La thèse porte sur l’effet des températures froides extrêmes sur le comportement à l’impact à basse vitesse de panneaux sandwiches en matériaux composites avec une âme de type nid d’abeilles de Nomex pressentis pour la fabrication de robots d’exploration lunaire. Le projet est scindé en deux grands volets : un volet expérimental et un volet numérique. Le volet expérimental inclut la caractérisation du comportement mécanique des constituants du panneau sandwich à températures froides, l’étude du comportement à l’impact du panneau sandwich à basse température et l’étude de l’effet de la température d’impact sur le comportement mécanique après impact des panneaux endommagés. Le panneau sandwich étudié est fait de peaux de plis tissés en carbone-époxyde [(±45)(0/90)(0/90)(±45)] et d’une âme en nid d’abeilles de Nomex. Les températures d’essais retenues pour la campagne expérimentale sont la température pièce, -70°C et -150°C. L’étude du comportement mécanique des constituants du panneau sandwich à basse température montre que la résistance en traction du matériau composite formant les peaux du panneau sandwich diminue à basse température, alors que sa résistance en compression augmente. À basse température, le comportement en cisaillement est caractérisé par une augmentation de la rigidité et de la résistance à la rupture, alors que la déformation à la rupture diminue. L’effet de la température sur le comportement du nid d’abeilles de Nomex se traduit principalement par une augmentation de la rigidité et de la résistance équivalente en compression hors-plan à basse température. L’étude du comportement à l’impact du panneau sandwich montre une augmentation de l’endommagement pour les échantillons impactés à basse température pour la plupart des conditions d’impact évaluées. L’étude combinée de l’endommagement induit et de l’énergie absorbée à l’impact indique que le développement de l’endommagement requiert moins d’apport d’énergie à basse température. Finalement, les résultats montrent que la taille de l’impacteur utilisé influence l’effet de la température sur le comportement à l’impact. Des essais de compression dans le plan sur les panneaux endommagés permettent d’évaluer l’effet de la température d’impact sur le comportement après impact. Pour les conditions d’impact étudiées, bien que la température affecte l’endommagement induit, la résistance en compression après impact est peu influencée par la température d’impact. En effet, on observe une faible diminution de la résistance résiduelle en compression avec la température d’impact qui diminue pour certaines conditions d’impact, alors que pour d’autres, aucun effet n’est observé. De plus, l’effet de la température d’impact est négligeable en comparaison avec la diminution initiale de la résistance en compression observée entre les échantillons intacts et les échantillons les moins endommagés de cette étude. Pour le deuxième volet de la thèse, un modèle numérique par la méthode des éléments finis est développé pour reproduire le comportement à l’impact du panneau sandwich à différentes températures. Le modèle de comportement pour le matériau composite inclut l’utilisation de trois variables d’endommagement et d’un modèle de plasticité en cisaillement. La rupture dans le plan est prédite avec le critère de la déformation maximale. Une fois la rupture détectée, l’évolution des variables d’endommagement est définie afin d’obtenir un adoucissement linéaire du comportement. Les propriétés du modèle de comportement pour le matériau composite proviennent en majeure partie d’essais de caractérisation et de la littérature. Pour la modélisation du nid d’abeilles de Nomex, la structure cellulaire du nid d’abeilles est modélisée. Chaque cellule prend la forme d’un hexagone parfait. Le comportement mécanique des parois est isotrope élastique avec écrouissage parfaitement plastique. Les propriétés de la loi de comportement sont obtenues avec des essais de compression hors-plan effectués à chaque température étudiée. Le modèle d’impact est appliqué à la simulation de différentes conditions d’impact à température pièce, -70°C et -150°C. Les résultats sont validés avec les essais expérimentaux. Le modèle développé permet de reproduire de façon globale le comportement du panneau sandwich impacté et les effets des températures froides sont généralement bien prédits par le modèle. / The thesis project is focused on the effect of extreme cold temperatures on the low-velocity impact behavior of woven carbon/epoxy composite sandwich panels with Nomex honeycomb core for lunar exploration rovers. The project is divided into an experimental campaign