Il est très facile de "piéger" des phases moléculaires complexes dans des états métastables ou hors-équilibre, en usant d'actions complexes (voies athermiques), d'environnements complexes (topologie), ou en manipulant la complexité intrinsèque du système (réseaux d'interactions). Des procédés industriels les plus courants aux nanotechnologies les plus poussées, on rencontre des phases moléculaires piégées par des processus de forçage (trempe thermique, irradiation, broyage mécanique...) ou de confinement nanométrique (basse dimensionalité, hétérogénéité, champs aléatoires, phases interfaciales...). Ce document de synthèse met en avant les problématiques physiques communes à ces situations, au travers d'études expérimentales de systèmes modèles. Des matériaux forcés à intérêt pharmaceutique aux fluides complexes nanoconfinés, la puissance des approches complémentaires par des techniques locales (résonance magnétique du solide) ou collectives (diffusion de neutrons) est soulignée.

Le broyage du clinker dans des tubes-broyeurs à boulets en acier est une étape très consommatrice d'énergie électrique dans la fabrication du ciment, et son rendement énergétique est très faible. Pour améliorer le rendement de cette opération, des produits appelés agents de mouture sont ajoutés en très faibles quantités au broyage du clinker. Cependant, les modes d'action de ces produits restent mal connus à l'heure actuelle. Dans le but de mieux connaître les mécanismes d'action de ces produits, deux agents de mouture sont étudiés sur le broyage du clinker. L'un d'entre eux, appelé « Mi », est utilisé couramment en industrie et est constitué d'un mélange d'eau et d'acétate de triéthanolamine. L'autre qui est noté « formulation F », se compose de trois molécules organiques. Ce dernier a un effet différent de celui de Mi sur le broyage du clinker en laboratoire, utilisant un broyeur de type planétaire. <br />Nous avons montré que ces deux produits agissent aussi favorablement sur le rendement du broyage d'autres minéraux tels que le calcaire et le laitier. Leur mode d'action n'est pas dépendant de la nature du milieu de broyage puisque Mi et F sont efficaces dans des bols de broyage en acier ou en alumine.<br />Leur mode d'action est lié à l'amélioration de la désagglomération de la poudre au cours du broyage grâce à un effet dispersant sur le clinker.

Dans le cadre du développement des aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) pour le cœur des réacteurs nucléaires du futur, ce travail s'est focalisé sur l'étude d'une nouvelle voie de synthèse inspirée du broyage réactif, consistant à remplacer le réactif Y2O3 par YFe3 et Fe2O3, et sur l'influence des conditions de synthèse sur les caractéristiques des nano-oxydes. Pour cela, des aciers ODS ont été synthétisés par broyage et recuit et des caractérisations multi-échelles ont été effectuées après chaque étape de la synthèse. En particulier, on a utilisé la sonde atomique tomographique et la diffusion des neutrons aux petits angles. On a ainsi montré que le procédé inspiré du broyage réactif permet la synthèse d'un acier ODS mais qu'il ne modifie pas les caractéristiques des nano-oxydes. Plus généralement, la forme des réactifs de broyage n'a pas d'influence sur la formation des nano-oxydes. Ensuite, on a mis en évidence que la germination des nano-oxydes pouvait commencer au cours du broyage avant de se poursuivre avec une cinétique très rapide au cours du recuit. Les caractéristiques des nano-oxydes ainsi formés peuvent être contrôlées en faisant varier les paramètres de broyage (intensité, température et atmosphère) et de recuit (durée et température). Enfin, on a montré qu'il était nécessaire de contrôler les conditions de broyage pour maîtriser l'état final d'un acier ODS.

Dans le cadre du développement des aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) pour le cœur des réacteurs nucléaires du futur, ce travail s'est focalisé sur l'étude d'une nouvelle voie de synthèse inspirée du broyage réactif, consistant à remplacer le réactif Y2O3 par YFe3 et Fe2O3, et sur l'influence des conditions de synthèse sur les caractéristiques des nano-oxydes. Pour cela, des aciers ODS ont été synthétisés par broyage et recuit et des caractérisations multi-échelles ont été effectuées après chaque étape de la synthèse. En particulier, on a utilisé la sonde atomique tomographique et la diffusion des neutrons aux petits angles. On a ainsi montré que le procédé inspiré du broyage réactif permet la synthèse d'un acier ODS mais qu'il ne modifie pas les caractéristiques des nano-oxydes. Plus généralement, la forme des réactifs de broyage n'a pas d'influence sur la formation des nano-oxydes. Ensuite, on a mis en évidence que la germination des nano-oxydes pouvait commencer au cours du broyage avant de se poursuivre avec une cinétique très rapide au cours du recuit. Les caractéristiques des nano-oxydes ainsi formés peuvent être contrôlées en faisant varier les paramètres de broyage (intensité, température et atmosphère) et de recuit (durée et température). Enfin, on a montré qu'il était nécessaire de contrôler les conditions de broyage pour maîtriser l'état final d'un acier ODS.

