes a été comparée. Ces matériaux sont : l'alumine pure et dopée par 800ppm d'oxyde de magnésium, l'oxyde de zinc et l'hydroxyapatite silicatée. Pour chacun de ces matériaux, le couplage avec les micro-ondes et la répartition du chauffage à la surface de l'échantillon sont aussi discutés. Un effet bénéfique des micro-ondes sur l'évolution de la densification a été mis en évidence pour l'alumine avec ajout de MgO et de manière plus prononcée pour l'oxyde de zinc.

Depuis de nombreuses années, les conditions d'agrégations de colloïdes chargés en suspension sont étudiées dans le but de contrôler la structure des agrégats [KIM 2003] ou encore la porosité [SNO 2005] des matériaux séchés. Durant cette thèse, nous nous sommes focalisés sur la compréhension des mécanismes de formation et de croissance d'hétéroagrégats composés de nanoparticules d'oxydes de différentes natures. Après validation de la preuve de concept d'hétéroagrégation à partir de sphères de silice amorphe sur des bâtonnets de goethite, notre étude s'est portée sur des systèmes entièrement cristallins afin de montrer le rôle des faces cristallographiques émergeantes des particules utilisées dans le mécanisme d'hétéroagrégation. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés aux propriétés générées par l'hétéroagrégation des particules d'oxydes. Quatre familles de particules modèles, des particules isotropes de brookite (TiO2) et de silice (SiO2), et des particules anisotropes de goethite (α-FeO(OH)) et de boehmite (γ-AlO(OH), ont été synthétisées et caractérisées en termes de taille, de morphologie et de charge de surface. Pour générer l'hétéroagrégation, nous avons développé et adapté à chaque système une méthodologie de mise en contact des particules et de suivi in situ par Diffusion Quasi Elastique de la Lumière (DQEL) et granulométrie laser. Nous avons identifié des conditions de pH qui favorisent l'hétéroagrégation au détriment de l'homoagrégation des particules. Dans ce cas, le mécanisme d'agrégation et de croissance des agrégats se fait par pontage des deux types de particules. L'ajustement des proportions relatives de chacune permet de contrôler la taille et la structure des hétéroagrégats. La réversibilité du procédé est limitée notamment par le temps de vieillissement des agrégats en solution du fait d'une évolution de la nature des interactions à l'interface des deux oxydes mais aussi par une taille critique de l'agrégat. Les hétéroagrégats présentent une porosité spécifique très différente des poudres homoparticulaires dont le diamètre des pores peut être contrôlé par la taille et le nombre des particules recouvrantes. Enfin, pour les systèmes mixtes silice-alumine hétéroagrégés, nous avons mis en évidence la possibilité de générer des sites acides aux interfaces en relation avec l'activité catalytique des hétéroagrégats au test d'isomérisation du m-xylène.

Suite à une proposition du programme européen BRITE-EURAM II, le contrat " Gas Sensors and Associated Signal Processing for Automotive Applications ", appelé aussi ECONOX, et établi avec différents partenaires scientifiques et industriels, a permis à l'équipe " Chimie-Physique des Semi-Conducteurs " du centre " Sciences des Processus Industriels et Naturels " de l'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne de valoriser un long travail déjà effectué sur des capteurs à gaz et de financer d'autres recherches afin " d'industrialiser " un certain type de capteur dit à " alumine β ". Le laboratoire travaille, en effet, depuis quelques années déjà, au développement de ce nouveau type de capteur constitué par un mélange d'alumine β/ β'' dopé ou non avec du verre. Ce capteur, de type potentiométrique, fournit une tension électrique lorsqu'il est en présence de monoxyde de carbone ou bien encore de gaz susceptibles de se combiner aux contacts des deux électrodes d'or et de platine. Eliette Fascetta a travaillé sur ce type de capteur en utilisant d'abord le dioxyde de soufre puis le monoxyde de carbone. Nous savons, grâce aux travaux déjà effectués, que la réponse électrique est fonction de la température à laquelle est porté le capteur, de la concentration des gaz injectés, ainsi que de leur nature.

Dans les procédés industriels mettant en œuvre des systèmes solide liquide, le contrôle du processus d'agglomération des particules est fondamental compte tenu de son influence déterminante sur l'évolution de la distribution granulométrique des produits finaux. Ce travail a pour objectif l'étude du processus d'agglomération de suspensions d'alumine, agitées, peu concentrées en s'intéressant tout particulièrement aux aspects physico-chimiques et hydrodynamiques. La principale technique expérimentale utilisée est la turbidimétrie spectrale, méthode optique qui permet de suivre in-situ, l'évolution dans le temps de l'ensemble de la distribution granulométrique d'une suspension. Nous avons ainsi pu identifier expérimentalement trois phénomènes responsables de cette évolution: l'agglomération, la sédimentation et la rupture des agglomérats formés et étudier l'influence des paramètres hydrodynamiques et physico-chimiques. Nous proposons alors une modélisation par l'intermédiaire du calcul d'un noyau d'agglomération original en régime turbulent qui tient compte des interactions hydrodynamiques et des forces d'interaction interparticulaires. Les résultats expérimentaux et ceux du modèle sont confrontés au moyen de simulations numériques de l'évolution dans le temps de la turbidité d'une suspension.