and a numerical investigation. The experimental campaign developed includes the study of the effect of extreme cold temperatures on the mechanical behavior of the constituents of the sandwich panel individually, the study of the low velocity impact behavior of the sandwich panel under extreme cold temperatures and the investigation of the effect of impact temperature on the compression after impact behavior of the damaged panels. The sandwich panel studied is made of plain-weave carbon/epoxy composite skins[(±45)(0/90)(0/90)(±45)] with a Nomex honeycomb core. For the experimental campaign, tests are performed at room temperature, -70°C, and -150°C. The study of the effect of temperature on the mechanical behavior of the composite material used for the skins of the sandwich panel shows that the tensile strength decreases at low temperatures, while the compressive strength increases. The in-plane shear behavior is characterized by an increase in the in-plane shear modulus and the in-plane shear strength at low temperatures, while the maximum in-plane shear strain diminishes. At cold temperatures, the out-of-plane compressive behavior of the Nomex honeycomb core is characterized by an increase of rigidity and maximum compressive strength. Impact of the sandwich panels at cold temperatures leads to an increase of damage for most impact conditions tested. The conjoint study of the absorbed energy and the damage induced by impact loadings shows that it requires less energy to produce damages at cold temperatures. Finally, the results of the impact tests show that the size of the impactor has an influence on the effect of temperature on the impact behavior of the sandwich panel. Compression after impact (CAI) tests show that the effect of impact temperature on the residual compressive strength is almost negligible, although impact temperature has an effect on the damage induced. For some impact conditions, a slight decrease of the residual compressive strength was measured for specimens impacted at low temperatures, while for the other impact conditions, impact temperature has simply no effect on the residual compressive strength. The effect of impact temperature on the residual compressive strength is negligible with regard to the reduction of the residual compressive strength between the undamaged panels and the panels with the least amount of damage in this study. The second part of the project is focused on the development of a numerical model using the finite element method for the simulation of impact loadings at room temperature, -70°C, and -150°C. The model for the composite material includes the use of three damage variables combined with a plasticity model. The in-plane failure is predicted with the maximum strain criteria. The post failure evolution of the damage variables is defined to have a linear softening. For the Nomex honeycomb core model, the cellular geometry of the Nomex core is modelled with each cell represented as a perfect hexagon. The material behavior of the cell wall is isotropic elastic perfectly plastic. The majority of the properties required for the composite and Nomex honeycomb core models comes from experimental investigations or the literature for all three temperatures. Results of the numerical simulations are validated with experimental data. It shows that the model can predict the overall behavior of the sandwich panel under impact loading. The effects of temperature on the impact behavior of the sandwich panel are overall well captured by the model.

Ce travail de thèse est consacré à l'optimisation du processus de fabrication des supraconducteurs à basse température (SBT) et à haute température (SHT). Le but est l'optimisation de fabrication de ces produits.Le premier chapitre est dédié au processus de production des SBT. La recherche concerne le problème de réchauffement de la surface des fils par les forces de friction lors du processus d’étirage. Le processus de réchauffement/refroidissement génère des contraintes résiduelles. Cet aspect a été traité dans ce chapitre. On y présente également une méthode pour déterminer les angles optimaux des outils utilisés dans la fabrication des supraconducteurs.Le deuxième chapitre donne une présentation générale des SHT. On donne d’abord l’historique de ces produits, ensuite les développements en cours et les perspectives. Il présente aussi le processus de fabrication de ce matériel et ses défis. Le chapitre traite en particulier des SHT de deuxième génération et montre l’intérêt de l’emploi de la modélisation numérique.Le troisième chapitre présente un modèle simplifié pour le comportement mécanique