L’émergence de la résistance à une multitude d’agents antimicrobiens chez des bactéries pathogènes est considérée comme une menace majeure pour la santé publique (2). Ces souches sont reconnues comme des organismes multirésistants aux médicaments ou MDR (multidrug-resistant) (4). Les recherches progressent chez les bactéries, à Gram positif, à Gram négatif et acido-alcoolo-résistantes au vu de l’ampleur de la menace pour la santé publique, ces bactéries multirésistantes sont devenues les cibles potentielles à cette fin de recherche. De ce fait, les objectifs de la présente étude ont consisté en la caractérisation structurale et fonctionnelle de différents transporteurs transmembranaires de la famille des RND (Resistance-Nodulation-Division) encore énigmatiques, à savoir: le MmpL3 chez Mycobacterium tuberculosis (Mtb) via l’étude de son orthologue CmpL1 chez Corynebacterium glutamicum (Cgl) et le TriAxBC chez Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa). Ainsi, comme première démarche présentée dans le chapitre 2, la structure du transporteur MmpL3 Mtb (un transporteur d'acides mycoliques – sous forme de tréhalose de monomycolates (ou TMM) - essentiel pour la viabilité de Mtb) (5) et celle de son orthologue CmpL1 Cgl ont été prédites via le serveur I-TASSER (6-8). Ces structures ont été validées par la suite en comparant à la carte électronique générée pour CmpL1 (18 Å) par des analyses de microscopie électronique en transmission à coloration négative (TEM). La caractérisation du transporteur CmpL1 purifié par chromatographie à exclusion stérique a confirmé le complexe trimérique de taille avoisinant les 315 KDa (incluant la couronne du détergent) en accord avec des analyses par gel SDS-PAGE. Des études génétiques et biochimiques en collaboration ont d’autre part identifié des résidus engagés dans le transport du TMM chez MmpL3 ainsi que d’autres impliqués dans la résistance à des inhibiteurs ciblant ce transporteur. L’ensemble de ces données a mis en évidence la localisation des résidus essentiels au transport et à la résistance au niveau du canal central du modèle trimérique de MmpL3. La région de MmpL3 activant le transport par force protomotrice a été localisée au niveau d’une cavité centrale qui est une caractéristique intrinsèque de la famille des RND. Les cartes électroniques de faible résolution déjà obtenues pour la protéine CmpL1 font de ce projet une des directions futures du laboratoire. Dans le chapitre 3, nous illustrons le deuxième aspect du présent projet qui repose sur l’extension de l’étude du potentiel thérapeutique du ciblage du transporteur transmembranaire MmpL3 chez les différentes souches de Mycobacterium. Nos collaborateurs ont effectué une analyse biochimique de l’effet thérapeutique des inhibiteurs les plus prometteurs du transporteur MmpL3 Mtb sur certaines souches mycobactériennes non-tuberculeuses (NTB) multi-résistantes. Basés sur nos modélisations structurales comparatives obtenues par I-TASSER (6-8), nous avons pu complémenter les informations biochimiques en soulignant les similitudes et les différences de structure entre les souches TB et NTB ainsi que leurs impacts fonctionnels. Ce chapitre met en évidence l’intérêt du ciblage thérapeutique de MmpL3 chez les espèces NTB. En effet, l’efficacité de certains inhibiteurs de MmpL3 Mtb sélectionnés sur le traitement des infections pulmonaires NTB promet de pouvoir généraliser cette nouvelle voie de traitement pour d’autres souches multi-résistantes NTB voire à contribuer à remédier à la problématique de la résistance aux antibiotiques et décomplexifier le traitement actuel. D’autres études en collaboration entreprenant les mêmes approches d’études structurales ont été réalisées pour les transporteurs tripartites TriAxBC (P. aeruginosa), des pompes à efflux appartenant à la famille des RND. Le but du chapitre 4 était de générer une structure du complexe et de déchiffrer son mode d’assemblage et d’expulsion des antibiotiques vers le milieu externe. Un modèle à structure quaternaire de TriAxBC a été prédit par I-TASSER (6-8) et validé contre sa carte électronique à 4.3 Å générée en Cryo-EM. Le complexe TriAxBC a été également caractérisé par filtration sur gel confirmant une taille approximative de 620 KDa et sa composition en trimère par visualisation sur gel SDS-PAGE. En conclusion, nous avons pu à travers cette étude combiner différentes approches biochimiques, génétiques et structurales soutenant la nécessité d’une approche multidisciplinaire pour l’approfondissement de la compréhension de la structure et du mode de fonctionnement des transporteurs RND. Ces derniers demeurent toujours énigmatiques; toutefois, nos avancées et d’autres à venir permettront la génération de nouveaux médicaments spécifiques traitant les bactéries multirésistantes. / The emergence of resistance to a multitude of antimicrobial agents in pathogenic bacteria is considered a major threat to public health (2). These strains are recognized as multidrug resistant organisms (MDR) (4). Research is progressing in Gram positive, Gram positive high GC and Gram negative bacteria, and given the scale of the public health threat, these MDR have become potential targets for this research. The objectives of the present