Cette étude a pour but de développer de nouveaux matériaux composites à matrice métallique renforcés par des nanotubes de carbone (CNT) et présentant des propriétés mécaniques améliorées. La majeure partie de ce travail a été réalisée en utilisant des CNT multi-feuillets synthétisés par déposition chimique en phase vapeur en tant que renforts et un alliage d'aluminium AA5083 comme matrice. Des composites CNT/AA5083 denses et homogènes ont été élaborés par le procédé de métallurgie des poudres suivi par une étape de mise en forme, l'extrusion. L'homogénéité de la dispersion des CNT à l'échelle microscopique dans les composites s'avère être un paramètre clé pour l'amélioration des propriétés mécaniques. Ceci a été réalisé par broyage planétaire à haute énergie impliquant des mécanismes de déformation plastique et de soudure à froid et a été démontré à l'aide d'études cartographiques par spectroscopie Raman. La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la micro-dureté des composites homogènes ont été augmentées jusqu'à respectivement 55%, 61% et 33% en comparaison avec l'alliage sans CNT et préparé dans les mêmes conditions. Le coefficient de dilatation thermique a été quant à lui réduit de 10%. Les propriétés optimales ont été obtenues pour des concentrations en CNT de 1,5 % en masse. Le renforcement du matériau a été principalement attribué au transfert de charge à l'interface CNT/matrice. / The overall goal of this thesis is to process new metal matrix composites reinforced by CNT with enhanced mechanical properties. The main part of this work was achieved using CVD-grown multi-walled CNT as reinforcement and a high-performance light aluminium alloy, AA5083, as the matrix. Dense and homogeneous CNT/AA5083 composites were processed by the powder metallurgy route, followed by an extrusion forming process. A homogeneous dispersion of the CNT in the composites at the micron scale appears to be a key parameter for improving the mechanical properties. This could be achieved using high energy ball milling through the mechanisms of plastic deformation and cold-welding, and was demonstrated from Raman spectroscopy cartography studies. Yield strength, ultimate tensile strength and micro-hardness of the homogeneous composites were increased by up to 55%, 61% and 33%, with respect to raw alloys processed in the same conditions, and the coefficient of thermal expansion was decreased by 10%. Optimal results were obtained with a CNT con-tent of 1.5 wt.-%. The material strengthening was principally attributed to load transfer at the CNT/matrix interface.

En raison de leur propriétés spécifiques élevées, par rapports aux alliages légers, les Composites à matrice métallique (CMM) représentent des matériaux d'intérêt pour des applications de haute technologie dans les domaines aéronautique et aérospatiale. Les CMM les plus couramment utilisés sont à renfort particulaire, ou PRMMC, et à matrice Al en raison de leur faible densité. Cette thèse porte sur la mise au point de PRMMC à renfort nanométrique par une voie de synthèse réactive globale. En raison des normes encadrant l’usage des nanomatériaux et visant à limiter l’exposition des usagers et de l’environnement, la manipulation de poudres de taille nanométrique est coûteuse et problématique dans le cadre d’un usage industriel. La nouvelle voie de synthèse qui a été développée dans le cadre de cette thèse a permis de démontrer la faisabilité de composites à matrice métallique et à renfort particulaire nanométrique, dimension moyenne de 30 nm, sans avoir recourt initialement à des poudres de taille nanométrique. Le procédé étudié consiste en une réaction chimique à haute température entre deux matériaux précurseurs qui conduit à la formation in-situ non seulement du renfort mais aussi de la matrice. Par rapport aux techniques de synthèse classiques, cette technique permet de synthétiser des nanoparticules in situ et d’en contrôler la taille. De plus, la matrice et le renfort étant co produits par la réaction à haute température, l’interface entre les deux phases est exempte de couches d’oxydes, ce qui lui assure une très bonne adhésion. Dans le cadre du projet ANR NanoTiCAl, la faisabilité de cette nouvelle méthode a été étudiée à travers le cas d'un composite à matrice aluminium renforcé par des particules de carbure de titane (TiC). Les synthèses ont été réalisées entre 900°C et 1000°C à partir d’un couple de précurseurs incluant le graphite et un aluminiure de titane (Al3Ti). Le composite obtenu, caractérisé par un taux de renfort élevé de 34wt.