La formation du continent sud américain résulte d'une histoire complexe étalée sur plus de 3.5 Ga. Les processus qui ont façonné le continent ont impliqué l'intégralité de la lithosphère. La structure du manteau supérieur a été étudiée à l'échelle du continent en réalisant un modèle tomographique en ondes de surface, tandis qu'une étude du déphasage des ondes de cisaillement a permis d'appréhender la structure du manteau supérieur sous le sud-est du Brésil.<br /> La tomographie sismique anisotrope en ondes de surface donne une image de la structure en vitesse du manteau supérieur sous le continent et les océans environnants. Une bonne corrélation existe entre les grandes structures géologiques et les hétérogénéités de vitesse. L'anisotropie des ondes de Rayleigh suggère une absence de déformation à grande échelle au-delà de 200 km de profondeur, ce qui contraint verticalement la source de l'anisotropie mise en évidence au sud-est du Brésil. L'étude du déphasage des ondes de cisaillement y a révélé une orientation dominante du plan de polarisation de l'onde quasi-S rapide, parallèle aux chaînes péricratoniques. Un déphasage entre les ondes S rapide et lente supérieur à 2s a été mesuré à l'aplomb des décrochements majeurs. Une telle amplitude suggère que : 1) les décrochements traversent la lithosphère, 2) la lithosphère est caractérisée par une très forte anisotropie intrinsèque, 3) l'asthénosphère contribue au déphasage, par la présence de deux couches ou d'une fabrique tectonique cohérente entre lithosphère et asthénosphère, impliquant une absence de découplage depuis le Néoprotérozoïque.<br /> Une modélisation numérique tridimensionnelle de la déformation lithosphérique a permis d'étudier le couplage mécanique entre la croûte et le manteau supérieur, ainsi que la localisation de la déformation en termes de développement de zones de cisaillement.

Les méthodes d'acoustique non linéaire ont démontré une forte sensibilité à la présence de défauts de structure dans les matériaux solides et sont utilisées depuis peu pour le contrôle non destructif ou l'évaluation des matériaux endommagés.<br /><br />Dans ce travail de thèse, le fonctionnement de l'antenne paramétrique en émission dans les milieux granulaires non consolidés est étudié. L'antenne paramétrique, utilisée largement en acoustique sous-marine, met en jeu un effet d'acoustique non linéaire qui peut s'interpréter comme un phénomène d'auto-démodulation d'amplitude ou encore comme un phénomène de génération de fréquence différence. Ainsi, à partir de l'émission d'ondes intenses, composées de plusieurs hautes fréquences proches (de l'ordre de 100 kHz), des ondes de plus basses fréquences (1-10 kHz) sont générées par effet non linéaire dans le milieu de propagation. Les principaux intérêts de cette méthode sont i) la possible haute directivité du rayonnement de basse fréquence, utile pour sonder sélectivement les matériaux à tester, ii) la conversion de l'énergie émise vers des ondes de basses fréquences qui se propagent plus facilement dans les milieux fortement absorbants et / ou diffusants.<br /><br /><br />En premier lieu, plusieurs modèles d'antenne paramétrique sont développés afin de prendre en compte les phénomènes d'absorption, de diffusion, de dispersion de vitesse, ou encore le caractère évanescent des modes de propagation acoustique. Des expériences de propagation solidienne dans des assemblages désordonnés de billes de verre sont réalisées et interprétées. Ces expériences sont en accord qualitatif avec les prédictions théoriques.<br /><br />En second lieu, des ondes de cisaillement sont utilisées en émission pour l'antenne paramétrique, et permettent de générer, par auto-démodulation, des ondes longitudinales de basses fréquences. Ce phénomène de dilatance non linéaire est mis en évidence dans plusieurs configurations expérimentales. L'amplitude du signal démodulé en fonction de l'amplitude des ondes de cisaillement initialement émises est tout d'abord quadratique puis exhibe une transition vers une dépendance en puissance 3/2. Il est démontré que le phénomène de clappement, ouverture puis fermeture des contacts inter-billes sous l'action de l'onde acoustique, est responsable de cette transition. La localisation de cette transition permet de caractériser qualitativement la distribution des déformations statiques des contacts dans le milieu, notamment dans la région des contacts faibles.<br /><br />Enfin, le changement de la direction de polarisation des ondes de cisaillement permet de mettre en évidence une anisotropie du paramètre de non-linéarité quadratique du milieu, conséquence d'une anisotropie des chaînes de force, créées lorsqu'une contrainte statique uni-axiale est appliquée sur le milieu granulaire.