Cette recherche est consacrée à l'étude des interactions entre les fillers et le ciment. Ces interactions peuvent avoir une origine physique et/ou chimique. L'utilisation d'un filler de référence, inerte chimiquement (une zircone), permet de séparer les deux effets. Nous montrons que les fillers (calcaire et zircon) de par leur activité chimique peuvent agir favorablement sur les propriétés mécaniques des pâtes pures et des mortiers. Ils ont un effet accélérateur et participent à la formation des espèces hydratées. Une partie importante de l'étude concerne l'interaction du filler calcaire avec le constituant principal du ciment, à savoir: le silicate tricalcique. L'activité chimique des fillers varie suivant leurs origines et les traitements qu'ils subissent. Le broyage peut être à l'origine de la création de défauts planaires, linéaires et ponctuels. Ceux-ci déterminent la réactivité du filler. Il existe une relation entre cette activité chimique et les propriétés mécaniques des pâtes pures. Cette corrélation nous permet de préconiser un test de sélection des fillers calcaires.

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.

L'objectif de ce travail est de comprendre l'influence des particules très fines sur le phénomène de ré-agglomération lors du broyage. Des billes de verre de taille 0 à 20 µm avec un pourcentage massique variant entre 0 à 1% sont ajoutées dans un tas granulaire de billes de verre de 200 à 300 µm dans un tambour tournant cylindrique de diamètre et longueur 10 cm. La présence des particules fines montre un effet ambivalent sur la stabilité du tas granulaire. Nous avons établi un diagramme de stabilité du milieu granulaire en fonction de la concentration de particules fines et cherché à quantifier l'effet des fines combiné avec d'autres paramètres (humidité relative et vitesse de rotation du tambour). La stabilité d'un tas granulaire dans un tambour tournant est déterminée par la mesure de son angle maximum de stabilité θm. Dans un premier temps, nous avons étudié l'évolution de cet angle à des vitesses de rotation différentes. Les expériences montrent qu'à faible concentration (< 0; 15%), le tas se déstabilise par avalanches lorsque le tambour tourne, θm diminue lorsqu'on augmente la quantité de fines. Quand la vitesse de rotation augmente, le mouvement du tas évolue du régime d'avalanche intermittent au régime d'écoulement continu. En revanche, lorsque la concentration des fines est supérieure à 0,15%, la déstabilisation du tas se traduit par un phénomène de stick-slip à la paroi du tambour, et la quantité de fines augmente la stabilité du tas. Ce comportement apparemment contradictoire est lié au fait que la localisation de la déstabilisation est modifiée. Dans le régime des faibles concentrations, les avalanches commencent à la surface du tas, et le remplissage de l'espace intermédiaire entre les grosses billes par les fines rend la surface de plus en plus lisse, ce qui déstabilise le tas. Par ailleurs, les fines induisent une augmentation de la cohésion du tas par la nucléation des ponts capillaires entre les grains. Ainsi, dans le régime des fortes concentrations, le tas granulaire se comporte comme un corps solide et la déstabilisation a lieu à l'interface tas-tambour. Nous avons également étudié l'influence de l'humidité relative sur la stabilité et montré que dans le régime de faible concentration de particules fines, la déstabilisation est indépendante de l'humidité. D'autre part dans le régime des hautes teneurs en fines, une humidité relative élevée induit une forte cohésion due à la condensation capillaire entre les grains et le tambour ce qui entraîne une augmentation de l'angle maximum de stabilité.

Les alliages nanocrystallines et les nanocomposites à base de magnesium sont des matériaux prometteurs pour le stockage d'hydrogène dans l'état solide, pour offrir une plus grande sécurité et efficaté de stockage que le H2 aux états gazeux ou liquide. Dans ce travail, la synthèse et l'élaboration de ces matériaux par les techniques de broyage à haute énergie (HEBM - High-energy Ball milling) et de déformation plastique sévère (SPD - Severe Plastic Deformation) ont été étudiés. Nanocomposites à base de MgH2 et de Mg2FeH6 ont été préparés par broyage réactif sous atmosphère d'hydrogène (une technique de HEBM) sous plusieurs conditions, pour obtenir une meilleure compréhension des effets des différents paramètres d'élaboration sur la synthèse des hydrures. De plus, l'utilisation des techniques de SPD de torsion sous haute pression (HPT - High-pressure Torsion) et extrusion en canal angulaire (ECAP - Equal Channel Angular Pressing) ont été explorés pour composer des routes d'élaboration de mélanges réactifs à base de Mg pour le stockage de H2. Les matériaux preparés par les différentes méthodes ont été caracterisés par des techniques d'analyse structurale comme, parmi d'autres, difraction de rayons-X, microscopie optique, microscopie electronique en transmission et à balayage. Le comportement pendant la désorption a été étudié par calorimetrie différentielle de balayage, et des échantillons séléctionnés on été soumis à cycles d'absorption et désorption de H2 pour mesures cinétiques. La corrélation des résultats pour les plusieurs systèmes à base de Mg a permis l'obténtion d'un meilleur contrôle de la synthèse des nanocomposites et une meilleure connaissance du potentiel d'utilisation des techniques de SPD pour composer des routes d'élaboration en envisageant les applications pour le stockage d'hydrogène.