%, possède un module de Young de 106 GPa, un allongement maximal à la rupture de 6% ainsi qu’une énergie à rupture de l’ordre de 28 J.cm-3. Ces valeurs démontrent un compromis entre résistance et capacité d’endommagement original et particulièrement intéressant, jamais observé dans la littérature pour des composites d’une teneur en renfort aussi importante. La caractérisation fine de la microstructure du composite ainsi que du renfort TiC après extraction du composite massif, ont permis de mieux comprendre les mécanismes à l’oeuvre dans cette voie de synthèse réactive. Enfin, sur la base de la compréhension obtenue dans le cas du composite Al/TiC, des critères ont été identifiés permettant d’aller vers une généralisation de ce procédé de synthèse. La pertinence de cette généralisation a finalement pu être démontrée par quelques mises en application à d’autres systèmes / Metal Matrix Composites (MMCs) have attracted research and industrial attentions as materials for high technological applications in the aeronautic and aerospace industry. The MMCs differ by their high specific mechanical properties compared to light weight alloys. The most commonly used are the Particulate Reinforcement Metal Matrix Composites (PRMMCs), especially the Al based matrices because of their low density.This thesis deals with the reactive synthesis of PRMMCs reinforced by nanoparticles. Because of the standards governing the use of nanomaterials to limit the exposure of users and environment, handling nanoscaled powders is very problematic and expensive in industry. Furthermore, the cost of this kind of processes is very high. This new synthesis route, developed during this thesis, shows the feasibility of PRMMCs reinforced by nanosized particles, with a mean size of 30 nm, without using any starting nanoparticles.The process consists in a chemical reaction at high temperature between precursor materials which leads to form both of the matrix and the reinforcement phase. Compared to conventional synthesis techniques as stir casting, this route allows to synthesis nanoparticles in-situ and to control their size. In addition, the matrix and the reinforcement, which are formed by a reaction at high temperature, have an interface free of oxide layers which assures a good adhesion.In the NanoTiCAl project, the feasibility of this new method is illustrated in the case of an aluminium based composite reinforced by titanium carbide (TiC). The synthesis were realized between 900°C and 1000°C from a couple of precursors including graphite and titanium aluminide (Al3Ti). The resulting composite, characterized by a high reinforcement ratio (34 wt.%), presents a Young’s modulus of 106 GPa, a maximum elongation of 6 % and a high toughness, about 28 J.cm-3. These values represent an uncommon compromise between strength and toughness never seen in the literature regarding to the high content of reinforcement.The characterization of the composite microstructure and of the reinforcement phase, after extraction of the solid composite, allowed a better understanding of the reaction mechanism during the reactive synthesis. Finally, based on our understanding of the Al-TiC composite, criteria have been identified to generalize this synthesis process. This generalization was demonstrated with success in other systems

Le procédé de projection à froid a démontré ses avantages uniques dans la préparation de revêtements métalliques, composites et céramiques. Parmi ces revêtements, ceux constitués de magnésium pur ou de composites à matrice métallique à base de magnésium font partie des matériaux les plus prometteurs en raison de leur excellente résistance spécifique. Pourtant, les mécanismes de fabrication, par ce procédé de projection, des revêtements magnésium et composites à base de magnésium n'ont pas été étudiés. C'est le sujet de cette thèse. Les recherches menées dans cette étude s'articulent autour de plusieurs domaines, à savoir: La science des matériaux avec des études sur l'effet de la granulométrie des particules de magnésium, l'effet de la taille et de la teneur (15% vol. - 60 % vol.) des particules de renforcement (SiC) ; La mécanique des fluides avec des modélisations de géométrie de buse, d'écoulement de gaz et des vitesses des particules de magnésium et alliage de magnésium (AZ91D) ; Les caractérisations des dépôts avec des analyses de microstructure et des mesures de microdureté, d'adhérence et de comportement au frottement des revêtements;Les résultats montrent que la projection à froid peut être utilisée pour fabriquer des revêtements de magnésium purs ou composites sans aucune oxydation ou transformation de phase. La taille de ces particules doit rester dans une fourchette acceptable pour égaler la vitesse critique (entre 653 m*s-1 et 677 m*s-1) permettant la déposition. Concernant plus spécifiquement les résultats sur les revêtements de magnésium pur, le maximum de rendement de dépôt est obtenu par projection d'une poudre de granulométrie comprise entre 22 μm et 64 μm. L'adhérence atteint 11.6 ± 0.5 MPa lorsque le substrat est préchauffé à 200 oC. Pour le cas des revêtements AZ91D, la construction du dépôt s'effectue par effet de verrouillage mécanique. Le type de frottement observé sur ces revêtements est une usure adhésive. Dans les revêtements composites d'AZ91D - SiC, la teneur en particules de renforcement SiC présentes dans le dépôt diminue avec leur taille dû à l'effet "onde de choc". Le rendement de dépôt augmente avec la teneur en SiC de 15 vol.% à 30 vol.%, puis diminue au-delà de 30 vol%. Le type de frottement correspond à une usure par abrasion.