L'objectif de ces travaux de thèse est double. Il consiste, dans un premier temps, à étudier la microstructure des mousses de nickel ainsi que les mécanismes locaux de déformation et de rupture, puis, dans un second temps, à proposer une modélisation du comportement mécanique global en traction des mousses. Des essais mécaniques in-situ sous MEB ou en tomographie aux rayons X ont été réalisés. Ces essais montrent que les mécanismes de déformation en traction diffèrent de ceux observés en compression. La mousse se déforme en traction par réalignement et étirement des brins tandis qu'une flexion suivie d'un flambement des brins s'opèrent en compression. De plus, une forte localisation de la déformation dans les zones moins denses de la mousse est visualisée au cours d'un essai de compression. L'étude des mécanismes de rupture en traction fait aussi apparaître que la fissuration des mousses, majoritairement transgranulaire, intervient préférentiel-lement aux nœuds. Sa propagation s'effectue cellule par cellule et la zone endommagée possède une largeur d'environ cinq cellules. A partir des essais de tomographie aux rayons X, l'architecture initiale de la mousse ainsi que son évolution au cours du chargement ont été reconstruites. L'analyse de la morphologie tridimensionnelle de la mousse montre qu'un tiers des cellules est constitué de dodécahèdres et que 57% des faces des cellules sont pentagonales. L'influence du procédé de fabrication de la mousse est de deuxième importance par rapport à celui de la mousse précurseur en polyuréthanne. Les cellules sont allongées et orientées suivant la direction normale de la mousse. Cette anisotropie géométrique explique, au moyen d'un modèle analytique simple, l'anisotropie élastique observée en traction. La forme de la cellule la plus répandue a aussi été identifiée. Il s'agit d'un dodécahèdre, composé de deux quadrilatères, de huit pentagones et de deux hexagones. Pour modéliser le comportement mécanique des mousses en traction, deux voies ont été envisagées. La première consiste à décrire la mousse par un réseau de poutres se déformant uniquement par flexion. Le comportement uniaxial des mousses est alors simulé en fonction de la densité et de l'anisotropie géométrique. Le modèle montre que l'arrivée et la propagation du front plastique dans la poutre ne suffisent pas à expliquer la non linéarité du comportement macroscopique observée expérimentalement. A partir des lois de comportement des matériaux constitutifs des brins de la mousse, le modèle est aussi capable de prévoir le comportement uniaxial global de mousses multiphasées. L'application du modèle à deux phases au cas des mousses de nickel oxydées prouve que le comportement plus rigide des mousses oxydées peut être prédit en fonction de leur degré d'oxydation en tenant compte, toutefois, de la rupture de la couche d'oxyde. La deuxième approche, plus phénoménologique, met en œuvre une vision continue de la mousse. La mousse est alors assimilée à un milieu homogène équivalent. Des essais mécaniques, mesurant simultanément les déformations instantanées dans les trois directions principales de la mousse, ont été développés pour identifier les paramètres du modèle. Le modèle multiaxial est alors testé autour d'un trou macroscopique réalisé dans une plaque de mousse, puis validé par comparaison avec les champs de déformation issus d'essais photomécaniques. Ces essais photomécaniques mettent en exergue des hétérogé-néités de déformation non expliquées ainsi qu'un effet d'échelle dû à la taille critique d'un trou dans un milieu poreux. Le modèle classique, inapte à prévoir cet effet de taille, est alors étendu vers la mécanique des milieux continus généralisés. En introduisant une seule variable interne supplémentaire, le modèle micromorphe choisi est capable de rendre compte de l'effet d'échelle observé expérimentalement. De plus, ce modèle permet aussi de donner une bonne estimation de la largeur de la zone fissurée et de la ductilité des mousses en présence de fissures

