Les matériaux composites à base de fibres de carbone (CF) sont actuellement très utilises dans le domaine de l’aérospatiale, de la construction et du sport grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, une faible densité et une haute stabilité thermique. Les propriétés des composites dépendent fortement de la nature et de la qualité de l’interface fibre/matrice. Une bonne adhérence interfaciale permet un meilleur transfert de charge entre la matrice et les fibres. Les CFs sans traitement sont chimiquement inertes et présentent donc une faible adhérence vis-à-vis de la résine époxyde. Par ailleurs, les faibles propriétés transversales et interlaminaires limitent sensiblement la performance et la durée de vie des composites. Par conséquent, un type de renfort à base de fibres traitées est fortement souhaité pour améliorer les propriétés globales des composites, en particulier l'adhésion interfaciale entre les fibres et la matrice. Dans cette thèse, trois types de traitement de surface, l’ensimage, le traitement thermique et la croissance de nanotubes (CNTs), ont été appliqués aux CFs. En particulier, les CFs greffées de CNTs, se combinant avec les deux autres traitements, montrent la meilleure adhérence interfaciale avec la matrice époxyde. L’ensimage proposé peut améliorer la performance du CNT-CF hybride et minimiser les dommages aux fibres lors de la manipulation ultérieure tels que le transport et la préparation de composites. Tout d’abord, l’ensimage a été réalisé sur la surface des fibres par dépôt de résine époxyde en solution. L’ensimage permet de protéger les filaments au cours de la mise en oeuvre et favorise également la liaison fibre/matrice. Différentes formulations d’ensimage selon les proportions époxy/durcisseur ont été utilisées. La quantité d'ensimage déposée sur les fibres de carbone a été contrôlée en faisant varier la concentration de la solution d’ensimage. Ensuite, un traitement thermique, effectué sous un mélange de gaz à 600-750 oC, a permis de modifier la surface des CFs. L'influence de la composition du gaz, du temps de traitement et de la température sur les propriétés interfaciales des composites CFs/époxy a été systématiquement quantifiée. Enfin, des CNTs ont été greffés sur les CFs par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur en continu afin d’obtenir un nouveau type de renfort hybride multi-échelle. Les CNTs greffés permettent d’augmenter la surface de contact et d’améliorer l’accrochage mécanique de la fibre avec la résine. De plus, ils pourraient améliorer la résistance au délaminage, les propriétés électriques et thermiques des composites. Les CFs greffées de CNTs de différentes morphologies et densités ont été produites en faisant varier les conditions de croissance. Après le traitement de surface, les essais de fragmentation ont été menés afin d’évaluer la résistance au cisaillement interfacial (IFSS) des composites CFs/époxy. Par rapport aux fibres vierges, l’ensimage et le traitement thermique ont contribué à une augmentation de l'IFSS de 35% et de 75%, respectivement. L'adhésion interfaciale entre la matrice époxyde et les fibres greffées avec CNTs pourrait être adaptée en faisant varier la morphologie, la densité de nombre et la longueur de CNT. Les CFs greffées avec 2% en masse de CNTs (10nm de diamètre) ont entraîné une amélioration de l'IFSS de 60%. Un traitement thermique et un ensimage pourraient contribuer à une augmentation supplémentaire de 108%. Il convient de mentionner que la dégradation des fibres n’a pas été observée après les divers traitements précédemment évoqués. Les résultats de ces travaux pourraient mener au développement de ces techniques à plus grande échelle pour la conception de structures à base de composites CFs/époxy. / Carbon fiber (CF)-reinforced polymer composites are widely used in aerospace, construction and sporting goods due to their outstanding mechanical properties, light weight and high thermal stabilities. Their overall performance significantly depends on the quality of the fiber-matrix interface. A good interfacial adhesion provides efficient load transfer between matrix and fiber. Unfortunately, untreated CFs normally are extremely inert and have poor adhesion to resin matrices. Meanwhile, poor transverse and interlaminar properties greatly limit the composite performance and service life. Therefore, a new kind of fiber-based reinforcement is highly desired to improve the overall composite properties, especially the interfacial adhesion between fiber and matrix. In this thesis, three kinds of surface treatment, including sizing, heat treatment and carbon nanotube (CNT) growth, were applied to CFs. In particular, CFs grafted with CNTs, combining with the other two treatments demonstrate superior interfacial adhesion to the tested epoxy matrix. The proposed epoxy sizing can improve