Les moteurs électriques, les transformateurs, les électroaimants et autres appareils électriques nécessitent des matériaux qui sont en mesure de canaliser les lignes de champ magnétique tout en limitant les pertes qu’elles entraînent. Les matériaux utilisés à cet escient sont appelés matériaux magnétiques doux. Un des moyens utilisé pour limiter les pertes dans ces matériaux est d’augmenter leur résistivité. Pour y arriver, on unit des matériaux très résistifs à des matériaux ferromagnétiques. On obtient ainsi des composites magnétiques doux. Depuis plus de 100 ans, le type de composite magnétique doux le plus utilisé consiste en un empilement de tôles de fer laminées séparées par un matériau isolant. Ces matériaux sont très efficaces mais ont leur lot d’inconvénients. Depuis quelques années, une nouvelle technique s’appuyant sur la métallurgie des poudres a été développée. Elle consiste à envelopper des particules de fer d’un matériau isolant et de les compacter. On obtient ainsi un matériau qui peut être très résistif. Ce projet avait pour but de développer un composite magnétique doux à base de poudre métallique dont le matériau isolant serait de la ferrite NiZn nanométrique. Pour y arriver deux techniques ont été étudiées. La première consistait à recouvrir les particules de fer par placage de la ferrite et la seconde consistait à ajouter nanoparticules de ferrite NiZn à la poudre de fer. Les résultats ont permis de constater que les deux techniques pouvaient être utilisées pour le développement de composite magnétiques doux. Plus spécifiquement, on a obtenues des pertes magnétiques de 11,9 W/kg et de 93 W/kg à 60 Hz et 400 Hz respectivement pour les échantillons préparés par placage de la ferrite et de 13,5 W/kg et de 137 W/kg à 60Hz et 400 Hz respectivement pour les échantillons préparés par ajout de nanoparticules. / Electric motors, transformers, electromagnets and many other electric devices require materials that can provide a path for magnetic field lines while minimizing losses that they generate. Materials used for these applications are called soft magnetic materials. One way to minimize losses in such materials is to increase their resistivity. In order to do so, highly resistive materials are coupled with ferromagnetic materials. These are called soft magnetic composites. For more than one hundred years, the most common type of soft magnetic composite was made by stacking sheets of rolled iron separated by a thin layer of insulating materials. These were very simple and efficient but also had their share of drawbacks. During the last decades, a new technique based on powder metallurgy was developed. It consists in coating iron particles with an isolating material prior to compaction. This type of materials can be highly resistive. The objective of this project was to develop a soft magnetic composite using metal powders in which the insulating materials would be nanometric NiZn ferrite. Two different techniques were studied in order to achieve this goal. The first one consists in coating iron powders with NiZn ferrite using ferrite plating and the second one consists adding nanoparticles to iron powder. The results obtained throughout this study showed that these two techniques could certainly be used to develop metal powder based soft magnetic composites. More specifically, magnetic weight losses of 11,9 W/kg and 93 W/kg were obtained at 60 Hz and 400 Hz respectively for components prepared using the ferrite plating technique while losses of 13,5 W/kg and 137 W/kg were obtained at 60 Hz and 400 Hz respectively for components prepared by adding ferrite nanoparticles.