study consist of the structural and functional characterization of various transmembrane transporters of the still enigmatic RND (Resistance-Nodulation-Division) family, namely: MmpL3 in Mycobacterium tuberculosis (Mtb) via the study of its ortholog CmpL1 in Corynebacterium glutamicum (Cgl) and TriAxBC in Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa). The first component of this project, presented in Chapter 2, studies the structure of the transporter MmpL3 Mtb (a TMM mycolic acid transporter essential for the viability of Mtb (5) and that of its CmpL1 Cgl orthologue, which have been predicted via the I- Tasser Pack (6-8). These structures were subsequently validated by comparing to the electronic map generated for CmpL1 (18 Å) by negative staining transmission electron microscopy (TEM). Characterization of the purified CmpL1 transporter by size exclusion chromatography confirmed the trimeric complex size around 315 KDa (including the detergent crown) corroborated by SDS-PAGE gel analyses. Collaborative genetic and biochemical studies have also identified residues involved in the transport of TMM in MmpL3 as well as those residues conferring antibiotic resistance. This data highlighted the location of the essential residues of transport and resistance in the central channel of the trimeric Mmpl3 model. The MmpL3 region activating proto-motor transport has been located at a central cavity, which is an intrinsic feature of the RND family. The low-resolution electronic maps obtained for the protein CmpL1 may serve as the foundation of future studies. In Chapter 3 we explore the therapeutic potential of the targeting of the transmembrane transporter MmpL3 in different Mycobacterium strains. Our collaborators studied the therapeutic effect of the most promising inhibitors of the MmpL3 Mtb transporter on certain multi-resistant mycobacterial non-tuberculous (NTB) strains. Based on our comparative structural modeling obtained by I-TASSER (6-8), we supplemented the biochemical data by highlighting the structural similarities and differences between the TB and NTB strains as well as their functional impacts. This chapter highlights the interest of direct or indirect targeting of MmpL3 in NTB species. Indeed, the efficacy of certain selected MmpL3 Mtb inhibitors on the treatment of NTB pulmonary infection have potential as generalizable treatment options for other NTB multi-resistant strains, or even to help address the problem of resistance to antibiotics and simplify current combination approaches. Other collaborative studies undertaking the same structural approaches were carried out for TriAxBC tripartite carriers (P. aeruginosa), efflux pumps belonging to the RND family. The purpose of Chapter 4 was to generate a structure of the complex and decipher its mode of assembly and expulsion of antibiotics from the intracellular environment. A quaternary structure model of TriAxBC was predicted by I-TASSER (6-8) and validated against its 4.3 Å electronic map generated by Cryo-EM. The TriAxBC complex was also characterized by gel filtration confirming an approximate size of 620 KDa and its trimer composition by SDS-PAGE. In conclusion, this study is combining different biochemical, genetic and structural approaches to highlight the need for a multidisciplinary approach to characterizing the structure function of RND transporters. The latter remain enigmatic; however, our contribution and the progress of others will allow the generation of new specific drugs targeting multiresistant strains.

Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une étude systématique des propriétés physico-chimiques de polyphosphates à l’argent permettant d’avancer sur de nouvelles voies pour les dispositifs tels que l’éclairage, les lasers accordables dans le visible, la radiophotoluminescence. L'objectif de ce travail vise la compréhension des mécanismes de luminescence de l’ion Ag+ dans les composés Na1-xAgxLn(PO3)4 (Ln = La et Y) dont la structure a été parfaitement déterminée. La luminescence des monocristaux provient des ions Ag+, dans des sites isolés et proches de lacunes positives (Ag2+) résultant de la photosensibilité aux UV pour les cristaux au lanthane. La luminescence des verres Na1-xAgxLa(PO3)4 (seuls vitrifiables) a été élucidée grâce à une étude après irradiation et à celle des verres Na2-xAgxZnP2O7. Elle est due aussi aux ions Ag+ dans des sites isolés. / This work focuses on keeping with the general pattern of investigations of physical-chemical properties of silver-polyphosphates to find new ways for devices such as lighting, visible range laser applications and radiophotoluminescence. The goal of this study aims at understanding the processes of Ag+ luminescence in Na1-xAgxLn(PO3)4 (Ln = La et Y) compounds which structure has been completely determinated. The luminescence of the single crystals is induced by Ag+ ions in isolated sites and close to hole centers (Ag2+) resulting in UV photosensitivity for the lanthanum crystals. The photoluminescence of the Na1-xAgxLa(PO3)4 glasses (glass-forming only) has been resolved owing to UV irradiation investigations and comparison with the luminescence of Na2-xAgxZnP2O7 glass. Both are also due to Ag+ ions in isolated sites.