the CNT-CF hybrid performance and prevent fiber damage during the subsequent handling such as transport and composite preparation. Firstly, epoxy-based sizing was applied onto the CF surface by the deposition from polymer solutions. Sizing could not only protect the carbon fiber surface from damage during processing but also improve their wettability to polymer matrix. A detailed study was conducted on the influence of the ratio of epoxy and amine curing agent in the sizing formulation. The sizing level on the fiber surface was controlled by varying the concentration of polymer solutions. Secondly, heat treatment in a gas mixture at 600-750 oC was used to modify the carbon fiber surface. The effect of gas mixture composition, treatment time and temperature on the interface was evaluated systematically. Thirdly, CNTs were in-situ grafted on the carbon fiber surface by a continuous chemical vapour deposition (CVD) process to obtain hierarchical reinforcement structures. These hybrid structures have the potential to improve the interfacial strength of fiber/epoxy composites due to the increased lateral support of the load-bearing fibers. Meanwhile, the CNT reinforcement could improve the composite delamination resistance, electrical and thermal properties. The CF grown with CNTs of different morphologies and densities were produced by varying CVD conditions. After the surface treatment, single fiber fragmentation test was used to assess the interfacial shear strength (IFSS) of carbon fiber/epoxy composites. Compared with the as-received CFs, the epoxy sizing and the heat treatment contributed to an improvement in IFSS of up to 35% and 75%, respectively. The interfacial adhesion between epoxy matrix and CNT-grafted fibers could be tailored by varying the CNT morphology, number density and length. The CFs grafted with 2 wt% CNTs of 10 nm in diameter resulted in an improvement in IFSS of around 60%. A further heat treatment and epoxy sizing could contribute to an additional increase of 108%. It’s worth to mention that no significant strength degradation of the fibers was observed after the surface treatments. This work could support the development of large-scale approach to CF surface treatment, and throw light on the design of structurally efficient CF/epoxy composites.

O desenvolvimento da sociedade humana somente atingiu o estágio atual devido à utilização de materiais compósitos de diferentes misturas, que vem desempenhando um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade moderna. Com a finalidade de explorar o crescente interesse nas pesquisas de novos materiais, este trabalho apresenta um estudo sobre as propriedades do compósito elastomérico a base de poli(éter-siloxano) e sólido particulado cerâmico de titanato de bário (3 BaTiO). Amostras com quantidades adequadas dos componentes, matriz polimérica não curada e particulada de titanato de bário, foram curadas em diferentes concentrações (puro, 10, 20, 30, 40 e 50 %) por meio de mistura em massa em uma câmara glove box em ambiente de nitrogênio, até obtenção de mistura homogênea. O copolímero puro e uma série de compósitos com diferentes concentrações foram submetidos a ensaios de inchamento, análises térmicas gravimétricas, calorimetria diferencial exploratória, caracterização morfológica por microscopia eletrônica de varredura, ensaios mecânicos de tração e medidas elétricas. Por meio dessa série de técnicas de caracterização foram observadas propriedades bem distintas entre o polímero puro e os compósitos, caracterizado pelo aumento das ligações cruzadas. Neste trabalho foi também construído um capacitor de placas paralelas para teste de capacitância elétrica dos materiais preparados, visando o estudo do comportamento elétrico dos materiais em estudo. / The present development of the human society should be credited to the use of the composite and blend materials. In this dissertation composites of an elastomer, poly(ether-siloxane), along with barium titanate are prepared and their properties are studied. Nanoparticles of barium titanate were incorporated in the elastomer in the range 0-50 wt% through bulk mixing under nitrogen atmosphere in a glovebox, using a porcelain mortar and pestle. The mixtures thus prepared were placed in molds and allowed to cure in order to prepare specimens for properties analyses. The composites were submitted to swelling tests, thermal gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), mechanical strength tension test, electrical measurements and electron scanning microscopy (SEM). It was possible to make a correlation between the observed properties and the morphology and composition of the composites. Additionally, a parallel plates capacitor for injection and test of small samples was built and used to evaluate the electrical capacitance of the composites prepared in this work.