Le procédé de projection à froid a démontré ses avantages uniques dans la préparation de revêtements métalliques, composites et céramiques. Parmi ces revêtements, ceux constitués de magnésium pur ou de composites à matrice métallique à base de magnésium font partie des matériaux les plus prometteurs en raison de leur excellente résistance spécifique. Pourtant, les mécanismes de fabrication, par ce procédé de projection, des revêtements magnésium et composites à base de magnésium n'ont pas été étudiés. C’est le sujet de cette thèse. Les recherches menées dans cette étude s’articulent autour de plusieurs domaines, à savoir: La science des matériaux avec des études sur l’effet de la granulométrie des particules de magnésium, l’effet de la taille et de la teneur (15% vol. - 60 % vol.) des particules de renforcement (SiC) ; La mécanique des fluides avec des modélisations de géométrie de buse, d’écoulement de gaz et des vitesses des particules de magnésium et alliage de magnésium (AZ91D) ; Les caractérisations des dépôts avec des analyses de microstructure et des mesures de microdureté, d’adhérence et de comportement au frottement des revêtements;Les résultats montrent que la projection à froid peut être utilisée pour fabriquer des revêtements de magnésium purs ou composites sans aucune oxydation ou transformation de phase. La taille de ces particules doit rester dans une fourchette acceptable pour égaler la vitesse critique (entre 653 m•s-1 et 677 m•s-1) permettant la déposition. Concernant plus spécifiquement les résultats sur les revêtements de magnésium pur, le maximum de rendement de dépôt est obtenu par projection d’une poudre de granulométrie comprise entre 22 μm et 64 μm. L’adhérence atteint 11.6 ± 0.5 MPa lorsque le substrat est préchauffé à 200 oC. Pour le cas des revêtements AZ91D, la construction du dépôt s’effectue par effet de verrouillage mécanique. Le type de frottement observé sur ces revêtements est une usure adhésive. Dans les revêtements composites d’AZ91D – SiC, la teneur en particules de renforcement SiC présentes dans le dépôt diminue avec leur taille dû à l'effet «onde de choc». Le rendement de dépôt augmente avec la teneur en SiC de 15 vol.% à 30 vol.%, puis diminue au-delà de 30 vol%. Le type de frottement correspond à une usure par abrasion. / Cold spraying has shown unique advantages in preparing coatings of metal, composite and ceramic. However, the deposition mechanism of magnesium and magnesium-based composite coatings fabricated using cold spraying was not researched although magnesium and metallic matrix composites based magnesium have drawn more and more attention due to their excellent specific strength. Therefore, the deposition mechanism of magnesium and magnesium-based composite coating has been studied in this study. The research carried out in this study involves several fields:Effect of the particle velocity of magnesium particles on the deposition efficiency, microstructure, microhardness and bonding strength of coatings; Effect of the particle size of magnesium particles on the deposition efficiency and microstructure of coatings;Effect of the substrate preheating on the microstructure, microhardness and bonding strength of coatings;Effect of the particle velocity of magnesium alloy (AZ91D) particles on the deposition efficiency, microstructure, and frictional behavior of coatings;Effect of the particle size of strengthening phrase (SiC) on the microstructure, bonding strength and frictional behavior of coatings;Effect of the particle content (15 vol.% - 60 vol.%) of strengthening phrase (SiC) on the microstructure, bonding strength and frictional behavior of coatings.The results show that cold spraying can be used to fabricate magnesium and magnesium-based coatings without any oxidation or phase transformation. The critical velocity of magnesium particles is 653 m•s-1- 677 m•s-1. Magnesium particles with a size too large or too small are not suitable to the deposition. The maximum of deposition efficiency of magnesium particles are obtained using the powder with a size range of 22-64 μm. The maximum of bonding strength between magnesium coatings and substrates is 11.6 ± 0.5 MPa as the substrate is preheated at 200oC. The deposition of AZ91D coatings is due to the effect of mechanical interlocking. And the friction type of AZ91D coatings is adhesive wear. The friction type of AZ91D – SiC composite coatings turn to be abrasive wear. The SiC content in composite coatings decreases as the SiC particle size decreases due to the effect of bow shock. The deposition efficiency of AZ91D and SiC mixed powder increases as the SiC content increases from 15 vol.% to 30 vol.%, and then decreases as the SiC content increases from 30 vol% to 60 vol.%.