L’alliage L-605 est un superalliage base cobalt combinant une haute résistance et une bonne ductilité, de plus il est biocompatible et présente une bonne résistance a la corrosion. Dû a son inertie chimique dans le corps humain, ce matériau a été utilise avec succès pour fabriquer des valves cardiaques et des stents. Le contrôle de la microstructure peut influencer grandement les propriétés mécaniques : notamment un raffinement des grains est susceptible d’augmenter d’avantage la résistance et serait intéressant pour permettre de fabriquer des stents selon une architecture plus fine. L’ajustement de la distribution de taille de grains à travers le phénomène de recristallisation lors de la déformation à chaud apparait comme une solution pratique pour ajuster les propriétés mécaniques du matériau. Pour contrôler la microstructure et choisir les conditions de procédé optimales, les mécanismes mis en jeu lors de la recristallisation dynamique et l’effet des conditions de déformation sur la taille de grain doivent être compris et prévisibles par des outils théorique. Les propriétés mécaniques du matériau à haute température sont déterminées par des essais de compression à chaud. L’évolution microstructurale du matériau lors de la compression est analysée par microscopie optique et électronique (EBSD, TEM). Le phénomène de recristallisation dynamique continue est mis en évidence, et procède par nucléation de nouveaux grains aux joints de grain. La corrélation entre le comportement mécanique à chaud et l’évolution microstructurale est déterminée expérimentalement. Les conditions optimales de déformation impliquant la recristallisation dynamique sont déterminées, et la microstructure résultante est étudiée en détail. De nouveaux outils théoriques permettant de prévoir les conditions de recristallisation et d’extraire les paramètres physiques du matériau a partir des données expérimentales sont proposés. Enfin, la recristallisation dynamique est modélisée analytiquement, et permet de prédire le comportement mécanique et l’évolution de la taille de grain lors de la déformation. / Co-20Cr-15W-10Ni alloy (L-605) is a cobalt-based superalloy combining high strength with keeping high ductility, biocompatible and corrosion resistant. It has been used successfully for heart valves for its chemical inertia, and this alloy is a good candidate for stent elaboration. Control of grain size distribution can lead to significant improvement of mechanical properties: in one hand grain refinement enhance the material strength, and on the other hand large grains provide the ductility necessary to avoid the rupture in use. Therefore, tailoring the grain size distribution is a promising way to adapt the mechanical properties to the targeted applications. The grain size can be properly controlled by dynamic recrystallization during the forging process. Therefore, the comprehension of the recrystallization mechanism and its dependence on forging parameters is a key point of microstructure design approach. The optimal conditions for the occurrence of dynamic recrystallization are determined, and correlation between microstructure evolution and mechanical behavior is investigated. Compression tests are carried out at high-temperature on Thermec-master Z and Gleeble forging devices, followed by gas or water quench. Mechanical behavior of the material at high temperature is analyzed in detail, and innovative methods are proposed to determine the metallurgical mechanisms at stake during the deformation process. Mechanical properties of the material after hot-working and annealing treatments are investigated. The grain growth kinetics of L-605 alloy is determined, and experimental results are compared with the static recrystallization process. Microstructures after hot deformation are evaluated using SEM-EBSD and TEM. Significant grain refinement occurs by dynamic recrystallization for high temperature and low strain rate (T≥1100 ◦ C, strain rate < 0.1s−1), and at high strain rate (strain rate > 10s−1). Dynamic recrystallization is discontinuous and takes place from the grain boundaries, leading to a necklace structure. The nucleation mechanism is most likely to be bulging from grain boundaries and twin boundaries. A new insight of the modeling of dynamic recrystallization taking as a starting point the experimental data is proposed. By combining the results from the mechanical behavior study and microstructure observation, the recrystallization at steady-state is thoroughly analyzed and provides the mobility of grain boundaries. The nucleation criterion for the bulging from grain boundaries is reformulated to a more general expression suitable for any initial grain size. Nucleation frequency can be deduced from experimental data at steady-state through modeling, and is extrapolated to any deformation condition. From this point, a complete analytical model of the dynamic recrystallization is established, and provides a fair prediction on the mechanical behavior and the microstructure evolution during the hot-working process.