La fabrication de guides d’ondes à partir d’un matériau composite CFRP isolant, nécessite de rendre la surface interne conductrice électriquement. Cela peut s’effectuer par métallisation, mais des verrous technologiques apparaissent en raison de la géométrie complexe associée à une surface inerte. Le CFRP est composé d’époxy dont la température de transition vitreuse est de 216 °C, ce qui limite le choix des techniques de métallisation. De plus, l’énergie de surface du polymère qui compose la surface du CFRP est plutôt faible (20-40 mJ/m2) et non polaire, ce qui conduit à une adhérence faible des revêtements métalliques. Le procédé DLI-MOCVD est utilisé pour le dépôt du revêtement métallique car il combine un contrôle rigoureux des débits de réactifs, des vitesses de croissance élevées et il est adapté pour revêtir des substrats tridimensionnels. Le choix du métal (le cuivre) est basé sur un savoir-faire antérieur de l’équipe de recherche, pour la possibilité de le déposer à une température bien inférieure à 216 °C, et bien entendu pour son excellente conductivité électrique et sa résistance au vieillissement ambient. Le film de Cu est élaboré à partir du précurseur organométallique (hfac)Cu(MHY), développé par P. Doppelt au CNRS. Ce précurseur qui se présente sous forme liquide à Tambiante, est dilué dans de l’octane anhydre pour pouvoir être injecté par le système DLI. Après avoir implémenté un réacteur dédié au travaux de la thèse, une étude de cinétique chimique du dépôt à partir du précurseur a permis de définir les conditions expérimentales optimales ; notamment la température de dépôt fixée à 195 °C. Les revêtements obtenus sont partiellement couvrants et sont conducteurs. Leur adhérence avec le substrat est nulle. Par conséquent, on sélectionne puis on teste différents prétraitements du substrat afin de modifier la morphologie et la réactivité de la surface CFRP. On montre à travers six prétraitements que la formation de rugosité de surface favorisant l'ancrage mécanique est un caractère prépondérant pour l’amélioration de l’adhérence, par rapport à la modification chimique. Les deux prétraitements les plus performants sont le traitement par voie humide CircupositTM et le traitement in situ à l’O3 A ce stade, les films sont conducteurs et adhérents mais ils ne mouillent pas intégralement la surface du composite lors du dépôt. On démontre alors que l’injection d’un précurseur de cobalt (Co2(CO)5) en alternance avec le dépôt de Cu permet d’obtenir un revêtement de cuivre métallique, pur à plus de 98 %, couvrant, conducteur et adhérent. A ce stade, le rôle du précurseur de Co n’est pas clairement établi. Néanmoins, les études préliminaires d’industrialisation du procédé consistant à améliorer les rendements et vitesses de croissance sont entreprises. Notamment, les coûts sont abaissés en remplaçant le solvant octane. Avec ce solvant, le dépôt de Cu est adhérent sans prétraitement préalable de la surface du substrat. A noter que le précurseur de Co est toujours nécessaire pour assurer une couverture complète de la surface CFRP. C’est dans ces conditions de dépôt, et après quelques ajustements paramétriques que les premiers guides d’ondes de 60 mm sont revêtus. Les résultats des tests de cyclage thermique étant positifs, la longueur des guides d’ondes à revêtir est augmentée à 300 mm, dimension minimale pour pouvoir effectuer des tests de transmission des ondes radiofréquences : la propriété finale. Cette modification géométrique requière une phase d’optimisation plus complexe afin de garantir l’uniformité en épaisseur et en propriétés électriques sur toute la longueur. Les guides d’ondes de 300 mm métallisés passent les cyclages thermiques avec succès. Les tests radiofréquences indiquent un