De nos jours, l'industrie microélectronique utilise des fréquences de fonctionnement plus élevées dans les composants commercialisés. Ces fréquences entraînent des températures de fonctionnement plus élevées et limitent donc l'intégrité et la durée de vie des composants électroniques. Cependant, les besoins actuels nécessitent des dispositifs miniaturisés et de haute densité de puissance. De ce fait, la dissipation thermique dans les composants microélectroniques s’avère capitale. Ainsi, des drains thermiques sont utilisés pour évacuer la chaleur produite par le fonctionnement du composant. Les drains thermiques actuels sont composés de métaux, tels que le cuivre et l’aluminium, présentant des conductivités et des coefficients de dilatation thermiques élevés. Néanmoins, les coefficients de dilatation thermique des différents matériaux présents dans un circuit peuvent induire des contraintes thermo-mécaniques aux interfaces et engendrer une défaillance des composants après plusieurs cycles de fonctionnement. Dans ce contexte, nous proposons de remplacer ces drains métalliques par un système composite à matrice cuivre renforcée par du carbone, sur lequel est déposé un diffuseur thermique sous forme de diamant. Ces composites Cu/C présentent des propriétés thermo-mécaniques adaptatives pouvant palier aux contraintes induites durant l’utilisation des composants. Le transfert optimal des propriétés dans les MMC est souvent compromis par l'absence de liaison chimique interfaciale, en particulier dans les systèmes non réactifs telsque Cu/C. Cependant, pour un assemblage thermiquement efficace, l'interface devrait permettre un bon transfert de charges thermo-mécaniques entre les matériaux. L'objectif de cette étude est de combiner les propriétés exceptionnelles du diamant et les propriétés thermo-mécaniques adaptatives des MMC. Les composites à matrice de cuivre renforcés au carbone sont synthétisés à l'aide d'un processus dit semi-liquide pour obtenir des gradients de composition et des propriétés optimisées d'interface matrice - renfort. Par conséquent, des éléments d'alliage sont insérés dans le matériau pour former des interphases de carbure à l'interface Cu/C. Le film mince de diamant est obtenu par dépôt chimique en phase vapeur assisté par laser. Cette méthode de dépôt permet d’agir sur la qualité du film ainsi que sur l’adhésion avec le substrat composite. Finalement, une importance particulière est portée à l’influence des interfaces sur les propriétés thermiques tant au sein du matériau composite (interface matrice – renfort), qu’au sein de l’assemblage film diamant – MMC.Ces travaux ont été menés dans le cadre d’un accord franco-américain de cotutelle de thèse entre l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de l’Université de Bordeaux, en France, et le département d’Ingénierie Electrique de l’Université du Nebraska-Lincoln, aux Etats-Unis. Ils ont été financés, en France, par la Direction Générale de l’Armement (DGA), et par l’équivalent Américain aux Etats-Unis. / Today, the microelectronics industry uses higher functioning frequencies in commercialized components. These frequencies result in higher functioning temperatures and, therefore, limit a component’s integrity and lifetime. Until now, heat-sink materials were composed of metals which exhibit high thermal conductivities (TC). However, these metals often induce large coefficient of thermal expansion (CTE) mismatches between the heat sink and the nonmetallic components of the device. Such differences in CTEs cause thermomechanical stresses at the interfaces and result in component failure after several on/off cycles.To overcome this issue, we suggest replacing the metallic heat sink materials with a heat-spreader (diamond film) deposited on metal matrix composites (MMCs), specifically, carbon-reinforced copper matrices (Cu/C) which exhibit optimized thermomechanical properties. However, proper transfer of properties in MMCs is often compromised by the absence of effective interfaces, especially in nonreactive systems such as Cu/C. Therefore, the creation of a chemical bond is ever more relevant. The goal of this research was to combine the exceptional properties of diamond by means of a thin film and the adaptive thermomechanical properties of MMCs. Carbon-reinforced copper matrix composites were synthesized using an innovative solid-liquid coexistent phase process to achieve designed composition gradients and optimized matrix/reinforcement interface properties. In addition, the lack of chemical affinitybetween Cu and C results in poor thermal efficiency of the composites. Therefore, alloying elements were inserted into the material to form carbide interphases at the Cu/C interface. Their addition enabled the composite’s integrity to be optimized in order to obtain thermally efficient assemblies. The diamond, in the form of a thin layer, was obtained by laser-assisted chemical vapor deposition. This process allowed action on the film’s phase purity and adhesion to the substrate material. Of particular importance was the influence of the interfaces on thermal properties both within the composite material (matrix-reinforcement interface) and within the diamond film-MMC assembly. This work was carried out within the framework of a Franco-American agreement between the Institute of Condensed Matter Chemistry of the University of Bordeaux in France and the Department of Electrical Engineering at the University of Nebraska-Lincoln, in the United States. Funding, in France, was provided by the Direction Générale de l’Armement (DGA), and by the American equivalent in the United States.

