Dans le domaine de l'électronique de puissance, la gestion thermique de l'intégration des puces en silicium au sein du système global constitue un problème clé. La chaleur dissipée par les composants électriques est évacuée vers l’extérieur à travers un drain thermique, généralement en cuivre, qui est brasé sur le substrat céramique. Cette étude est consacrée à l'élaboration de drains thermiques adaptatifs en matériaux composites cuivre allié/fibres de carbone (FC) qui combinent une bonne conductivité thermique et un CTE proche de celui du substrat. Dans ce type de matériau, la liaison interfaciale renfort/matrice doit être forte afin d'optimiser le transfert des propriétés entre les deux composants. Le couple cuivre/carbone étant non réactif, un élément d’addition carburigène (Cr ou B) est ajouté à la matrice de cuivre afin de créer cette liaison chimique forte. Un matériau modèle a été réalisé par pulvérisation cathodique afin d’étudier la diffusion de l’élément d’addition au sein de la couche de cuivre vers la zone interfaciale et la formation d’un carbure métallique. Une méthode de chimie des solutions a ensuite été utilisée pour élaborer des poudres de cuivre allié de stœchiométrie donnée. Enfin, les matériaux composites (Cu-B/FC et Cu-Cr/FC) ont été élaborés par métallurgie des poudres et leurs propriétés thermiques et mécaniques corrélées à la microstructure et à la chimie des zones interfaciales / In the field of power electronics, thermal management of silicon chips plays a key role in our ability to increase their performance. Heat generated by the electronic components is dissipated through the heat sink, generally made of Copper that is brazed on to a ceramic substrate. This study focuses on the elaboration of adaptive heat sink material using Copper alloys/Carbon fibers (CF) composite materials which have a good thermal conductivity and a CTE close to the ceramic substrate. In this kind of material, it is necessary to have a strong matrix/reinforcement link in order to optimize transfer properties. Since there is no reaction between Copper and Carbon, a carbide element (Cr or B) is added to the Copper matrix to create this strong chemical bond. A model material has been elaborated by cathode sputtering in order to study the diffusion of the alloying element in the Copper layer and the metallic carbide formation in the interfacial zone. Copper alloy powders, with a given stoichiometry, have also been synthesized by a chemical method. Lastly, composite materials (Cu-B/CF and Cu-Cr/CF) have been elaborated by a powder metallurgy process and their thermal and mechanical properties correlated to the microstructure and the chemistry of the interfacial zones.

Les composites utilisés dans l'industrie aéronautique sont hétérogènes. Ils sont composés d'une matrice polymère souple et ductile et d'un renfort dur et fragile. Les différentes phases ainsi que l'anisotropie du matériau peuvent rendre l'usinage de ces matières, difficile. Deux problèmes majeurs peuvent être rencontrés lors de l'usinage : garder l'intégrité de la matière usinée et réduire l'usure de l'outil de coupe. Les niveaux de qualité demandés dans le secteur aéronautique imposent une coupe sans défaut, ces derniers pouvant entrainer une altération ultérieure de la pièce. Les principaux défauts rencontrés sont : le délaminage des plis, la surchauffe de la résine, les plis non coupés francs ou l'écaillage. / Aeronautic composites are inhomogeneous and most often consist in two distinctly phases. The reinforcement fibres are relatively hard and brittle whereas the matrix is soft and ductile. The anisotropy causes some severe challenges when machining composites. People in the field often experience a trade-off between two main problems ; on one hand, keeping the composite parts integrity and quality, and on the other hand, reducing the wear of the cutting tools. The quality level required in aeronautic applications imposes a high quality cut of machined parts. Common defects that may occur during machining of these materials are delamination, overheat of the resin, uncut fibres, and fibre pull-out.

