Thèse de doctorat : Matériaux Polymères et Composites : Villeurbanne, INSA : 2000. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque partie.

Thèse de doctorat : Matériaux Polymères et Composites : Villeurbanne, INSA : 1999. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 201-220.

Thèse de doctorat : Physico-Chimie de la Matière Condensée : Bordeaux 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

We describe the theory and implementation of a multipole method for calculating the modes of microstructured optical fibers (MOFs). We develop tools for exploiting results obtained through the multipole method, including a discrete Bloch transform. Using the multipole method, we study in detail the physical nature of solid core MOF modes, and establish a distinction between localized defect modes and extended modes. Defect modes, including the fundamental mode, can undergo a localization transition we identify with the mode�s cutoff. We study numerically and theoretically the cutoff of the fundamental and the second mode extensively, and establish a cutoff diagram enabling us to predict with accuracy MOF properties, even for exotic MOF geometries. We study MOF dispersion and loss properties and develop unconventional MOF designs with low losses and ultra-flattened near-zero dispersion on a wide wavelength range. Using the cutoff-diagram we explain properties of these MOF designs.

La fibrillation anormale de la protéine tau est un phénomène présent dans de nombreuses maladies neurodégénératives, dont la maladie d’Alzheimer, et conduit à la formation de fibres amyloïdes appelées dégénérescences neurofibrillaires. L’utilisation de molécules organiques capables de marquer ces fibres ou d’inhiber leur formation revêt un intérêt à la fois diagnostic et thérapeutique dans la maladie d’Alzheimer. Une série d’aurones a été synthétisée et leur capacité à interagir et interférer avec le processus de fibrillation a été évaluée in vitro sur des modèles de fibres de tau développés ou optimisés lors de ce projet. Ce travail a permis de montrer que des aurones polyhydroxylées sont capables d’agir comme sonde et/ou comme inhibiteur du processus de fibrillation. Afin d’élargir les applications possibles des aurones, la ligation d’aurones avec des biomolécules ou encore leur radiomarquage a également été évaluée. / The fibrillation of the tau protein occurs in many neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease, and leads to the formation of amyloid fibres called neurofibrillary tangles. Using organic molecules able to mark these fibres or inhibit their formation provides an interest both in diagnosis and therapy in Alzheimer’s disease. A series of aurones was synthesized and their ability to interfere with the fibrillation process was evaluated in vitro on models of tau fibres developed in this project. This work shows that polyhydroxylated aurones are able to act both as probes and as inhibitors of the fibrillation process. The ligation of these aurones with biomolecules or their radiolabelling has also been investigated.

Cette thèse s’intéresse au tissage et au préformage de renforts fibreux à base de fibres de lin. Avant d’être utilisés, ces fibres sont disposées en faisceaux de faible longueur (~ 30 mm en moyenne) et ont besoin d’être assemblées pour constituer un renfort linéaire continu. L’utilisation de rubans ou de rovings sans torsion est recommandée pour des applications composites. Dans un premier temps, cette étude se concentre sur l’élaboration et l’utilisation de rovings traités par un agent d’encollage et sans torsion ainsi que sur l’influence des paramètres du procédé de tissage sur les propriétés mécaniques et les caractéristiques textiles des renforts tissés. Pour éviter l’endommagement de ces rovings durant le tissage, des solutions sont proposées. Dans un second temps cette thèse s’intéresse à la mise en forme de ces renforts sur une géométrie complexe. Ce travail se concentre alors sur l’étape de préformage du procédé RTM. Une approche expérimentale est abordée pour identifier et quantifier les défauts apparaissant durant l’emboutissage sur une géométrie complexe comme le tétraèdre. Cette analyse se concentre en particulier sur le défaut de bouclage causé par un fléchissement des mèches. Des solutions comme l’optimisation de l’architecture des renforts sont observées pour obtenir cette géométrie complexe sans défaut avec des renforts à base de fibres de lin. La forme, le positionnement ainsi que la pression appliquée sur les serre-flans maintenant le renfort au cours du passage du poinçon influent également sur la génération des défauts. L’optimisation du procédé d’emboutissage pour empêcher l’apparition de boucles sur les préformes conclut ce travail. / This work focuses on the weaving and forming of flax based reinforcements. Before being woven, naturalfibres on the form of finite length bundles (~ 30 mm in average for flax) need to be assembled together in a1D continuous product. The use of roving or slivers without twist is rather recommended for compositeapplications. In a first part, this study focuses on the manufacturing and the use of untwisted rovings treatedwith a bonding agent as well as on the weaving process parameters that may influence the mechanicalproperties and the textile characteristics of the woven fabric. Solutions to prevent roving defects duringweaving are proposed. In a second part, this study investigates the ability to develop composite parts with complex geometrieswithout defect. It focuses on the first step of RTM process which consists in forming dry fibrousreinforcements. An experimental approach is used to identify and quantify the defects. The buckling defectcaused by the bending of tows during the preforming step is particularly investigated. Solutions to realize acomplex shape such as a tetrahedron without any defect from flax based woven reinforcements areproposed. With optimized reinforcement architecture, buckling can be prevented. Another solutionconsisting in optimising the process parameters such as the blank holder geometry or the blank holderpressure to prevent the appearance of buckles from commercial fabrics was also investigated with success.