L'objectif de cette thèse de doctorat est d'étudier expérimentalement et numériquement le comportement thermique des mousses d'aluminium et des matériaux à changement de phase (MCP), présentés sous la forme d’un composite, afin de connaître le phénomène de stockage d’énergie thermique dans ces matériaux. Le procédé de fabrication de la mousse d'aluminium à cellules ouvertes est d’abord analysé numériquement dans le but de réduire les défauts formés durant la fabrication. Les caractéristiques de transfert de chaleur du MCP dans les mousses d'aluminium comportant différentes porosités sont ensuite étudiées en analysant les processus de fusion et la variation de températures dans ces composites. Deux modèles numériques pour la mousse d'aluminium à faible et à haute porosité sont établis afin d’évaluer la performance de stockage d'énergie des composites. Les résultats montrent que la mousse d'aluminium peut améliorer considérablement la performance de transfert de chaleur du MCP en raison de sa conductivité thermique élevée. La performance de stockage d'énergie dépend fortement de la porosité des mousses d'aluminium. Une porosité optimisée met en évidence cette performance et l’amélioration du comportement thermique. La dernière partie de la thèse porte sur une structure améliorée de la mousse par rapport à la structure uniforme: Association de l’ailette métallique et du gradient de porosité de la mousse. Cette nouvelle structure donne ainsi une performance de stockage d'énergie encore meilleure surtout dans le cas d’une source de chaleur isotherme / The objective of this Ph.D. thesis is to study the thermal behavior of the aluminum foam and phase change material (PCM) composite by both experimental and numerical methods in order to know the phenomena of storage of thermal energy in these materials. The manufacturing process of open-cell aluminum foam is firstly analyzed numerically to reduce the manufacturing defects in the samples. The heat transfer characteristics of PCM embedded in aluminum foams with different porosities are then investigated by analyzing the melting processes and the temperature variations in the composites. Two numerical models for low and high porosity aluminum foam are established to evaluate the energy storage performance of the composites. The results show that the aluminum foam can greatly improve the heat transfer performance in PCM due to its high thermal conductivity. The energy storage performance depends strongly on the porosity of the aluminum foam/PCM composite. An optimized porosity highlights this performance and improves the thermal behavior. The last part of this thesis proposes an improved structure of aluminum foam with respect to the uniform structure: Association of the metal fin and the foam with graded porosity. This new structure possesses a better energy storage performance especially in the case of the isothermal heat source

L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'optimiser le processus de fabrication des mousses métalliques et le comportement thermique du matériau de la mousse d'aluminium/matériau de changement de phase (MCP) par des méthodes expérimentales et numériques. Le processus d’élaboration de la mousse d’aluminium à pore ouvert est développé et optimisé pour contrôler précisément les paramètres de fabrication. Deux modèles de mousse d'aluminium à haute porosité (MAHP)/MCP composite et à faible porosité (MALP)/MCP composite sont établis pour la simulation numérique. En simulant le processus de fusion d'un système de stockage d'énergie, les composites MAHP/MCP et MALP/MCP sont comparés numériquement afin d'évaluer la performance de stockage d'énergie thermique. Les résultats montrent que la mousse d'aluminium améliore nettement le processus de transfert de chaleur dans MCP en raison de sa haute conductivité thermique. La porosité des mousses d'aluminium influence non seulement le processus de fusion du composite mais aussi la performance de stockage d'énergie thermique. Grâce à la collaboration avec EPF, une nouvelle méthode d’élaboration des mousses périodiques d'aluminium à pore ouvert est développée dans cette thèse sur la base d’impression 3D. Le comportement thermique des mousses d'aluminium périodiques à pore ouvert/MCP est analysé expérimentalement et numériquement / The objective of this thesis is to study and optimize the manufacturing process of metal foams and the thermal behavior of the aluminum foam/phase change material (PCM) composite by experimental and numerical methods. The manufacturing process of open-cell aluminum foam is developed and optimized to precisely control the parameters of mufacturing. Two pore-scale models of high porosity