Les technologies de placement de plis ou d’enroulement filamentaire de composite à matrice thermoplastique avec consolidation en continu ont fait l’objet de nombreux travaux ces dernières années. Ces études ont porté principalement sur des composites à base de matrice thermoplastique semi-cristalline comme le poly(éther éther cétone) (PEEK) renforcée de fibres de carbone. L’objectif de la thèse est de déterminer les lois de comportement du composite fibres de carbone/matrice thermoplastique lors de la mise en œuvre afin de déduire quelle étape gouverne le processus de soudage et quels sont les paramètres procédés et matériaux influençant sa durée. Dans ce but, les principales propriétés de la matrice utiles à l’étude ont, dans un premier temps, été déterminées. Une attention particulière a été portée sur la dégradation thermique. Les analyses en thermogravimétrie ont ainsi permis d’évaluer sa cinétique de dégradation. Dans un deuxième temps, les mécanismes de contact intime et d’autohésion, responsables du soudage, ont été étudiés à partir de modèles. Pour cela, les mesures de rugosité de surface et de viscosité ont été intégrées au modèle de contact intime. Le temps de diffusion de la matrice a été déterminé par rhéologie puis intégré au modèle d’autohésion. Enfin, l’influence des paramètres procédé (temps, température et pression) et matériau (masses molaires et rugosité) sur les mécanismes de formation de l’interface et ses performances mécaniques a été évaluée expérimentalement par des tests d’adhérence (clivage et pelage) et comparée aux modèles. / The automated tow placement or filament winding processes of thermoplastic-based composites have been intensively studied in recent years. These studies concerned mainly composites with thermoplastic semi-crystalline matrices as carbon fiber reinforced poly(ether ether ketone) (PEEK). The thesis objective is to understand the physical mechanisms taking place in a thermoplastic-based composite during the welding in order to deduce which step governs the welding process and what are the parameters influencing its duration. First, the main properties of matrix of interest for this study were determined, in particular its thermal degradation. The thermal gravimetric analysis thus allowed to evaluate the kinetics of degradation. Secondly, the mechanisms of intimate contact and self-adhesion responsible for welding were studied using models. For this, surface roughness and viscosity measurements were included in the model of intimate contact. The diffusion time of matrix was determined by rheology and integrated into the self-adhesion model. Eventually, the influence of process (time, temperature and pressure) and material (molecular weight and roughness) parameters on the mechanisms of interface formation and its mechanical performance was evaluated experimentally by adhesion tests (wedge test and peeling ) and compared with models.

Dans un composite stratifié, les plis orientés à 0° par rapport à la direction du chargement pilotent souvent la rupture sous chargement de traction. Les fibres procurent l’essentiel de la rigidité et la résistance de ces plis. Dans ces travaux de thèse, le comportement en fatigue des plis à 0° est analysé dans des stratifiés unidirectionnels (UD) et multidirectionnels, au moyen d’essais de fatigue multi-instrumentés. Un protocole expérimental est mis en place pour éviter les ruptures prématurées typiques des essais sur UD. L’évolution en fatigue des ruptures de fibres est identifiée par leur émission acoustique. Les mécanismes de fatigue dominés par la rupture des fibres sont analysés par un modèle aux éléments finis développé à l’échelle des constituants. / Under quasi-static and fatigue tension loads, the failure of a carbon fibre reinforced polymer laminate (CFRP) is usually driven by 0° plies. Carbon fibres give most of the stiffness and strength of these plies. In this work, the fatigue behaviour of 0° plies inside unidirectional (UD) and multidirectional laminates is analysed via multi-instrumented tension-tension fatigue tests. A numerical and experimental study is addressed to perform fatigue tests without the typical premature failures of the UD laminates. The acoustic emissions technique is used to identify the evolution law of fibre breaks. A finite element model is developed at the microscale (fibres and matrix) to analyse the fibre-driven fatigue mechanisms.

Une interphase fibre de carbone/matrice époxy thermiquement auto-réparable a été construite sur la base de liaisons covalentes Diels-Alder (D-A) thermiquement réversibles. L’interphase modifiée par D-A a été formée en greffant des groupes maléimide sur la surface de la fibre de carbone et en introduisant des groupes furane dans le réseau polyépoxy. La capacité d’auto-réparation interfaciale a été caractérisée par le test de déchaussement de la micro-goutte. La surface de la fibre de carbone a subi un traitement en trois étapes : (i) oxydation par l’acide nitrique, (ii) amination par la tétraéthylènepentamine (TEPA) et (iii) greffage de bismaléimide (BMI). Après chaque étape de traitement, les modifications physico-chimiques de surfaces de la fibre ont été caractérisées par microscopies (MEB et AFM) et par spectroscopies (XPS, et ATR-FTIR). La modification de la matrice a été effectuée en copolymérisant le furfuryl glycidyl éther (FGE) au réseau époxy/amine et les propriétés de la matrice ont été évaluées par TGA, DSC, ATR-FTIR, et traction uniaxiale. Le caractère réversible des liaisons Diels-Alder a été également vérifié par DSC, TGA et RMN. Pour caractériser les capacités d'auto-réparation de l’interphase modifiée par D-A, les propriétés mécaniques et les capacités d'auto-réparation de l'interphase construite en combinant la matrice DGEBA-FGE/amine avec une série de fibres de carbone greffés par BMI ont été mesurées en fonction du temps d’oxydation préalable au greffage (gouvernant la réactivité de la fibre de carbone). Enfin, car le FGE joue un double rôle dans le système interfacial modifié par D-A, à la fois dans l’architecture en intervenant comme allongeur de chaîne entre nœuds de réticulation du réseau époxyde et au niveau de l’interphase en contribuant dans la formation des liaisons réversibles, l'influence de la concentration de FGE dans la matrice a été étudiée sur les propriétés mécaniques de l'interphase et également sur les