taux de transmission des ondes < 30 dB, ce qui est tout à fait acceptable d’un point de vue applicatif. En revanche, les pertes sont importantes en comparaison avec l’existant, mais de nombreuses pistes d’améliorations sont proposées. / The manufacturing of waveguides from insulating C fibers reinforced polymer composites necessitates to render internal surfaces electrically conductive. This can be achieved by metallization but technological bottlenecks arise due to the complex geometry and the chemical inertia of the surface. The CFRP matrix is composed of RTM6 epoxy whose glass-transition temperature equals 216 °C, limiting the choice of metallization techniques. Additionally, the surface energy of the polymer (constituting the surface of the CFRP) is low (20-40 mJ/m2) and non-polar, i.e. a poor adherence is expected for metallic coatings. A DLI-MOCVD process is used to form the metallic coating because it combines a good control of reactive fluxes, high deposition rates, and because it is relevant for the coating of three-dimensional substrates. The choice of the metal (Cu) is dictated by the anterior know-how of the research group, by the possibility to deposit at a temperature well below 216 °C, and because Cu shows an excellent electrical conductivity and a good resistance to ambient ageing. The Cu film is formed from the organometallic precursor (hfac)Cu(MHY), developed par P. Doppelt at CNRS (Paris). The precursor is diluted in anhydrous octane to make it injectable by DLI. After the mounting and implementation of the DLI-MOCVD reactor dedicated to the PhD work, a study of the chemical kinetics of the deposition from this precursor helped in the definition of the optimal conditions; noticeably the deposition temperature fixed at 195 °C. The coatings are partially covering and interfacial adherence is poor, but they are conductive. Consecutively, we identify, develop and test several pretreatments in order to modify the topography and reactivity of the CFRP surface. Based on 6 recipes, we show that mechanical anchorage is preponderant over the chemical reactivity to improve the adherence. The two best pretreatments are the solution chemistry treatment CircupositTM, and the in situ treatment with O3. At this stage of the work, Cu films are conductive and adherent but they do not wet the entire composite surface, even after long deposition duration. We then demonstrate that the injection of a Co precursor (Co2(CO)5) alternating with the Cu deposition leads to the formation of a pure metallic Cu film (> 98%) which is covering, conductive and adherent. The role of the Co precursor is not yet established. Nevertheless, we start the preliminary process industrialization studies consisting in the improvement of the growth rate and the yield. Noticeably, costs are decreased by replacing the octane solvent. With it, the Cu coating is adherent without any pretreatment of the substrate surface! The Co precursor is still necessary to ensure the proper covering of the entire surface, though. In these conditions, and after adjustments of some parameters, the first 60 mmlong waveguides are coated. The thermal cycling resistance is excellent. Therefore, waveguides length is increased to 300 mm, the minimum dimension for the radiofrequency transmission tests (final property) to be correct. The increase of length causes a complex adaptation of the process in order to guarantee the deposition of a uniform coating over the length, in terms of thickness and electrical properties. Radiofrequency tests result in a stationary waves rate < 30 dB, which is acceptable at the industrial level. Yet, losses are too important in comparison with current waveguides, but many proposals are formulated to improve our solution.