Les alliages Fe-Si sont connus pour combiner d’excellentes propriétés magnétiques avec de bonnes propriétés électriques (forte résistivité électrique). Dans ce contexte nous avons recherché à élaborer des matériaux à forte teneur en Si, souvent difficiles à obtenir et mettre en forme industriellement. Des alliages magnétiques doux de type Fe-Si avec une teneur élevée en Si (4,5%, 6,5%, 10% et 15% massique) ont été obtenus avec succès à l’état nanocristallin par broyage mécanique et recuit. La formation des alliages a été étudiée par diffraction X, spectroscopie Mössbauer et analyses thermomagnétiques. La stabilité thermique de la poudre a été analysée par DSC. Des mesures d’aimantation ont été réalisées pour caractériser les performances magnétiques. La durée de broyage nécessaire pour la formation de l’alliage a été déterminée pour chaque teneur en Si. Pour les faibles temps de broyage, le recuit conduit à la formation du composé Fe3Si. Après la formation de l’alliage par le broyage mécanique, l’effet du recuit est seulement de réduire les tensions internes du second ordre, induites dans la poudre par le broyage. L’addition de Si conduit à la diminution de la température de Curie de 770 °C pour le Fe pur, à 725 °C pour une teneur de 4,5% massique de Si et à 550 °C pour 15% massique de Si. Pour les temps faibles de broyage, l’écart entre l’aimantation de la poudre avant et après recuit est dû à la formation du composé Fe3Si pendant le recuit, lequel a une aimantation plus faible que la solution solide de Feα(Si). Pour les longs temps de broyage, le recuit à 400 °C pour 4 heures n’a pas d’effet sur la valeur de l’aimantation à saturation. En augmentant la teneur en Si, l’aimantation à saturation de l’alliage Fe-Si décroit.Les alliages Ni3Fe (aussi connus comme Permalloys) présentent de meilleures propriétés magnétiques, mais ils ont une résistivité inférieure à celles des Fe-Si. Une voie attractive semble la combinaison des propriétés des 2 classes de matériaux doux en formant un composite. Les alliages Fe-Si précédemment obtenus ont été utilisés pour l’élaboration des poudres composites de type Permalloy/Fe-Si par la mécanosynthèse. Le broyage mécanique conduit à la formation des particules composites avec un aspect stratifié. Quatre heures de broyage de l’alliage Fe-Si avec du Ni3Fe ne conduisent pas à la formation des nouvelles phases, mais la formation d’un alliage ternaire Ni-Fe-Si résulte d’un recuit ultérieur à 900 °C. L’aimantation à saturation du composite augmente avec la croissance de la teneur le d’alliage Fe-Si, mais le temps de broyage ne semble avoir aucun effet sur cela.Une étude préliminaire a été réalisée sur l’élaboration des compacts composites de type Ni3Fe/Fe-Si par frittage flash, dans le but de préserver l’état nanocristallin par de basses températures de frittage. L’influence de la température de frittage et de la durée de maintien sur la structure, et les propriétés physiques des compacts est discutée. Des températures allant jusqu'à 750 °C pour une durée de maintien minimale ou un palier de 2 minutes maximum à 700 °C ne conduisent pas à la diffusion des éléments des alliages. L'augmentation de la température ou de la durée de frittage conduit à des cristallites plus grandes, mais qui restent dans le domaine nano pour les températures étudiées. La densité des compactes augmente avec la température et le palier. En outre, la résistivité diminue en augmentant ces 2 paramètres. L'effet de la teneur en Fe-Si est de diminuer la densité et en même temps d'augmenter la résistivité des compacts. La perméabilité magnétique est réduite avec l'augmentation de la température et de la durée de frittage, ainsi que lors de la diminution du contenu de Ni3Fe. Une température élevée et un long temps de maintien à la température de frittage conduisent à l’augmentation des pertes magnétiques. Le champ coercitif est également influencé par les paramètres de frittage, via l'effet qu'ils ont sur la taille des cristallites. / Fe-Si alloys are known for combining excellent magnetic properties with good electric characteristics (high resistivity). In this context we sought to develop materials with a relatively high Si content, often difficult to obtain and shape industrially.In this thesis, soft magnetic Fe-Si alloys with high Si content (4.5, 6.5, 10 and 15 wt. %) were successfully obtained in nanocrystalline state by mechanical alloying and annealing. The formation of the alloy was studied by X-ray and neutron diffraction, Mossbauer spectroscopy and thermomagnetic analysis. DSC technique was used in order to study the powder’s thermal stability. Magnetisation measurements were also made in order to characterise their magnetic performances. The milling duration necessary for the formation of the alloy was determined for each Si content. For low milling times, annealing leads to the formation of the Fe3Si compound. Once the alloy is formed by mechanical milling, the effect of the annealing is only to reduce the second order stress induced in the powder by the milling process. Si addition leads to the decrease of the alloy’s Curie temperature from 770 °C for pure Fe to 725 °C for a 4.5 wt. % Si and down to 550 °C if the Si content increases to 15 wt. %. For low milling times, a gap between the magnetisation of the as-milled alloy and of the milled and subsequently annealed one is due to the formation of the Fe3Si compound during annealing which has a lower magnetisation than that of the αFe (Si) solid solution. For longer milling durations, annealing at 400 °C for 4 hours has no effect on the saturation magnetisation value. By increasing the Si content, the Fe-Si alloy’s saturation magnetisation decreases.Fe-Ni alloys whose composition is close to Ni3Fe (commonly known as Permalloys) have better magnetic properties, but a resistivity well inferior to that of Fe-Si alloys. Therefore, a combination of the properties of these 2 alloy classes of soft magnetic materials into a composite seems to be an attractive route. The previously obtained Fe-Si alloys were used for the preparation of Permalloy/Fe-Si composite powders by mechanical milling. Milling leads to the formation of composite powder particles with a stratified aspect. Milling of the Fe-Si and Ni3Fe alloys for 4 hours does not lead to the formation of new phases, but a subsequent annealing at 900 °C results in the formation of a Ni-Fe-Si alloy. Saturation magnetisation of the composite increases with increasing of the Fe-Si content, but milling duration seems to have no effect on it.A preliminary study was made on the elaboration of Ni3Fe/Fe-Si composite compacts obtained by spark plasma sintering, aiming to preserve the nanocrystalline state by lower sintering temperatures. The influence of the sintering temperature and temperature holding duration on the structure, density, resistivity and magnetic properties of the compacts is discussed. Temperatures of up to 750 °C for minimal holding duration or a maintain at the temperature of 700 °C for a duration of up to 2 minutes does not lead to a diffusion of the alloys’ elements. Increasing of the sintering temperature or duration leads to larger crystallite sizes, but they remain in the nano domain for the studied temperatures. The compacts’ density increases with temperature and sintering duration. Resistivity, on the other hand decreases when increasing the aforementioned parameters. The effect of the Fe-Si content is to decrease the density and at the same time increase the compacts’ resistivity. Magnetic permeability is reduced with increasing sintering temperature and duration, as well as when decreasing of the Ni3Fe content. High temperature and long maintaining duration leads to an increase of magnetic losses. Coercive field is also influenced by sintering parameters by the effect they have on the crystallite size.