propriétés mécaniques de la matrice. Par conséquent, ce travail a permis d’aboutir à la procédure optimale pour construire une interphase fibre de carbone/époxy thermiquement auto-réparable basée sur des liaisons covalentes Diels-Alder (thermo réversibles). L'interphase ainsi formée possède non seulement des capacités d’auto-réparations multiples, mais également des propriétés mécaniques compatibles avec une approche ‘matériau composite’. En effet, les propriétés mécaniques globales des matériaux composites, comme attendu, sont dépendantes des caractéristiques de cette interphase mais ne seront pas réduites par la présence de celle-ci notamment pour assurer la durabilité du matériau composite. / A thermally self-healable carbon/epoxy interphase was designed based on Diels-Alder (D-A) thermally reversible covalent bonds. The D-A modified interphase was formed between maleimide groups grafted on carbon fiber surface and furan groups introduced into epoxy network. The self-healing ability was characterized by a micromechanical approach using the micro-droplet debonding test. In this work, carbon fiber surface underwent a three-step treatment to graft maleimide groups, including HNO3 oxidization, tetraethylenepentamine (TEPA) amination, and bismaleimide (BMI) grafting. The fiber surface physico-chemical modifications after each treatment step were characterized by microscopies (SEM, and AFM) and spectroscopies (XPS, and ATR-FTIR). The matrix modification was carried on mixing furfuryl glycidyl ether (FGE) into epoxy/amine network and the properties of modified matrix were studied by TGA, DSC, ATR-FTIR, and tensile tests. The reversible character of Diels-Alder bond was also followed by DSC, TGA, and NMR. The interfacial mechanical properties and the self-healing abilities of the D-A modified interphases, built by combining DGEBA-FGE/amine matrix with a serial of BMI-grafted carbon fibers tuned as a function of the oxidization time were investigated. At last, since FGE plays a double-role in D-A modified interfacial system, i.e. chain extender in epoxy network and self-healing agent in the interphase, the influences of FGE content in matrix on the mechanical properties of interphase and also on the mechanical properties of cured matrix were evaluated. As a consequence, this study allowed to achieve the best process to build a thermally self-healable carbon/epoxy interphase based on thermally reversible Diels-Alder covalent bonds. The formed interphase has not only the successive self-healable abilities but also the required mechanical properties. Additionally, the overall mechanical properties of the composite material based on this interphase will not be weakened significantly after the interfacial modifications.

L’utilisation de composites à matrice thermodurcissable et fibres continues est en constante progression dans le secteur aéronautique, ferroviaire, et automobile. Afin d’améliorer les composites obtenus, notamment leur résistance à l’impact et leur conductivité électrique, des nanocharges organiques ou inorganiques peuvent être ajoutées. Les nanotubes de carbone (CNT) font partie des candidats les plus prometteurs pour le renforcement de composites à multi-échelle. Cependant, il s’avère difficile de contrôler la dispersion, la répartition et l’orientation des CNT, après les avoir mélangés aux prépolymères. Une nouvelle stratégie d’insertion des CNT dans un composite consiste à combiner des fibres de CNT avec des fibres de carbone. L’orientation et l’organisation structurelle des CNT au sein de la fibre permettent d’obtenir d’excellentes propriétés mécaniques et électriques. Dans notre étude, les propriétés de fibres contenant exclusivement des CNT, obtenues par direct spinning, ont été comparées à celles de fibres de carbone (non-ensimées, ensimées, et CNT en surface). Différentes interfaces entre les fibres de CNT, fibres de carbone et deux types de matrices époxy (de TG très différentes) ont été générées et testées par des essais de fragmentation de fibre dans la matrice. La contrainte de cisaillement interfaciale fibre/matrice a été évaluée afin de déterminer l’influence des diverses fibres et ensimages sur les performances mécaniques de composites à matrice organique et à fibres continues. En outre, la nature de l’adhésion et la qualité de l’interphase entre la matrice et la fibre ont été caractérisées par plusieurs techniques d’analyses et d’observations à multi-échelles. / Nowadays, polymer-matrix composites reinforced with carbon fibers are increasingly used in the whole transport sector (aerospace, automotive and railway industries). However, the obtained parts still suffer from low impact resistance and low damage tolerance. To improve these properties, the matrix precursors have to be combined with organic or inorganic compounds to lead to multi-phased matrices. Among them, carbon nanotubes (CNT) are especially promising for targeting multi-scale reinforcement. Since high quality of the parts are required, continuous-fibers-reinforced composites can be produced by resin transfer molding (RTM) which also offers a reduced cost if compared with high temperature- and high pressure-based processes. However, RTM requires a very low viscosity of the polymer precursors and CNT-filled precursors are far too viscous to be injected on dry performs. In addition, this strategy does not allow for a control of the CNT location and orientation in the final part. In this study, innovative ways have been developed to insert CNT in the preform with local positioning and defined orientation. Deliveries of CNT in the matrix, from a neat carbon multi-nanotubes fiber produced by direct spinning, or from a CNT grown on carbon fiber were investigated in two types of epoxy matrices (with very different TG). Different polymer matrix/fiber interfaces have been generated using neat carbon multi-nanotubes fiber, CNT grown on carbon fiber and conventional carbon fiber, with or without sizing. A fine mechanical characterization of various fibers and particularly the measurement of single fiber interfacial properties have been performed in order to determine mechanical performance of continuous fiber reinforced composites. In addition, the nature of adhesion and quality of matrix/fiber interface have been fully evaluated by different multi-scale analyses and suitable microstructural observations.