Le procédé d’enduction grande vitesse d’un filament de carbure de silicium de type SCS-6 par du titane liquide constitue une voie d’élaboration innovante pour la réalisation de composites à matrice métallique. Cependant, un mauvais mouillage entre le filament et le titane liquide et la formation de perles de titane le long de ce filament au cours de l’enduction ne permettaient pas de maîtriser le procédé pour la réalisation des matériaux composites. Les travaux de la thèse ont donc consisté à identifier et comprendre l’ensemble des mécanismes entrant en jeu lors de l’enduction à grande vitesse. Une double approche numérique et expérimentale a été mise en place pour estimer les paramètres influents sur l’épaisseur de fluide emportée et sa stabilité en proposant une analyse paramétrique du phénomène physique grâce à l’étude d’enductions avec des liquides modèles. Cette analyse a ensuite été confrontée à une analyse physique et chimique d’enduction de filaments par un fluide métallique. Les différences et similitudes de ces analyses ont permis notamment grâce à des études de mouillage, à identifier les conditions pour lesquelles l’enduction d’un filament céramique de carbure de silicium par un alliage de titane seraient possibles. / High speed coating of SCS-6 silicon carbide fiber by liquid titanium is a new industrial process designed to manufacture metallic matrix composites at a lower cost. However, due to expected high speed in the coating process, a lack of reactivity is observed between liquid titanium and ceramic fiber. Because of these high speeds, large titanium drops are also formed on the coated fiber. The work presented in this doctoral thesis aimed to identify and understand the several mechanisms occurring in this high speed coating in order to propose an improvement of the industrial process.Both experimental and numerical studies are used to determine the parameters responsible of the coating and the ones of thickness stability. Standard coatings with model fluids were firstly studied to understand the physical phenomenon alone. The understandings of chemical influence in fiber coating and especially on wetting properties were done in a second time. Using the previous results, an optimization of titanium high speed coating on ceramic fiber is then described.

Cette étude vise à développer des connaissances sur le comportement d’un réservoir d’hydrogène àhaute pression en composite bobiné (fibre de carbone et résine époxy) soumis à des chocs en service, c'est-àdireà étudier les endommagements générés ainsi que leur évolution et leurs conséquences en service. Dansun premier temps, une étude micrographique sur les réservoirs impactés à des niveaux d’énergiecaractéristiques des chocs habituels de manutention a été réalisée afin d’observer les configurationsd’endommagement induites. Par la suite, différentes techniques d’impact sont comparées pour sélectionnercelle permettant de reproduire ces endommagements représentatifs des chocs subis par les réservoirs sur deséprouvettes prélevées dans des cylindres bobinés. Ces échantillons sont testés en traction monotone afin dequantifier l’abattement des propriétés mécaniques induites par l’endommagement. Puis, une approche demodélisation de l’évolution des dommages d’impact a été développée. Dans un souci de ménager le caractèreopérationnel de l’approche, elle est construite à partir d’outils simples permettant de traduire l’effet de lafissuration matricielle, de la rupture des fibres et du délaminage. Pour décrire la ruine de la structure, uneapproche de type « analyse progressive de la rupture » a été utilisée. Une fois validé sur éprouvette, lemodèle est appliqué au comportement de réservoirs complets afin d’estimer la tolérance aux dommages et deprévoir la diminution de pression d’éclatement provoquée par les chocs. / This study aims to develop knowledge about the behavior of a wound composite high-pressurehydrogen tank subjected to impact in service, that is to say, to study the damage generated and their evolutionand their consequences in service. At first, a micrographic study of reservoirs impacted at energy levelscharacteristic of common in-service shocks is performed to observe damage induced configurations.Thereafter, various impact techniques are compared to select the one able to reproduce this representativedamage on specimens cut from wound composite cylinders. These samples are tested under monotonictension to quantify the reduction of the mechanical properties induced by damage. Then, a model for theevolution of impact damage is developed. In order to maintain the operational nature of the approach, it isbuilt from simple tools to capture the effect of matrix cracking, fiber breakage and delamination. To describethe collapse of the structure, a "progressive failure analysis" is used. Once validated on specimens, the modelis applied to the behavior of wound composite tanks to estimate damage tolerance and predict the burstpressure decrease caused by shocks.