aluminum foams (HPAF)/PCM composite and low porosity aluminum foams (LPAF)/PCM composite are established for numerical simulation. By simulating the melting process of a layer energy storage system, the HPAF/PCM and LPAFS/PCM composite are compared numerically in order to evaluate the energy storage performance. The results show that aluminum foam improves greatly the heat transfer process in PCM due to its high thermal conductivity. The porosity of aluminum foams could not only influence the melting process of composite but also the energy storage performance. Thanks to the collaboration with EPF, a new manufacturing method of periodic open-cell aluminum foams is developed based on 3D rapid tooling. The thermal behavior of the periodic open-cell aluminum foams/PCM composite is experimentally and numerically analyzed

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / La fabrication additive (impression 3D) par fusion sélective au laser (FSL) permet de concevoir des pièces de géométries complexes en utilisant une large gamme de poudres métalliques. Cependant, la performance mécanique de ces pièces est affectée par trois facteurs : les porosités, l'anisotropie de la microstructure et les contraintes résiduelles (CR). À ce jour, l'inspection aux ultrasons pour le contrôle immédiat de la qualité des pièces n'a pas fait l'objet d'une étude systématique et complète. Ce projet de recherche a permis de développer des méthodologies aux ultrasons permettant de révéler et de quantifier la présence de défauts dans les pièces métalliques produites par fusion sélective au laser. D'abord, des échantillons d'acier (316L) et de titane (Ti-6Al-4V) de différentes densités, tailles de porosité et orientations granulaires ont été fabriqués en variant la vitesse et l'espacement entre les passes du laser. Ensuite, des échantillons porteurs de différents niveaux de contraintes internes ont été fabriqués en faisant varier la température du lit de déposition. Finalement, tous les échantillons ont été analysés aux ultrasons (vélocité, atténuation et fréquence de référence), ont fait l'objet d'une étude métallographique complète et ont été analysés par rayons X (niveau de CR). Les résultats de ces travaux ont démontré que l'analyse par ultrasons des pièces imprimées par FSL en acier et en titane était possible, et ce avec des fréquences ultrasonores allant de 5 MHz à 20 MHz. L'approche systématique utilisée a permis d'identifier et de quantifier les caractéristiques ultrasonores qui sont modifiées par les défauts métallurgiques présents dans des pièces issues de FSL. De plus, une corrélation a été établie entre les signatures ultrasonores et la masse volumique des échantillons. Cette étude permet de confirmer l'intérêt d'intégrer des pièces étalons issues de la fabrication additive dans le processus d'inspection aux ultrasons de pièces d'acier inoxydable et de titane issues elles aussi de procédés de fabrication additive. / The process of additive manufacturing (3D printing) by selective laser melting (SLM) enables the design of geometrically complex parts from a wide variety of alloys. However, their mechanical performance is impacted by the three following factors: porosity, microstructure anisotropy, and residual stress. Today, ultrasonic inspection for in-situ quality control of 3D-printed parts has not been subject to a systematic and comprehensive study. This project allows the development of a methodology using ultrasounds that reveals and quantifies metallurgic flaws inside parts manufactured by SLM. At first, samples of steel (316L) and titanium (Ti-6Al-4V) were produced by SLM at various densities, pore sizes, and grain orientations. These characteristics were obtained by varying the manufacturing speed and space between each path of the laser. Then, samples with different residual stress levels were produced by varying the build platform temperature. Finally, all the samples were analyzed with ultrasounds (velocity, attenuation, frequency), and were subject to a complete metallographic and X-ray study (residual stress). The results showed that the ultrasonic inspection of steel and titanium SLM parts was possible by using inspection frequencies between 5 MHz and 20 MHz. This systematic method revealed and quantified the ultrasonic characteristics affected by the metallurgic flaws contained in the SLM samples. Correlations between ultrasonic signature and density of samples were revealed. Overall, this study confirms the relevance of preliminary studies with standards made of metal parts produced by additive manufacturing, for the development of ultrasound-based nondestructive inspection procedures adapted to 3D-printed metal parts.