Parmi les nanoparticules aptes à accompagner la radiothérapie en clinique, les nanoparticules à base d’oxyde de gadolinium paraissent pertinentes, de part leur multimodalité en imagerie et leur effet radiosensibilisant prouvé in vitro et in vivo. Cet effet de radiosensibilisation est exceptionnel notamment sur des cellules cancéreuses radiorésistantes de la lignée SQ20B (carcinome squameux tête et cou) et uniquement pour des doses modérées de nanoparticules (aux alentours de 0.6 mM en Gd). Les clichés de microscopie électronique ont montré que ce maximum de radiosensibilisation est dû à une internalisation maximale des particules dans le cytoplasme, notamment par macropinocytose. Ce mécanisme d’internalisation est caractérisé par la formation de vésicules de grandes tailles, ou macropinosomes. Il se produit suivant deux étapes : la formation d’agglomérats de nanoparticules à proximité de la membrane cellulaire puis la récupération de ceux-ci par les lamellipodes de la cellule. La première étape est fortement dépendante des caractéristiques physicochimiques des particules, plus particulièrement leur potentiel zêta qui détermine la taille de l’agglomérat, et de la distance les séparant de la cellule. Dans des gammes de taille et de distance à la membrane optimales aux concentrations modérées, l’agglomérat peut être récupéré par les lamellipodes de la cellule. Il s’en suit une protubérance sur la membrane plasmique formant un macropinosome contenant les agglomérats de nanoparticules. Cet endosome précoce suivra ensuite le schéma d’endocytose classique dans le cytoplasme en fusionnant avec des corps multivésiculaires, uniquement visible en microscopie électronique à transmission, pouvant contenir des enzymes de dégradation détruisant leur contenu. Ces enzymes rendent le pH acide à l’intérieur de la vésicule. Plus les nanoparticules sont proches du noyau cellulaire plus leur effet radiosensibilisant sera efficace. Les espèces oxygénées réactives (ROS) et les électrons Auger et secondaires peuvent atteindre l’ADN du noyau plus facilement. A faibles doses (<0.4 mM) très peu de nanoparticules sont internalisées et un effet linéaire de la radiosensibilisation est observé jusqu'à 0.6 mM. A fortes doses (> 0.7 mM) les nanoparticules forment une couronne autour de la membrane cellulaire agissant comme écran, empêchant ainsi les ROS et les électrons générés de pouvoir atteindre l’ADN et induire des cassures, le noyau étant situé à quelques micromètres de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus ouvrent la voie sur la nécessité de contrôler l'internalisation cellulaire des nanoparticules en contrôlant leur chimie, laissant envisager ainsi des opportunités prometteuses dans le domaine de la radiothérapie assistée par nanoparticules délivrant de faibles doses de radiation aux patients. / Over the last few decades, nanoparticles have been studied in theranostic field with the objective of exhibiting a long circulation time through the body coupled to major accumulation in tumor tissues, rapid elimination, therapeutic potential and contrast properties. In this context, we developed sub-5 nm gadolinium-based nanoparticles that possess in vitro efficient radiosensitizing effects at moderate concentration when incubated with head and neck squamous cell carcinoma cells (SQ20B). Two main cellular internalization mechanisms were evidenced and quantified: passive diffusion and macro- pinocytosis. Whereas the amount of particles internalized by passive diffusion is not sufficient to induce in vitro a significant radiosensitizing effect, the cellular uptake by macropinocytosis leads to a successful radiotherapy in a limited range of particles incubation concentration. Macropinocytosis processes in two steps: formation of agglomerates at vicinity of the cell followed by their collect via the lamellipodia (i.e. the “arms”) of the cell. The first step is strongly dependent on the physicochemical characteristics of the particles, especially their zeta potential that determines the size of the agglomerates and their distance from the cell. These results should permit to control the quantity of particles internalized in the cell cytoplasm, promising ambitious opportunities towards a particle-assisted radiotherapy using lower radiation doses.