La formulation d'une encre diélectrique et son dépôt par impression jet d'encre en vue de la fabrication de modules LTCC ont été étudiés, dans le cadre du projet européen SPrinTronics. Les verrous technologiques de la formulation de l'encre ont pu être levés afin d'ajuster ses caractéristiques au procédé. Pour cela, les mécanismes d'hydrolyse de la poudre, d'adsorption/désorption du dispersant et de fragmentation de la poudre ont été étudiés. Il a été mis en évidence la complexité d'obtenir à la fois une grande stabilité et une granulométrie fine. Les tests préliminaires d'impression ont révélé que les différentes stratégies influencent fortement la planéité des plans. Notamment, il est possible de minimiser la rugosité de surface de plans diélectriques imprimés par jet d'encre en maîtrisant la nature de la maille, l'interpénétration des gouttes et la stratégie de remplissage de la maille. Ces différents travaux sont prometteurs quand à l'industrialisation futur de la méthode. Cependant, les efforts doivent être poursuivis afin de mettre au point des véhicules de test. / Formulation of dielectric ink and its deposit by inkjet printing in order to manufacture LTCC have been studied, in the context of SPrinTronics european project. Technological barriers have been solved and the ink characteristics have been adjusted to the inkjet specifications by studying hydrolysis mechanisms of the powder, adsorption/desorption of the dispersant and powder milling. It has been very complex to obtain simultaneously a good stability (low viscosity and sedimentation rate) and fine particle size. Preliminary printing tests have been revealed that printing strategies are efficients to reduce rugosity of printed dielectric plans, especially the lattice, drop-to-drop distance and the filling strategy. These studies are promising for LTCC printing. However, efforts should be coutinued to print test vehicles.