des SHT. Ce modèle est basé sur la théorie classique des poutres associée à une discrétisation de la poutre en sous-couches travaillant en traction-compression. Ce modèle prend en compte le comportement plastique des composantes de la poutre SHT. Le modèle a été implémenté dans un environnement MATLAB. La validation du modèle est effectuée par sa confrontation à des analyses par éléments finis. Le modèle est ensuite utilisé pour l'analyse des configurations industrielles dans un but d’optimisation.Le quatrième chapitre présente la vérification numérique du modèle décrit dans le chapitre précédent sur un essai de flexion effectuée en laboratoire sur une bande «poutre» en SHT. La comparaison entre les résultats numériques et les données expérimentales montre le bon fonctionnement du modèle développé. / This thesis is devoted to the optimization the process of production of low-temperature superconductor (LTS) as well as high-temperature superconductor (HTS) products. The aim of the work is the optimization of the fabrication process. Chapter 1 deals with the process of production of low-temperature superconductors. It provides analysis of the heating/cooling phenomena in the fabrication process. The chapter also proposes a method for determining the optimum angles of tools used in the fabrication of low-temperature superconductor. Chapter 2 provides a general presentation of the high-temperature superconductors (HTS). The history of development of this material is summarized. The chapter gives a particular focus on the 2nd Generation of HTS. After a presentation of the structure of the high-temperature superconductor, the fabrication process and the challenges, we present the need for the use of numerical model on the design and fabrication of HTS.Chapter 3 presents a simplified model for HTS beams. This model is based on the classical beam theory together with the discretization of each layer in small sub-layers working under purely axial stresses. The model takes into consideration the plastic behavior of the HTS constitutive materials. This model was implemented using MATLAB software. It presents also the validation of this model by its confrontation to finite element analyses as well as its use in the optimal design of HTS. Chapter 4 presents the verification of the numerical model presented in the previous chapter for high-temperature multilayer 2G. The verification is carried out on a bending beam test conducted on a high-temperature superconductor tape. The test was presented first. The comparison of the numerical and experimental results allows the validation of the simplified model on experimental tests.

Le satellite Planck, dont le lancement est prévu en 2007, constituera la troisième génération d'instruments dédiés à l'observation de l'anisotropie du corps noir cosmologique, avec une sensibilité environ 600 fois meilleure que COBE. C'est grâce à l'évolution des technologies instrumentales au niveau des détecteurs bolométriques, de la cryogénie et de l'électronique à faible bruit que cette avancée considérable est possible. Une mesure aussi sensible demande la maîtrise de plusieurs aspects intimement liés: l'acquisition de signaux bas niveau, la production et la maîtrise des basses températures, le contrôle du rayonnement parasite et la stabilité de la mesure. Ce mémoire traite des relations entre ces différents aspects mais aussi des avancées technologiques auxquelles j'ai contribué dans chacun de ces domaines. Les deux premiers chapitres sont consacrés à la description d'une part du contexte scientifique et d'autre part du satellite Planck et de l'instrument HFI (High Frequency Instrument). Le troisième chapitre expose la mise au point et l'utilisation du cryostat Symbol qui m'a permis de tester et de valider des solutions techniques pour HFI. Le quatrième chapitre concerne la chaîne de détection bolométrique et le développement d'un système symétrique pour HFI. Le problème de la lumière parasite est traité en chapitre 5 et conduit aux spécifications de stabilité de température des différents étages de Planck-HFI. Ceci m'a ammené à étudier les solutions technologiques permettant d'atteindre ces spécifications au niveau de l'étage 100mK supportant les bolomètres, sujet traité en chapitre 6, alors que le chapitre 7 est consacré à la thermométrie HFI du point de vue de la sensibilité et de la précision. Enfin, le dernier chapitre montre comment ces progrès instrumentaux rendent possible la détection par Planck-HFI de l'effet dipolaire dans le Fond Diffus Extragalactique Sub-millimétrique (FDES) provenant de l'émission intégrée des galaxies qui ne sont pas résolues.