Ce travail a porté sur la caractérisation et la quantification en 3D de la répartition de charges de différents types (nanoparticules, nanotubes, etc.) dans des matrices polymères. Nous nous focalisons sur les techniques de tomographie en microscopie électronique. Une approche multiple en tomographie électronique a été réalisée : la tomographie en FIB/MEB (faisceau d’ions focalisé/microscope électronique à balayage), la tomographie en MEB et la tomographie en MET (microscope électronique en transmission). Les nanocomposites polymère sont généralement élaborés aux fins d’améliorer les propriétés physiques (mécanique, électrique, etc.) du matériau polymère constituant la matrice, grâce à une addition contrôlée de charges nanométriques. La caractérisation de tels matériaux, et l’établissement de corrélations précises entre la microstructure et les propriétés d’usage, requièrent une approche tri-dimensionnelle. En raison de la taille nanométrique des charges, la microscopie électronique est incontournable. Deux systèmes de nanocomposite polymère ont été étudiés par une approche multiple de tomographie électronique : P(BuA-stat-S)/MWNTs (copolymère statistique poly (styrène-co-acrylate de butyl) renforcé par des nanotubes de carbone multi-parois), et P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (copolymère statistique poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) renforcé par des nanoparticules de silice). Par combinaison de divers techniques, la caractérisation et la quantification des nanocharges ont été possibles. En particulier, la taille, la fraction volumique et la distribution des charges ont été mesurées. Cette étude a ainsi fourni des informations en 3D qui contribuent à mieux comprendre les propriétés des nanocomposites. Une attention particulière a été portée aux artefacts et causes d’erreur possibles durant l’étape de traitement 3D. Nous avons également essayé de comparer les différentes techniques utilisées du point de vue de leurs avantages et inconvénients respectifs, en dégageant des possibilités d’amélioration future. / This work is focused on the characterization and quantification of the 3D distribution of different types of fillers (nanoparticles, nanotubes, etc.) in polymer matrices. We have essentially used tomography techniques in electron microscopy. Multiple approaches to electron tomography were performed: FIB-SEM (focused ion beam/scanning electron microscope) tomography, SEM tomography and TEM (transmission electron microscope) tomography. Polymer nanocomposites are basically synthesized in order to improve the physical properties (mechanical, electric, etc.) of the pure polymer constituting the matrix, by a controlled addition of fillers at the nanoscale. The characterization of such materials and the establishment of accurate correlations between the microstructure and the modified properties require a three-dimensional approach. According to the nanometric size of the fillers, electron microscopy techniques are needed. Two systems of polymer nanocomposites have been studied by multiple electron tomography approaches: P(BuA-stat-S)/MWNTs (statistical copolymer poly(styrene-co-butyl acrylate) reinforced by multi-walled carbon nanotubes) and P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (statistical copolymer poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) reinforced by silica nanoparticles). By combining various techniques, the characterization and the quantification of nanofillers were possible. In particular, statistics about size, distribution and volume fraction of the fillers were measured. This study has then provided 3D information, which contributes to a better understanding of properties of the nanocomposites. Attention has been paid to analyze carefully original data, and artifacts and causes of errors or inaccuracy were considered in the 3D treatments. We also attempted to compare benefits and drawbacks of all techniques employed in this study, and perspectives for future improvements have been proposed.

Les aciers inoxydables lean duplex sont une famille d'aciers austéno-ferritiques allégés en nickel et en molybdène, qui s'est développée à la fin des années 1990. Le compromis propriétés mécaniques, propriétés de résistance à la corrosion et coût de matière première place cette famille comme une alternative intéressante aux aciers austénitiques standards, et en particulier aux 304/304L qui représentent actuellement les deux tiers de la production d'acier inoxydable. Cependant, cette famille étant relativement récente, la stabilité en température des aciers lean duplex a été relativement peu étudiée, en particulier lors de maintiens prolongés en température. Dans le cadre de cette thèse, l'évolution microstructurale d'un acier lean duplex 2101 a été étudiée, lors de vieillissements isothermes à des températures comprises entre 20 °C et 850 °C, pour des temps s'échelonnant de quelques minutes à plusieurs mois. Les cinétiques de vieillissement ont été suivies par mesures de pouvoir thermoéléctrique (PTE), à partir desquelles des états vieillis ont été sélectionnés pour être caractérisés par microscopie électronique et par sonde atomique tomographique. A des températures intermédiaires de 350 – 450 °C, la ferrite de l'acier lean duplex 2101 est sujette à la démixtion Fe-Cr et à la formation d'amas enrichis en Ni-Mn-Si-Al-Cu, malgré les faibles teneurs en nickel de cette nuance. Ces phénomènes sont détectés par une forte augmentation du PTE. Pour des températures plus élevées, à 700 °C environ, une approche multi-techniques et multi-échelles a permis de décrire précisément les mécanismes qui régissent les différentes évolutions microstructurales : la germination et la croissance de M23C6 et de Cr2N, observés dès quelques minutes de vieillissement aux joints de phases, la précipitation de la phase σ pour des temps de vieillissement plus importants qui s'accompagne d'une transformation de la ferrite δ en austénite secondaire γ2, et la transformation partielle de l'austénite en martensite lors du refroidissement des échantillons vieillis. L'effet des différentes phases sur le PTE de l'acier lean duplex peut être décrit qualitativement lors du vieillissement par une loi des mélanges. / Lean duplex stainless steels are austeno-ferritic steels with lower nickel and molybdenum contents, developed in the late 90's. Considering mechanical properties, corrosion resistance and cost of raw material, this family is an interesting alternative to standard austenitic stainless steels, which currently represent two thirds of stainless steel production. However, lean duplex steels are relatively recent and their thermal stability has been relatively little studied, especially during long term aging. In this study, the microstructural evolution of a lean duplex steel 2101 was studied during isothermal aging at temperatures between 20 °C and 850 °C, from few minutes to several months. Aging kinetics were followed by thermoelectric power measurements (TEP), from which aged states were selected to be characterized by electron microscopy and atom probe tomography. At intermediate temperatures of 350 - 450 °C, Fe-Cr demixing and precipitation of Ni-Mn-Al-Si-Cu occur in the ferrite despite the low nickel content of this grade, leading to an increase in the TEP. For higher temperatures, at about 700 °C, the mechanisms which govern the different microstructural evolutions have been described by a multi-scale approach: the nucleation and growth of M23C6 and Cr2N, observed from few minutes of aging and the σ phase precipitation, observed for longer aging time. The latter is accompanied by a transformation of δ ferrite in γ2 secondary austenite, and by the partial transformation of austenite into martensite during cooling. The effect of different phases on the TEP of the lean duplex steel can be qualitatively described during aging by a rule of mixture.