Le sujet de cette thèse est l'étude des effets de taille finie sur les propriétés fondamentales de matériaux utilisés dans les dispositifs associés au stockage magnétique de l'information. Nous proposons l'approche multiniveaux comme alternative possible pour augmenter les densités de stockage des media planaires ou perpendiculaires, continus ou discrets. En fonctionnement, une couche doit être manipulée sans modifier l'état magnétique des autres couches. La première partie de ce mémoire est consacrée à l'étude des effets de taille finie sur les couplages magnétostatiques dans des systèmes composés de deux couches ferromagnétiques à base de cobalt/platine à anisotropie perpendiculaire, séparées par un métal non-magnétique. Pour des états désaimantés, nous avons mis en évidence la corrélation des configurations en domaines des couches, attribuée aux couplages inter-couches. Pour différentes impulsions de champs, la réplication des domaines nous a permis d'observer des états rémanents singuliers permettant de mieux comprendre le phénomène. Pour des réseaux de nanostructures, la réplication due aux couplages intra-nanostructure se manifeste par un décalage en champ du cycle d'hystérésis sur la couche de plus faible champ coercitif. Le seconde partie de ce mémoire traite des effets de taille finie sur les propriétés d'anisotropie d'échange pour des bicouches ferromagnétique/antiferromagnétique typiquement utilisées dans les têtes de lecture d'ordinateurs. Pour des systèmes à anisotropie planaire, nous avons montré que les nanostructures et les antiferromagnétiques minces sont plus sujets à l'activation thermique. Il en résulte une augmentation ou une réduction du champ d'échange pour les nanostructures par rapport aux couches continues en fonction des conditions d'épaisseur d'antiferromagnétique et de température. Ces résultats permettent de lever certaines contradictions apparentes de la littérature. Pour des couches continues à anisotropie perpendiculaire, l'orientation relative des spins du ferromagnétique et de l'antiferromagnétique influence de manière significative les propriétés d'anisotropie d'échange. L'impression des domaines du ferromagnétique dans l'antiferromagnétique, par traitements thermiques permet de générer des cycles d'hystérésis « doubles » et d'ajuster leurs propriétés magnétiques. Des premiers résultats prometteurs concernant les effets de taille finie sur les propriétés des systèmes à anisotropie perpendiculaire ont été obtenus.

Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons à l'élaboration de réseaux de nanoplots magnétiques, afin d'en étudier les propriétés magnétiques. Les nanoplots sont élaborés sur Au(788), une surface spontanément pré-structurée et qui permet la croissance de réseaux avec un ordre à grande distance et une distribution de taille étroite. La première partie de ce travail consiste à étudier les mécanismes qui conduisent à la croissance organisée sur un réseau de pièges ponctuels. Nous établissons le lien entre la plage de température qui permet d'observer la croissance organisée et les paramètres énergétiques du problème. Ensuite, grâce à des études exhaustives de la croissance en fonction de la température de substrat, réalisées à l'aide d'un Microscope à Effet Tunnel à température variable, nous étudions la croissance du cobalt et du fer sur Au(788). La comparaison avec des simulations multi-échelles (Dynamique Moléculaire, Monte Carlo cinétique) nous permet alors de déterminer les mécanismes atomiques à l'origine de l'organisation. La deuxième partie de ce travail est consacrée à l'étude du magnétisme des nanostructures que nous savons former, et plus particulièrement à la détermination du lien entre la morphologie des plots et leur énergie d'anisotropie magnétique (MAE). Après une étude sur les limites du modèle du macromoment et du retournement cohérent de l'aimantation habituellement utilisé pour les nanostructures, nous nous intéressons aux propriétés magnétiques de nanoplots contenant une centaine d'atomes de cobalt. Grâce à la mesure de cycles d'hystérésis à différentes températures, nous déduisons la distribution de MAE dans l'échantillon. Celle-ci est large, contrairement à des résultats précédents sur des îlots plus gros. La comparaison avec la distribution de taille des îlots implique une relation non triviale entre la taille des îlots et leur MAE.