L'objectif général de ce travail est de comprendre la façon dont les groupements aliphatiques et aromatiques interagissent sous rayonnements ionisants. Trois axes de recherche ont été explorés : la détermination de la contribution relative des transferts d'énergie et de radicaux, la détermination de la contribution relative des transferts intra-chaîne et intermoléculaires, ainsi que l'influence de la répartition des unités aliphatiques et aromatiques dans la chaîne de polymère. Trois systèmes composés d'aliphatiques et d'aromatiques ont été étudiés : les verres organiques cyclohexane/benzène (réactions intermoléculaires), les copolymères aléatoires éthylène/styrène (réactions intra-chaîne et inter-chaînes) et diblocs éthylène/styrène (l'influence de la répartition des deux types de groupements dans le matériau).<br />Au vu des résultats que nous avons obtenu, nous concluons que les transferts d'énergie sont importants dans l'effet de radioprotection de la composante aliphatique par les cycles aromatiques, bien que les transferts de radicaux y participent de façon minoritaire. Les transferts intermoléculaires sont très efficaces en phase solide et leur efficacité semble comparable à celle des transferts intra-chaîne. Grâce à l'utilisation de la spectroscopie infrarouge, nous avons montré un effet important de radiosensibilisation de la composante aromatique, quels que soient la température d'irradiation et le système étudié : les transferts d'énergie vers la phase aromatique s'effectuent au détriment de sa stabilité. Enfin, la répartition des deux groupements le long de la chaîne de polymère n'est pas un facteur important dans les effets induits par les transferts d'énergie.

Ce travail s'intéresse à l'étude des propriétés de transport d'un système interférentiel fabriqué à l'interface d'une hétérostructure semiconductrice AlGaAs/GaAs à modulation de dopage. Il s'agit d'un interféromètre électronique en forme d'anneau, dont le principe de base repose sur l'effet Aharonov-Bohm (AB), transposé à la physique du solide. Cet effet est directement dû à l'influence d'un champ électromagnétique sur la phase de la fonction d'onde d'un électron. Nos mesures ont été réalisées sur des échantillons à forte mobilité, pour lesquels la longueur de cohérence de phase Lphi est grande devant les dimensions du système, et dans le régime de transport balistique. Tout d'abord, notre étude expérimentale a porté sur la dépendance en température des oscillations AB. Nous avons montré que celle-ci peut être comprise en termes de probabilité de transmission à travers les états propres de l'anneau. Un modèle numérique basé dur le faible couplage entre l'anneau et les réservoirs d'électrons permet de retrouver les données expérimentales, à condition toutefois de tenir compte de l'énergie de charge due aux répulsions Coulombiennes. Les résultats expérimentaux suivants renforcent encore cette hypothèse, en s'inscrivant dans la cohérence du raisonnement. Ainsi, lorsque la tension de grille, qui recouvre la totalité de la structure, à savoir les deux bras de l'anneau, varie de manière continue, la phase des oscillations de la magnétorésistance change brusquement de 0 à pi, avec l'apparition d'oscillations intermédiaires de fréquence double, c'est à dire de période apparente h/2e. Les mêmes effets sont observés lorsque l'on applique un courant de polarisation. Ces mesures suggèrent que les propriétés électroniques de l'anneau sont le reflet direct du spectre, et que nous avons donc réalisé la spectroscopie d'un anneau mésoscopique.

L'3He à basse température est l'archétype d'un fluide de fermions en interaction. Le but de cette thèse est d'étudier expérimentalement un effet quantique dans l'3He liquide~: L'influence de la polarisation nucléaire sur la viscosité. Ce type d'effet est connu dans la phase gazeuse, mais les modèles théoriques donnent des réponses diverses concernant la phase liquide. Expérimentalement, la difficulté consiste à obtenir de forts taux de polarisation dans l'3He liquide. Nous utilisons pour cela la méthode de fusion rapide d'un solide aimanté. La viscosité étant une quantité fortement dépendante de la température, il faut un bon contrôle de l'homogénéité thermique dans la cellule expérimentale pour isoler les effets dus à la polarisation des variations de température liées à la méthode de fusion rapide. En accord avec des mesures antérieures, nous montrons que la polarisation nucléaire a pour effet d'augmenter la viscosité. Grâce à un dispositif expérimental de conception soignée, nous étendons la gamme de polarisation explorée jusqu'à des taux de 60\%. De plus, des expériences à différentes températures nous permettent de montrer que cet effet survit au-delà du régime où les spins sont dégénérés, et disparaît vers 1K. Enfin, nous montrons que l'effet de la polarisation dépend peu de la pression. Ces résultats posent des questions théoriques importantes dans les deux régimes de température que nous avons explorés~: Il faut raffiner les modèles existants pour comprendre la faible dépendance en pression de l'effet de la polarisation sur la viscosité à basse température. A haute température, il s'agit de comprendre comment des effets de statistique quantique peuvent subsister en-dehors du régime dégénéré dans un système dense.