Depuis 30 ans, les exigences règlementaires en matière d’isolation thermique des bâtiments augmentent sans cesse. Pour mieux isoler, et conserver la surface habitable et la valeur patrimoniale, il est nécessaire d’augmenter les performances des isolants thermiques. Si les meilleurs systèmes classiques d’isolant atteignent désormais des conductivités thermiques proches de 30 mW/(m.K), les matériaux supers isolants à pression atmosphérique affichent moins de 18 mW/(m.K) et sont à base d’aérogels de silice. Cette matière première doit ses excellentes performances thermiques, à d’une part la taille de ces nanopores inférieure à 70nm, et d’autre part leur très forte quantité. Ceci induit par contre de très faibles propriétés mécaniques, les systèmes super isolants formulés avec des aérogels sont donc toujours des composites : empilement granulaire faiblement lianté. Pour développer l’optimisation de ces formulations, il est nécessaire de disposer d’outils de caractérisation microstructurales multiéchelles dédiés aux aérogels et au suivi pas à pas des étapes d’élaboration post synthèse. Ce travail de thèse a pour objectif de les mettre en place et de les valider. Les matériaux supports de cette thèse, sont des aérogels de silice hydrophobes granulaires et deux formulations liantées en phase aqueuse. Ces formulations architecturées, par une faible fraction volumique de liant organique de taille nanométrique, se distinguent par la taille et le type de surfactant employé, et les performances tant thermiques que mécaniques obtenues. Tout d’abord, le réseau poreux de silice à l’échelle nanométrique a été imagé et caractérisé par tomographie électronique. Cette partie vise à fournir une distribution en taille de pores, particules et agrégats, destinée à alimenter des modèles thermo-mécaniques. Dans un second temps, l’empilement granulaire des aérogels non liantés a été étudié par tomographie aux rayons X. Les résultats de compacité, les morphologies des réseaux de pores, et de grains ont été couplés aux mesures de masse volumique et de porosité inter-granulaire afin de dégager un lien entre microstructure de l’empilement granulaire et conductivité thermique mesurée. Enfin, les interactions aérogels de silice/liant sont imagées en utilisant l’ESEM wet-stem. Une méthodologie quantitative permet ensuite de s’assurer que le surfactant employé induit bien d’une part une dispersion homogène des aérogels, et d’autre part un réseau texturé de liant. Pour conclure, les propriétés thermiques et mécaniques sont mesurées sur les composites référence et des composites innovants avec une étude détaillée des microstructures formées en synergie. Des pistes d’optimisation matériau par opacification intra-granulaire des aérogels sont proposées, un nouveau surfactant est infirmé. Les outils développés valident ainsi leur pertinence pour assurer la qualification des futures formulations de matériaux super isolants. / The national objectives on the reduction of the rejections of greenhouse gases bring to the necessity of a thermal renovation for 75 % of the French buildings. As the requirements for old and new buildings increase their standards, design thinner and more efficient insulation materials is of great and increasing interest. New insulating materials with thermal conductivities lower than the still dry air (25 mW / (m. K)), such as based silica xerogel products (15 mW / ( m.K )), recently developed, are an interesting choice to answer those new fonctionnalities. In our study, silica xerogels (porosity > 80 %, specific surface > 600 m ²/g) are available as granular materials and binded stiff composite boards (xerogels / latex). The optimization of these materials requires to understand the link between their microstructure, their thermal conductivity and their mechanical behaviour.