Cette étude porte sur le comportement à l’impact et post-impact d’un composite 100% biosourcé, à fibres de lin et à matrice Polyamide 11. Une première étape a consisté à optimiser les paramètres de mise en oeuvre par thermocompression de ce composite. Deux types de tissus unidirectionnels de lin (A et B) ont été testés, ainsi que deux conditionnements de la résine PA11 : sous forme de film ou de poudre. Tout d’abord, les niveaux de température et de pression ont été optimisés sur un « premier set » de composites, élaborés à partir de lin A et de poudre de Polyamide 11. Ensuite, un « deuxième set » de composites a été étudié pour optimiser le choix des constituants. L’ensemble des composites fabriqués a été testé en traction, par DMA et par des mesures de taux de porosité. Il a été montré que la configuration optimale était obtenue avec le lin B et le Polyamide 11 sous forme de film, élaborée avec une température de 210°C et des paliers de pression de 25, 40 et 65 bars. Une analyse des endommagements créés en traction dans ce composite a été réalisée en couplant des observations par MEB et des enregistrements par émission acoustique. Il a ainsi été possible d’identifier quatre classes d’endommagement dans les composites [0]4 et [90]4, et cinq classes dans les composites [±45]s. Chacune de ces classes a été associée à une forme d'onde acoustique et à un type d’endommagement observé. La deuxième partie de ce travail a consisté à étudier l’influence d’un impact de 3,6J sur le comportement en traction et en compression de quatre séquences d’empilement : unidirectionnel [0]8, alterné [0/90]2s, sandwich [02/902]s et multidirectionnel [45/0/-45/90]s. Les grandeurs caractéristiques du comportement à l’impact ont tout d’abord été déterminées pour les quatre drapages.Les endommagements créés par l’impact ont été analysés par différentes techniques : observations visuelles,mesures topographiques, C-scan par ultrasons, et micro-tomographie. Les résultats ont montré que les configurations qui s’endommagent le moins à l’impact sont les drapages alterné et multidirectionnel. Les échantillons impactés ont ensuite été sollicités pour déterminer leurs propriétés post-impact, et les comparer aux résultats obtenus sur éprouvettes saines. Des essais de traction et de compression ont été réalisés sur cinq éprouvettes de chaque configuration. Lors de ces essais, les endommagements ont été suivis par émission acoustique, et les champs de déformation ont été mesurés par corrélation d’images. Les résultats ont montré que,grâce à la présence des plis à ±45°, le composite multidirectionnel présente les meilleures propriétés résiduelles.Enfin, un modèle post-impact a été mis en place, permettant, dans une première approche, en appliquant un module dégradé dans la zone impactée, de retrouver globalement les champs de déformations expérimentaux mesurés sur les différents drapages. / This PhD work deals with the impact and post-impact behavior of a fully bio-based composite made of flax fibresand Polyamide 11. The first goal was to optimize the hot press moulding parameters for manufacturing this composite. Two types of unidirectional flax fabrics (A and B) and two forms of Polyamide 11 (powder or film) were tested. At first, the pressure and temperature process values were optimized using a first set of composites made of flax A and Polyamide 11 in the form of powder. Then, an optimization of material components was conducted using a second set of composites. All the manufactured composites were tested by means of tensile tests, DMA and porosity measurements. Finally, an optimum configuration was determined: the composite flax B/PA 11 film manufactured with a temperature value of 210 °C and with gradual levels of pressure until 65 bars. Moreover, damage mechanisms were evaluated by acoustic emission and SEM observations during tensile tests. Four mechanisms were identified for the [0]4 and [90]4 composites and five for [±45]s composites. The second goal of this study was to study the effect of an impact of 3.6 J on the compression and tensile behaviors of four stacking sequences of this composite: unidirectional [0]8, alternated [0/90]2s, sandwich [02/902]s and multidirectional [45/0/- 45/90]s. The damage created by the impact in these four lay-ups was characterized thanks to different techniques: visual observations, topographic and C-scan measurements, and micro-tomography. It has been shown that the configurations with the smallest damage were the alternated and multidirectional composites. Then, impacted composites were tested by tensile and compressive loadings, and results were compared with the properties of non- impacted composites. Acoustic emission and digital image correlation were used to identify the damage and strain mechanisms of each type of composites. The results showed that, thanks to the presence of the ±45° plies, the multidirectional composite has the best post-impact behavior. Finally, a finite element model has been developed for simulating the post-impact behavior. As a first approach, a lower value of modulus has been implemented in the impacted area. It has allowed us to compare numerical and experimental strain fields for the different stacking sequences.