Pour comprendre les mécanismes du transport de la chaleur à l'échelle du nanomètre, nous avons fabriqué des dispositifs suspendus nanostructurés complexes et mesuré leur conductance thermique aux températures cryogéniques, notamment via la méthode 3 oméga. Nous avons pu ainsi démontrer la dépendance du transport des phonons aux dimensions et à la géométrie des nanostructures. Pour des nanofils de silicium d'une longueur comprise entre 8 et 10 µm, et d'une section de 200x100 nm^2, nous observons une déviation au régime diffusif de Casimir sous 5K, que nous pouvons expliquer en tenant compte de la rugosité en surface des nanofils. Quand la température décroit, la longueur d'onde des phonons augmente et des collisions balistiques en surface surviennent, impliquant une augmentation du libre parcours moyen des phonons, considéré comme constant jusque là. D'importants effets mésoscopiques sur le transport des phonons induits par la géométrie des nanofils ont pu être mesurés pour la première fois. La présence de zig-zag sur la longueur des fils bloquent le courant de phonons sur une large gamme de température, ayant pour conséquence une importante réduction de l'ordre de 40% de la conductance thermique en comparaison avec des nanofils droits. En parallèle, des expériences ont été menées sur des NEMS de silicium à basse température, et comparées avec des résultats antérieurs sur des MEMS de même géométrie. Le comportement mécanique des structures de silicium aux petites échelles est également abordé. A la fin de ce manuscrit, sont présentés les premiers prototypes de nano-calorimètres zepto-Joules (10^-21 J), qui vont permettre des caractérisations thermiques extrêmes d'objets uniques mésoscopiques.

<p align="justify">Plusieurs métaux de notre vie courante sont obtenus industriellement au moyen de procédés électrolytiques. Un des procédés les plus communs est l’électro-obtention de cuivre, dans lequel le métal est déposé à la cathode tandis que l'oxygène se dégage à l'anode. Généralement, en usine, plusieurs anodes et cathodes, ayant une surface de 1 m2 et séparées par plus ou moins 10 cm sont alternées dans une cellule contenant une solution d'acide sulfurique riche en sulfate de cuivre. En fonction des conditions d'utilisation, les cathodes sont remplacées, après un certain temps, par des nouvelles de façon à récupérer le cuivre déposé. De ce fait, les anodes doivent être capables de résister sans se corroder, se déformer ou perdre leurs propriétés électrocatalytiques pendant de longues périodes. Au début, des alliages en Pb (pb-Ag, Pb-Ca-Sn,...) ont été utilisés comme anodes. Malheureusement, malgré leur faible prix, ces anodes présentent des surtensions élevées et une faible résistance à la corrosion et au fluage. Par conséquent, une alternative aux anodes traditionnelles en 1 développée. Ce nouveau type d'anode, connu sous le nom d’anode dimensionnellement stable (DSA) est fabriquée à partir d'une tôle en Ti recouverte par un mélange d'oxydes de métaux nobles catalysant la réaction de dégagement d'oxygène. Différentes techniques peuvent être utilisées pour préparer la couche d'oxyde. La technique la plus souvent employée consiste à décomposer thermiquement une solution de chlorures contenant un ou plusieurs nobles. Malheureusement, ce type d'anode est cher et a tendance à perdre son activité électrocatalytique avec le temps.</p> <p align="justify">Dans le but de produire une DSA à faible prix, pouvant résister de longues périodes sans se passiver, un nouveau type de DSA a été développé dans le présent travail. Cette anode est produite par électrodépôt d'un métal noble dans les pores d'un substrat microporeux en Ti/TiO2.</p> <p align="justify">Ce travail a permis de démontrer qu'une DSA avec une concentration en métal noble peut être obtenue par la voie proposée. Il a été montré que les propriétés électriques et électrochimiques de ces DSAs sont directement liées aux caractéristiques morphologiques et structurales du en Ti/TiO2. Lorsque la couche barrière existant au fond des pores est suffisamment fine et que le film présente des défauts, la résistance me l'interface Ti/métal noble est faible. Ceci abouti à des DSAs possédant d'excellentes propriétés électrocatalytiques. Les DSAs optimales sont capables de résister à des conditions similaires à celles employées en industrie avec des surtensions de ~ 0.4 V, ce qui représente un gain de 50% par rapport aux surtensions normalement atteintes par les anodes traditionnelles en Pb.</p>