La 1re partie de cette thèse présente une étude de la géométrie de surfaces rugueuses obtenues en laboratoire par fracturation de blocs de granite et de grès. Ces surfaces sont enregistrées à l'aide d'un rugosimètre à mesure mécanique et optique, développé pour cet usage. Les enregistrements sont bien décrits par un modèle auto-affine isotrope. La persistance des corrélations spatiales est sensiblement moins importante pour le grès que pour le granite. Dans un 2e partie, on étudie comment l'écoulement à travers une fracture ouverte est influencé par la rugosité de ses parois, lorsque les effets inertiels peuvent être négligés. Une étude expérimentale met en évidence une sensibilité importante de la perméabilité de la fracture vis-à-vis de l'orientation du gradient de pression effectif. Un modèle numérique confirme ces observations, et permet d'interpréter cette anisotropie hydraulique en termes de chenalisation de l'écoulement. La chenalisation est contrôlée par les hétérogénéités de grande échelle du champ des ouvertures, dont l'importance dépend grandement de l'ajustement entre les deux surfaces aux grandes échelles. Dans une 3e partie, une fracture remplie de gouge est modélisée comme un milieu poreux bidimensionnel composé d'une mono-couche de billes de verre. On étudie expérimentalement le déplacement d'un fluide mouillant par de l'air, de haut en bas, dans ce milieu. En ajustant la vitesse de filtration, c.-à-d. l'intensité des forces visqueuses, on étudie systématiquement la transition d'un régime d'écoulement stabilisé par la gravité, vers un régime d'écoulement où la rugosité de l'interface entre les deux fluides croît indéfiniment. Les effets capillaires, inhomogènes dans le milieu poreux, pilotent la dynamique locale du déplacement. En utilisant la théorie de la percolation, on prédit le seuil de l'instabilité et une loi d'échelle pour la largeur du front en déplacement stable. Ces prédictions sont vérifiées expérimentalement.

Ce travail de thèse est issu de l'analyse des sollicitations complexes appliquées au sol à proximité des ouvrages de génie civil tels que les fondations, les tunnels, les murs de soutènements ou les remblais. Il consiste en une étude expérimentale de l'influence de la rotation des contraintes sur le comportement à la rupture de sols fins à l'aide d'un appareil triaxial pour éprouvettes cylindriques creuses. Ce comportement n'est pas pris en compte de façon explicite dans les modèles de calcul. Le travail a consisté à valider les modèles de comportement utilisés classiquement pour ces types de sollicitations et d'en proposer éventuellement la modification. La recherche comporte trois parties : - une étude bibliographique préliminaire sur les recherches réalisées en laboratoire et en place sur la rotation des contraintes et son influence sur le fonctionnement des ouvrages, - une étude expérimentale en laboratoire avec l'appareil triaxial pour éprouvettes cylindriques creuses et avec des appareils triaxiaux classiques (essais sur sols argileux), - un travail d'interprétation des résultats et de modélisation de ces expériences. L'objectif final est d'améliorer la loi de comportement des sols fins développée au LCPC depuis 1983 et de la valider sur les essais réalisés. L'application à trois ouvrage-types est finalement présentée.