Adições de Ti-C e Cr refinam o grão em nanocompósitos de Nd-Fe-B, aumentando substancialmente o valor de seu campo coercivo Hc. Isto motivou a investigação do efeito da adição de Ti-C e Cr em nanocompósitos de Pr-Fe-B e em outros nanocompóstitos à base de Nd-Fe-B. Fitas metálicas das composições (Pr9,5Fe84,5B6)0,97-x(TiC)0,03Crx (x = 0; 0,0025; 0,005; 0,0075; 0,01) e (Nd9,5Fe84,5B6)0,97-x (TiC)0,03Crx (x = 0,005; 0,01) foram produzidas por resfriamento rápido. Medidas de magnetização em campos magnéticos de até 90 kOe mostraram que os materiais contendo Cr possuem Hc substancialmente maior do que os demais sem. Para um nanocompósito de Pr com 1% Cr, o campo coercivo obtido foi Hc = 12,5 kOe, enquanto que para um nanocompósito de Pr com 0% Cr obtivemos um Hc = 5,1 kOe. O produto energético máximo da amostra com 1% Cr foi de, aproximadamente, 13,6 MGOe, valor este limitado pela remanência. Uma análise do difratograma de raios X mostrou que as fitas à base de Pr-Fe-B com 1%Cr consistem basicamente de uma fase Pr2Fe14B dura e uma fase α-Fe mole. Uma espectroscopia Mössbauer foi realizada em 300 K e mostrou uma redução dos campos hiperfinos devido à adição do Cr. Também foi realizada uma microscopia eletrônica de transmissão na amostra Pr-Fe-B com 1% Cr e os resultados mostraram que o nanocompósito possui um tamanho de grão maior do que o material sem Cr, sendo que a microestrutura majoritária são de grãos constituídos de α-Fe, de tamanho médio de 100 nm, imersos numa matriz de Pr2Fe14B. / Submitted by Marcelo Teixeira (mvteixeira@ucs.br) on 2014-05-30T15:59:14Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Vinicius Cappellano de Franco.pdf: 2554552 bytes, checksum: ca6455aec67ec4bd99efc6bdb3497dc6 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-05-30T15:59:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Vinicius Cappellano de Franco.pdf: 2554552 bytes, checksum: ca6455aec67ec4bd99efc6bdb3497dc6 (MD5) / The addition of both Ti and Cr-C refine the grains in nanocomposites of Nd-Fe-B, increasing substantially the coercive field Hc . This motived our investigation of the effect of the addition of Ti-C and Cr to nanocomposites of Pr-Fe-B and Nd-Fe-B. Ribbons compositions (Pr9,5Fe84,5B6)0,97-x(TiC)0,03Crx (x = 0; 0,0025; 0,005; 0,0075; 0,01) and (Nd9,5Fe84,5B6)0,97-x (TiC)0,03Crx (x = 0,005; 0,01) were produced by melt-spinning. Magnetization measures in fields up to 90 kOe showed that materials containing Cr have substantially higher Hc than the other materials without Cr. For a Pr nanocomposites with 1% Cr, the coercive field Hc was 12.5 kOe, while for a Pr nanocomposites with 0% Cr, Hc = 5.1 kOe. For the sample with 1% Cr, the maximum energy product was approximately 13.6 MGOe, a value limited by the remanence. The X-ray diffractogram analysis showed that the ribbons based on Pr-Fe-B with 1% Cr consist basically of a Pr2Fe14B hard phase and an α-Fe soft phase. Mössbauer spectroscopy was performed at 300 K and showed a reduction of the hyperfine field due to the addition of Cr. Transmission electronic microscopy of the Pr-Fe-B sample with 1% Cr showed that the nanocomposites have a grain size larger than the material without Cr, the microstructure consisting of α Fe grains, with an average size of 100 nm, in a matrix of Pr2Fe14B.

Adições de Ti-C e Cr refinam o grão em nanocompósitos de Nd-Fe-B, aumentando substancialmente o valor de seu campo coercivo Hc. Isto motivou a investigação do efeito da adição de Ti-C e Cr em nanocompósitos de Pr-Fe-B e em outros nanocompóstitos à base de Nd-Fe-B. Fitas metálicas das composições (Pr9,5Fe84,5B6)0,97-x(TiC)0,03Crx (x = 0; 0,0025; 0,005; 0,0075; 0,01) e (Nd9,5Fe84,5B6)0,97-x (TiC)0,03Crx (x = 0,005; 0,01) foram produzidas por resfriamento rápido. Medidas de magnetização em campos magnéticos de até 90 kOe mostraram que os materiais contendo Cr possuem Hc substancialmente maior do que os demais sem. Para um nanocompósito de Pr com 1% Cr, o campo coercivo obtido foi Hc = 12,5 kOe, enquanto que para um nanocompósito de Pr com 0% Cr obtivemos um Hc = 5,1 kOe. O produto energético máximo da amostra com 1% Cr foi de, aproximadamente, 13,6 MGOe, valor este limitado pela remanência. Uma análise do difratograma de raios X mostrou que as fitas à base de Pr-Fe-B com 1%Cr consistem basicamente de uma fase Pr2Fe14B dura e uma fase α-Fe mole. Uma espectroscopia Mössbauer foi realizada em 300 K e mostrou uma redução dos campos hiperfinos devido à adição do Cr. Também foi realizada uma microscopia eletrônica de transmissão na amostra Pr-Fe-B com 1% Cr e os resultados mostraram que o nanocompósito possui um tamanho de grão maior do que o material sem Cr, sendo que a microestrutura majoritária