L’intérêt croissant de l’industrie pour les matériaux composites thermoplastiques est motivé par leurs propriétés de thermoformabilité, de recyclabilité ainsi que leurs capacités de cadences de production élevées. Le développement de matériaux pré-imprégnés thermoplastiques, apparus dès les années 1980, s’est imposé comme un moyen efficace de contourner les fortes viscosités des polymères utilisés en réduisant la distance d’écoulement des polymères à l’état « fondu ». Cette étude s’est plus particulièrement intéressée au développement de composites à base de tissus de verre et de carbone pré-imprégnés par un latex acrylique, le TPREG I. En outre, les propriétés mécaniques élevées des matrices acryliques, alliées à un coût relativement faible, en font un matériau intéressant, de nature à permettre un saut technologique dans la conception et la fabrication de composites structuraux à matrice organique. Notre étude s’est concentrée sur la mesure de l’adhésion à l’interface fibre/matrice acrylique car cette région est au cœur du transfert de charge de la matrice vers les fibres et conditionne donc les propriétés mécaniques du composite. Nous avons choisi d’évaluer l’adhésion interfaciale en combinant des analyses de mouilllage avec des tests mécaniques aux échelles microscopique et macroscopique. Le test micromécanique de la microgoutte permet de mettre en évidence le rôle central de l’ensimage des fibres sur la contrainte de cisaillement interfaciale. L’adhésion thermodynamique, déterminé par des mesures d’énergie de surface, est en accord avec la contrainte de cisaillement et souligne l’influence de la polarité de l’ensimage. A l’échelle macroscopique, les essais de traction hors-axe sur composites unidirectionnels permettant de solliciter l’interface en cisaillement quasi-plan ont mis en exergue une corrélation entre les échelles micro et macro. L’étude a également permis de dégager une forte augmentation de l’adhésion grâce à une modification de la matrice acrylique, ainsi qu’une dégradation des propriétés interfaciales à l’échelle micro par vieillissement hydrolytique. Cette étude constitue une première base de données concernant les propriétés interfaciales de composites thermoplastiques acryliques et démontre l’importance d’une étude multi-échelles dans la conception de nouveaux composites. / The present study was initiated by the development of a new processing route, i.e. latex-dip impregnation, for thermoplastic (TP) acrylic semi-finished materials. The composites resulting from thermocompression of TPREG I plies were studied by focusing of interfacial adhesion. Indeed the fiber/matrix interface governs the stress transfer from matrix to fibers. Thus, a multi-scale analysis of acrylic matrix/fiber interfaces was conducted by considering microcomposites, as models for fiber-based composites, and unidirectional (UD)macro-composites. The study displayed various types of sized glass and carbon fibers. On one hand, the correlation between thermodynamic adhesion and practical adhesion, resulting from micromechanical testing, is discussed by highlighting the role of the physico-chemistry of the created interphase. Wetting and thermodynamical adhesion are driven by the polarity of the film former of the sizing. On the other hand, in-plane shear modulus values from off-axis tensile test results on UD composites are consistent with the quantitative analyses of the interfacial shear strength obtained from microcomposites. More specifically, both tests have enabled a differentiation of interface properties based on the fiber sizing nature for glass and carbon fiber-reinforced (micro-)composites. The study of overall mechanical and interface properties of glass and carbon fiber/acrylic composites revealed the need for tailoring interfacial adhesion. Modifications of the matrix led to successful increases of interfacial adhesion in glass fiber/acrylic composites. An additional hygrothermal ageing study evidenced a significant loss of interfacial shear strength at micro-scale which was not observed for UD composites. The results of this study are a first step towards a database of relevant interface properties of structural TP composites. Finally, the analyses of interfaces/phases at different scales demonstrate the importance of a multi-scale approach to tailor the final properties of composite parts.