La mécanoluminescence (ML) est un phénomène physique qui se traduit par l’émission de lumière suite à l’application d’une contrainte mécanique. Dans le cadre de ce travail de thèse, les matériaux mécanoluminescents vont être utilisés afin de visualiser les contraintes qui peuvent être générées dans un verre lors d’une sollicitation mécanique. Nous avons élaboré un composite constitué de particules mécanoluminescentes SrAl2O4:Eu, Dy incorporées dans une matrice vitreuse. Nous nous sommes ensuite intéressés à l’origine et au mécanisme de ce phénomène en réalisant une étude mécanique sur le composite. Ces essais nous ont permis de développer un modèle empirique qui relie la contrainte à l’intensité émise. La structure cristalline des particules jouant un rôle clef dans la ML, nous avons également mené une étude théorique de cette structure, ce qui nous a permis de corréler les observations macroscopiques faites sur le composite aux phénomènes ayant lieu à une échelle atomique. / Mechanoluminescence (ML) is the phenomenon of light emission generated by a mechanical loading. Mechanoluminescent materials were used to visualize the stress in glasses during mechanical loadings. A mechanoluminescent particulate glass composite was synthesized by incorporating SrAl2O4:Eu, Dy particles in a glass matrix for the first time. We performed a mechanical study on the composite to determine the origin and the mechanism of this phenomenon. We developed a theoretical model which accurately predicts the ML intensity changes induced by a complex mechanical loading. The crystal structure of the particles has a key role in the ML and we carried out a theoretical study of this structure to correlate the macroscopic observations made on the composite to the phenomena which occur at the atomic scale.

Les composites à fibres et matrice céramiques sont des matériaux structuraux utilisés pour des applications aéronautiques, c'est à dire subissant des contraintes mécaniques et thermiques, en milieux oxydants et corrosifs et à température élevée. La résistance à l’oxydation/corrosion de ces matériaux est liée à leur capacité à s’auto-protéger par la formation d’un oxyde nappant la surface et limitant l’accès de l’oxygène vers le coeur du matériau. Des matrices multi-séquencées auto-cicatrisantes constituées de phases borées ont ainsi été conçues. Elles engendrent la formation d’une phase protectrice borosilicatée par oxydation dès les basses températures (i.e. à partir de 450°C). Lors de leurs applications, les pièces seront soumises à des cyclages thermomécaniques venant modifier la diffusion d’O2 à coeur, la répartition des oxydes liquides ainsi que leur état. La démarche expérimentale mise en place afin de caractériser l’influence de l’oxyde sur le comportement du matériau se dissocie en quatre parties : (i) identifier le comportement intrinsèque mécanique etthermique du matériau (à température ambiante, à haute température sous atmosphère neutre, enfatigue thermique), (ii) mettre en évidence une éventuelle interaction entre l’oxyde présent dans lematériau et le comportement mécanique macroscopique de ce dernier, (iii) déterminer si la viscosité del’oxyde (très dépendante de la température) vient modifier les transfert de charge F/M et (iv) observer quel peut être le comportement du matériau lorsque de la fatigue cyclique est réalisée en même temps qu’une rampe thermique, l’alternance d’ouverture/fermeture des fissures pouvant altérer l’auto-cicatrisation du matériau. / Composites made of Ceramic for both fibers and matrix aimed at being used in aerospace applications, that is to say, under mechanical stresses at high temperatures in oxidizing and corrosive environments. Resistance to oxidation /corrosion of these materials is linked to their ability to self-heal by creating anoxide phase limiting access of oxygen to the bulk of the material. Multi-sequenced self-healingmatrices made of boron containing phases were thus designed to promote the formation of a protective borosilicate phase by oxidation at low temperatures (i.e. starting at about 450°C). Parts made of this material subjected to thermomechanical cycles which will possibly change the distribution of O2 in the bulk as well as that of liquid oxides and their state. The experimental approach developed to characterize the influence of the oxide material behavior dissociates into four parts: (i) identify the intrinsic mechanical and thermal behavior of the material (at room temperature, in neutral atmosphere at high temperature in thermal fatigue), (ii) highlight a possible interaction between the oxide present in the material and the macroscopic mechanical behavior of the composite, (iii)determine if the viscosity of the oxide (very temperature dependent) modifies the charge transferF/M and (iv) observe what may be the behavior of the material when the cyclic fatigue is performed in conjunction with a thermal ramp, alternating the opening /closing of cracks that could alter the self-healing material.