Le travail effectué au cours de cette thèse porte sur l'inversion de données ultrasonores. Le contexte industriel en est le contrôle non destructif des cuves de réacteurs à eau pressurisée. Ces contrôles visent à détecter et caractériser des fissures. Les données ultrasonores se présentent sous la forme d'échographies obtenues à l'aide d'un capteur fonctionnant en émission-réception. Les fissures sont détectées par diffraction de leurs arêtes. L'analyse des données obtenues est rendue difficile du fait de l'existence d'un revêtement dont la surface est irrégulière et dont le matériau diffère du matériau constitutif de la cuve. Une méthode est ici proposée pour localiser avec précision les arêtes diffractantes et donc permettre un dimensionnement des fissures à partir des échographies ultrasonores obtenues. Cette méthode s'appuie sur l'application d'outils de modélisation de la propagation et de la diffraction des ultrasons prenant en compte à la fois le caractère irrégulier de la surface et la nature hétérogène du composant. La méthode développée a fait l'objet d'une implémentation informatique et a pu être testée sur un ensemble de cas représentatifs. En particulier, ses performances ont été évaluées à partir de l'analyse de résultats expérimentaux. La précision obtenue en laboratoire sur les cas expérimentaux traités est conforme à la demande industrielle qui a motivé cette étude.

La croissance et l'étude des propriétés des nano-structures magnétiques est un enjeu important du point de vue fondamental et technologique. De par leur taille, les nano-structures sont susceptibles de présenter des structures et des propriétés magnétiques nouvelles. Les surfaces vicinales permettent de maîtriser la densité et la direction des marches atomiques et constituent des substrats nano-structurés à 1D. L'auto-organisation sur les surfaces cristallines fournit des substrats avec des nano-structurations que l'on peut combiner à un réseau de marches pour stabiliser un ordre 2D à grande distance. Une étude STM à température variable et des simulations numériques nous permettent d'étudier la croissance organisée de nano-plots de cobalt sur des substrats vicinaux d'or reconstruits et de déterminer les mécanismes atomiques responsables de l'organisation de la croissance. Sur ces nano-particules mono-disperses nous menons des mesures magnétiques par effet Kerr magnéto-optique MOKE. Nous caractérisons ainsi le super-paramagnétisme des nano-plots de cobalt et nous en mesurons l'énergie d'anisotropie. Dans un second temps nous étudions les modifications structurales induites par les marches pour des films de cobalt déposés sur des substrats d'or vicinaux. Nous présentons des mesures de diffraction des rayons X interprétées dans le cadre d'un modèle probabiliste d'empilement de plans (111). Nous déterminons précisément la structure des films minces et montrons qu'ils présentent une structure cubique à faces centrées. Le magnétisme de ces couches de cobalt mesuré par MOKE révèle des propriétés d'anisotropie magnétique liées à leur structure cubique et à la vicinalité de l'interface.

Aux fréquences micro-ondes, les ferrites sont caractérisés par une perméabilité tensorielle, représentative de leur anisotropie induite sous champ magnétique. Cette propriété spécifique est à l'origine du comportement non réciproque de dispositifs comme les circulateurs et les isolateurs. Les limitations des milieux ferrites (aimantation à saturation réduite, fortes températures de frittage lors de leur élaboration) conduisent cependant les laboratoires à étudier des matériaux s'y substituant. Pour pouvoir réaliser des fonctions hyperfréquences non réciproques optimisées à partir de tels matériaux, la mesure préalable de leur tenseur de perméabilité est requise sur une large bande de fréquences. L'originalité du travail présenté dans ce mémoire est double : - dans un premier temps, une technique de mesure non itérative des éléments (µ, k) du tenseur de perméabilité des milieux magnétiques, dans un état quelconque d'aimantation, a été développée. Elle est utilisable du continu jusqu'environ 6 à 7 GHz, selon le type de matériau testé. Outre la détermination analytique de (µ, k) en fonction des paramètres S de la cellule de mesure en ligne de transmission élaborée, son principal intérêt est de permettre d'étudier le matériau dans des conditions voisines de celles fixées par l'application en technologie planaire ultérieure (mesure « in-situ »), - à partir de cette technique de caractérisation expérimentale, les propriétés d'anisotropie induite de matériaux composites nanostructurés aimantés ont ensuite été démontrées puis ajustées pour mettre en œuvre un isolateur hyperfréquence à résonance. Les performances de ce dernier sont au moins comparables à celles des isolateurs à ferrites, pour une quantité de matière magnétique moindre.