Depuis de nombreuses années, la société est de plus en plus consommatrice d’énergie. Cette augmentation va de pair avec les progrès d’accès à l’énergie, une croissance démographique mondiale continue, l’amélioration de la qualité de vie et le développement de nouvelles technologies. D’après l’agence internationale de l’énergie, une hausse de cette consommation de l’ordre de 30% est prévue d’ici 2040. Près de 40% de cette consommation additionnelle pourrait être satisfaite par l’électricité ; ce qui aura un fort impact sur la distribution d’énergie. Pour la société Schneider Electric, spécialiste mondial de la gestion de l’énergie et des automatismes, la distribution d’énergie électrique est principalement assurée par des barres et des fils en cuivre. Ce métal est très largement utilisé pour de nombreux organes de raccordement, appelés objets 2D, qui servent à connecter et déconnecter les appareils. Le principal problème de ces éléments est leur dissipation d’énergie par effet Joule lors du passage du courant électrique. Ce travail de thèse a ainsi consisté à l’élaboration et l’étude d’une nouvelle génération de conducteur électrique et/ou thermique plan (2D) dans l’objectif de palier à ce problème. Pour cela, une nouvelle méthodologie de fabrication de matériaux composites Cu/C 2D a été développée. Elle est composée d’une étape de pré-traitement des poudres, d’une nouvelle technique de mélange et d’une mise en forme du matériau par compression uniaxial à chaud. Différents types de poudres métalliques (cuivre dendritique et cuivre plaquette) et poudres carbonées (graphite, graphène multi-couches, oxyde de graphène) ont été étudiés. L’orientation du renfort au sein de la matrice métallique et l’interface entre ces deux composants ont été optimisées. Cette méthodologie, associée aux caractérisations physico-chimiques des matériaux et à des modèles théoriques, a permis de mieux comprendre les paramètres clés pour l’obtention d’un matériau possédant des propriétés physiques améliorées. Ainsi, les matériaux Cu/C 2D élaborés au cours de cette thèse présentent, suivant le type renfort, une augmentation des propriétés mécaniques (allant de 36% à 120% pour la dureté Vickers), une amélioration de la conductivité thermique (variant de 8% à 56%) et une résistivité électrique cohérente en regard des propriétés du cuivre, matériau de référence. / Since several years, society has become more and more energy-consuming. This increase goes hand in hand with the progress of access to energy, continuous world population growth, the improvement of life quality and the development of new technologies. According to the International Energy Agency, an increase of this consumption of the order of 30 % is planned before 2040. About 40 % of this additional consumption could be satisfied by electricity; what will have a strong impact on the distribution of energy. For the company Schneider Electric, world specialist of the management of energy and automatisms, the distribution of electrical energy is mainly assured by copper bars and wires. This metal is widely used for many connecting organs, called 2D objects, which are used to connect and disconnect devices. The main problem of these elements is their dissipation of energy by Joule effect when passing electric current. Thus, this thesis work consisted in the elaboration and study of a new generation of electrical and/or thermal plane (2D) conductor in the objective to overcome this problem. To this end, a new methodology for manufacturing Cu/2D C composite materials has been developed. It consists of a powders pre-treatment step, a new mixing technique and a shaping of the material by uniaxial hot compression. Various types of metal powders (dendritic copper and copper platelet) and carbonaceous powders (graphite, multi-layer graphene, graphene oxide) were studied. The orientation of reinforcement within the metal matrix and the interface between these two components have been optimized. This methodology, combined with physico-chemical characterizations of materials and theoretical models, provided a better understanding of the key parameters for obtaining a material with improved physical properties. Thus, the Cu/2D C materials developed during this thesis show, depending on the type of reinforcement, an increase in mechanical properties (from 36% to 120% for the Vickers hardness), an improvement in thermal conductivity (from 8% to 56%) and an electrical resistivity consistent with the properties of copper, the reference material.