Le cadre général de l'étude concerne la tenue en fluage long-terme de mousses polyuréthane utilisées dans la paroi de cuves de méthaniers. Le comportement mécanique en compression monotone, fluage sous faible contrainte et analyse mécanique dynamique (DMA), a donc été caractérisé jusqu'aux températures cryogéniques (-170°C) sur mousses polyuréthanes renforcées ou non par du mat de fibres de verre. Le premier objectif était de caractériser la réponse et les mécanismes activés à basse température. L'endommagement induit par le fort refroidissement des échantillons affecte les tout premiers stades de déformation en compression, variablement selon la taille d'échantillon. Les micrographies et observation tomographiques post-mortem ne mettent pas en évidence d'endommagement flagrant. Une déformation de fluage en partie recouvrable est également observée. Le second objectif était de réfléchir à une méthode de prédiction de la tenue long terme en fluage par équivalence temps-température en DMA. Les différentes transitions rencontrées entre -170°c et la transition vitreuse ont donc été analysées, de même que la représentativité des petits échantillons utilisés dans ce dispositif. L'effet de taille n'as pas d'effet sur la cinétique de fluage, qui peut donc être obtenue dans le dispositif de DMA. Les résultats obtenus en DMA multifréquence n'ont cependant pas permis de construire de courbe maîtresse. Cette approche n'apparaît pas la plus convaincante pour prédire le comportement en fluage sous faible contrainte et à long terme de ces mousses.

L'objectif de cette thèse est de caractériser la résistance thermique de contact au niveau de deux interfaces bien distinctes. La première est une interface physique entre le Silicium(111) et l'Hélium-4 superfluide. La résistance thermique de contact est alors mesurée expérimentalement pour des températures allant 0.3K à 2.0K et en variant la pression depuis la pression de vapeur saturante jusqu'à la pression de solidification de l'Hélium-4 (i.e. 25bars). L'analyse des résultats expérimentaux par le modèle d'Adamenko et Fuks montre la prédominance de la nano-rugosité de surface dans la transmission de la chaleur à l'interface entre ces deux matériaux. Lors de la solidification de l'Hélium-4, une transition du premier ordre dans la résistance thermique est mise en évidence. La deuxième interface étudiée est une forte constriction créée par une jonction de taille micrométrique entre deux membranes suspendues. Sans discontinuité de matériaux, les simulations numériques Monte-Carlo montrent la présence d'une résistance thermique de contact entre la membrane et l'entrée de la jonction dans le régime de diffusion des phonons les parois du système. Les simulations permettent alors d'explorer les effets des dimensions de la jonction ainsi que de la rugosité de surface des micro-structures bidimensionnelles et tridimensionnelles. / This thesis aims at characterizing the thermal contact resistance at two interfaces of different nature. The first is a physical interface between Silicon(111) and superfluid Helium-4. The thermal contact resistance is evaluated experimentally for temperatures between 0.3K and 2.0K while varying pressure from the saturated vapor pressure to the Helium-4 solidification pressure (i.e. 25bars). Experimental results, analysed with Adamenko and Fuks model, show that nanoscale surface roughness governs heat transmission at this interface. Furthermore, a first order transition in the thermal contact resistance is revealed due to Helium-4 solidification. The second studied interface is an abrupt constriction created by a micro-junction between two suspended membranes. Even though there is no material discontinuity, Monte-Carlo numerical simulations show the existence of a thermal contact resistance between the membrane and the entrance of the junction. Using simulations we explore the effects of geometry and nanoscale surface roughness in bidimensional and tridimensional micro-structure.