Integrally heated composite tooling (IHCT) is seen as a low cost alternative to autoclave manufacturing of polymer matrix composites (PMCs). IHCTs consist of a composite tool heated by surface heaters; temperature distribution is ensured by a thermally conductive metallic layer. The main original contributions of this thesis was the development of a new method for applying copper coatings onto carbon fibre/epoxy PMCs using pulsed gas dynamic spraying, the production of larger size samples, and the characterisation of the performance of the coatings and laminates obtained. It was shown that this method has potential for producing the thermally conductive layer in an IHCT. Another contribution was the characterisation of parameters affecting temperature distribution across IHCTs through heat transfer simulations, leading to guidelines for IHCT design.

An investigation of the effect of R-ratio on the mode II fatigue delamination of AS4/3501-6 carbon/epoxy composites has been undertaken. Experiments have been performed on end notched cantilever beam specimens over a wide range of R-ratios (-l ≤R ≤0.50). The measured delamination growth rate data have been correlated with the mode II values of strain energy release rate range ∆G[formula omitted]), maximum strain energy release rate (G[formula omitted]) and stress intensity factor range (∆K[formula omitted]). The growth rate is dependent on the R-ratio over the range tested. For a constant level of ∆G[formula omitted], the crack growth rate decreases with increasing R-ratio. A similar trend is observed when the data is plotted as a function of G[formula omitted]. The effect of plotting the growth rate as a function of ∆K[formula omitted] is to produce an R-ratio dependence opposite to that obtained by either the ∆G[formula omitted] or G[formula omitted] approach. For a constant level of ∆K[formula omitted], the crack growth rate increases with increasing R-ratio. Master equations which completely characterize the fatigue behaviour as a function of ∆G[formula omitted] and ∆K[formula omitted] have been derived, based on the observation that the growth rate law exponent, n and constant, A are unique functions of R-ratio. Values for n are surprisingly large and increase with increasing R-ratio whereas values for A decrease with increasing R-ratio. The effect of time-at-load has been considered in an attempt to explain the existence of the R-ratio dependence of the growth rate. The correct trend can be established for the exponent, n but not for the constant, A. Friction between the crack faces, particularly at higher R-ratios, is proposed as a possible explanation for the observed anomaly. Further evidence of a frictional mechanism operating at higher R-ratios has been discovered through a postmortem fracture surface examination. Additional fractographic observations are presented over the entire range of R-ratios tested. In regions subjected to negative R-ratio cycling, there is no evidence of the characteristic mode II hackle features. Instead, loose rounded particles of matrix material are found. An extensive amount of hackling is observed in regions subjected to low positive R-ratio cycles. The extent of hackle damage visibly decreases in areas where higher levels of R-ratio are imposed. A correlation between the general fracture surface morphology and the fatigue data provides support for the hypothesis that energy for delamination is always available in sufficient quantity, and that growth is dependent on the stresses ahead of the crack tip being sufficiently high. / Applied Science, Faculty of / Materials Engineering, Department of / Graduate