Cette étude a été consacrée à l'analyse du processus d'agglomération du sulfate de potassium et de l'alumine dans un milieu liquide turbulent. La turbidité constitue une technique tout à fait adaptée à la caractérisation de l'agglomération dont les effets sont ressentis essentiellement au niveau de la distribution granulométrique de la phase dispersée. Elle permet de quantifier et d'interpréter l'effet des différents paramètres qui interviennent au cours du développement du processus: - Paramètres hydrodynamiques : La cinétique d'agglomération est conditionnée par le mécanisme de rencontre des particules, lui-même dépendant des conditions hydrodynamiques; la morphologie des agglomérats peut témoigner de cette dépendance ; - Paramètres physico-chimiques : Lorsque les particules se rencontrent les interactions interviennent et assurent ou non la cohésion de l'amas formé. Il est nécessaire, enfin, de tenir compte de l'agglomération lorsque le comportement d'un système diphasique est influencé par l'évolution de la distribution granulométrique de la phase dispersé : C'est le cas dans la plupart des procédés de cristallisation.

Pour cette recherche, nous avons sélectionné plusieurs techniques qui permettent de suivre l'influence des ions Cr³⁺ en solution solide dans l'alumine alpha. La fluorescence optique s'avère être une technique de choix. Elle met en évidence des interactions entre plusieurs activateurs Cr³⁺ rapprochés. Leurs augmentations provoquées par des réarrangements différents permet d'interpréter la fissuration de certains rubis fortement dopes. L'influence du broyage sur l'intensité des signaux de triboémission est interprétée par la présence de deux phénomènes antagonistes. Cette approche permet de considérer la triboémission comme une émission exoeléctronique thermostimulée (E.E.T.S.), stimulée par broyage.

Les oxydes et hydroxydes d'aluminium sont des produits chimiques très répandus industriellement. La principale utilisation des alumines est la production de l'aluminium, mais elles sont également très employées dans l'industrie des abrasifs, des céramiques et des matériaux réfractaires. De même parmi les oxydes métalliques utilisés dans les processus catalytiques, l'alumine est l'un des plus employés. Elle peut être utilisée comme catalyseur intrinsèque, ou comme l'un des éléments d'un catalyseur multicomposant ou encore comme support d'un catalyseur métallique. En tant que support de catalyseur, une des applications de l'alumine est l'épuration des gaz d'échappement des véhicules automobiles rendue obligatoire depuis quelques années dans certains pays (1974 pour les U.S.A. et le Japon), et qui le deviendra également dans certains pays de la Communauté Européenne au cours des prochaines années (vers 1989 en Allemagne) Les normes ainsi imposées pour la composition des effluents gazeux rejetés par les moteurs et leur teneur en composés nocifs nécessitent de la part du catalyseur une bonne efficacité. D'autre part le support du catalyseur est caractérisé par la nature du produit, sa résistance mécanique, sa texture et sa stabilité. Toutes ces propriétés doivent être conservées dans les conditions d'utilisation. L'épuration des gaz d'échappement demande donc un système catalytique très performant, notamment pour les propriétés mécaniques et surtout pour la résistance à l'attrition. Et ces propriétés ne doivent pas être affectées aux hautes températures (1000 à 1100°C). A ces températures le support doit également rester neutre vis-à-vis des espèces catalytiques (métal ou oxyde) déposées à sa surface.

Les surfaces nanostructurées permettent d'obtenir des effets colorés gonio-apparents lorsque les nanostructures présentent des dimensions de l'ordre des longueurs d'onde du spectre visible. ces couleurs sont habituellement modélisées par le biais d'interactions de types "interférences" ou "cristaux photoniques" entre le rayonnement lumineux et une structure modèle. dans cette thèse, l'anodisation d'aluminium est utilisée comme méthode de structuration à l'échelle submicronique. cette technique présente l'avantage d'être mature industriellement et de permettre de structurer de grandes surfaces. des effets colorés sont observés même si les structures obtenues ne sont pas parfaitement ordonnées. le but de cette thèse est de comprendre les phénomènes optiques mis en jeu dans l'obtention de ces effets. ce manuscrit se divise donc en deux parties principales, toutes deux basées sur une étude de la littérature existante. afin d'établir un parallèle entre caractérisation expérimentale et simulation numérique, la première partie présente l'outil de caractérisation optique développé. la seconde est dédiée à l'étude des effets colorés de certaines surfaces d'aluminium anodisé. cette partie propose une compréhension des phénomènes d'interaction de la lumière avec la structure d'aluminium anodisé se basant sur les caractérisations optiques et microstructurales des échantillons, associées à une modélisation de l'interaction entre rayonnement et matière structurée. cette étude montre que les structures réelles présentent un ordre à courte distance. les effets colorés sont simulés par la méthode modale de fourier par le biais de structures modèles avec un certain niveau de désordre.