são de grãos constituídos de α-Fe, de tamanho médio de 100 nm, imersos numa matriz de Pr2Fe14B. / The addition of both Ti and Cr-C refine the grains in nanocomposites of Nd-Fe-B, increasing substantially the coercive field Hc . This motived our investigation of the effect of the addition of Ti-C and Cr to nanocomposites of Pr-Fe-B and Nd-Fe-B. Ribbons compositions (Pr9,5Fe84,5B6)0,97-x(TiC)0,03Crx (x = 0; 0,0025; 0,005; 0,0075; 0,01) and (Nd9,5Fe84,5B6)0,97-x (TiC)0,03Crx (x = 0,005; 0,01) were produced by melt-spinning. Magnetization measures in fields up to 90 kOe showed that materials containing Cr have substantially higher Hc than the other materials without Cr. For a Pr nanocomposites with 1% Cr, the coercive field Hc was 12.5 kOe, while for a Pr nanocomposites with 0% Cr, Hc = 5.1 kOe. For the sample with 1% Cr, the maximum energy product was approximately 13.6 MGOe, a value limited by the remanence. The X-ray diffractogram analysis showed that the ribbons based on Pr-Fe-B with 1% Cr consist basically of a Pr2Fe14B hard phase and an α-Fe soft phase. Mössbauer spectroscopy was performed at 300 K and showed a reduction of the hyperfine field due to the addition of Cr. Transmission electronic microscopy of the Pr-Fe-B sample with 1% Cr showed that the nanocomposites have a grain size larger than the material without Cr, the microstructure consisting of α Fe grains, with an average size of 100 nm, in a matrix of Pr2Fe14B.

Pour fabriquer le caisson-coeur du futur réacteur expérimental Jules Horowitz (RJH), un assemblage de viroles est effectué à l'aide d'un procédé haute énergie : le soudage par faisceau d'électrons (FE). L'aluminium 6061-T6 qui a été choisi pour la fabrication de ces viroles est un alliage à durcissement structural, ce qui signifie que ses propriétés mécaniques sont très fortement dépendantes de son état de précipitation. Lors du soudage des viroles, l'état microstructural du matériau est affecté : on assiste notamment à une dégradation de l'état fin de précipitation (T6). Les conséquences de cette dégradation microstructurale sont diverses. Notamment, l'évolution de l'état de précipitation au cours du soudage engendre une variation du comportement mécanique et impactera donc la distribution des contraintes résiduelles. De plus, les propriétés mécaniques en service à proximité du joint soudé seront grandement modifiées, on assiste par exemple à une chute de la limite d'élasticité. Dans ce travail, des essais cycliques ont été effectués après des chargements thermiques représentatifs d'une opération de soudage mais aussi pendant des essais isothermes. L'analyse de ces résultats et la confrontation à des mesures de Diffusion de Neutrons aux Petits Angles (DNPA) et de Microscopie Electronique en Transmission (MET) permettent de comprendre les effets de la précipitation sur la loi de comportement de l'alliage. Afin de prédire les évolutions microstructurales et mécaniques dans l'alliage 6061, un logiciel de précipitation a été implémenté et couplé à un modèle élastoplastique à base physique. Les résultats obtenus permettent de représenter la grande variété de comportement observé lors de la campagne expérimentale. Un couplage entre simulation éléments finis thermique et précipitation a été effectué et permet d'ouvrir des perspectives de simulations plus physiques pour ce type d'alliage. / In order to assemble the pressure vessel of experimental Reactor Jules Horowitz (RJH) of France in the future, the electron beam welding process will be used. Several ferrules in a 6061-T6 age hardening aluminum alloy are used for manufacturing this vessel. The fine precipitation state (T6) is affected significantly by the electron beam welding process. Consequently, this microstructural degradation leads to an evolution of the mechanical behaviour and thus will affect the distribution of residual stresses. Moreover, the mechanical properties of the weld joint at ambiant temperature can be modified, such as the yield stress that may drop from 280 MPa to 55 MPa. In this work, cyclic tensile tests have been performed after anisothermal histories representative of welding and during isothermal treatments. The analysis of these results is compared with Small Angles Neutrons Scattering (SANS) and Transmission Electron Microscopy (TEM) characterizations that allow to understand the effect of the precipitation on the material behaviour. To predict the microstructural evolutions in the 6061 structure, a precipitation model has been developped. The precipitation software "PreciSo" coupled with a Finite Element thermal simulations and elastoplastic models allows to open new prospectives in the physical-based simulations domain.