Les protéines fibreuses (kératine, élastine, collagène, fibroïne…) représentent 1/3 des protéinesconstitutives des mammifères et des oiseaux. Ce sont des protéines qui ont une fonction de protection et/oumécanique. La soie apparait comme le système le plus « simple » car elle est principalement constituée demotifs de répétition à base d’alanine et de glycine, deux petits acides aminés. Certaines soies présentent despropriétés mécaniques comparables ou supérieures à celles des fibres synthétiques et seraient susceptiblesd’être de nouveau largement utilisées dans des applications techniques (par exemple biomédicales) si lavariabilité de leurs propriétés était maîtrisée. Ce travail porte sur la structure des soies grèges ou décreuséesde Bombyx mori (ver à soie domestique), de Nephila madagascariensis (araignée sauvage, fibre sansenveloppe de séricine), de Bombyx mori génétiquement modifié (incluant un gène de Nephila) et sur unesoie recombinante 4RepCT (Escherichia coli). La soie est analysée par spectrométrie Raman (et IRTF) ettraction uni-axiale, ainsi que par le couplage de ces méthodes. L’analyse de la région des bas nombresd’onde en spectroscopie Raman a permis de caractériser des régions ordonnées de 2 à 3 μm de long etdistantes d’environ 60 μm. Il s’agit de la première mise en évidence d’une hétérogénéité de structure de lasoie. Le couplage avec la traction uni-axiale montre une sollicitation de ces régions ordonnées sousdéformation, suggérant une organisation de la soie selon le modèle de Prevorsek, c’est à dire qu’une mêmechaîne macromoléculaire appartient à la fois à des régions amorphes et à des régions ordonnées. L’étudestatistique des propriétés mécaniques de la soie de ver et d’araignée montre une grande distribution, maisune bonne stabilité dans le temps (dizaines d’années). La modification génétique ne procure pasd’amélioration des propriétés mécaniques de la fibre, seulement une légère diminution de la variabilité.Diverses stratégies sont mises en oeuvre pour tenter d’échapper à cette variabilité : production bactérienne,solubilisation de la soie et régénération sous forme de films. Le rôle de l’eau lors de la biosynthèse de lasoie, ainsi que l’effet de divers paramètres (filtration, pH, séchage…) lors de la préparation des films ont étéétudiés. Nous avons pu confirmer que la présence d’agrégats de protéines favorise l’organisation dans lesfilms et 2 types de films ont donc été préparés. Les films les plus amorphes présentent les propriétésmécaniques les plus intéressantes, même si elles n’atteignent de quelques % de celles des fibres. Lafabrication de composites à matrice de soie régénérée renforcée par des fibres de soie permet d’augmenterla résistance et la déformation à rupture. Ces premiers résultats sont encourageants pour le développementde matériaux composites fibres de soie/matrice de soie régénérée. / Fibrous proteins (keratin, elastin, collagen, fibroin ...) make up to one third of the proteins ofmammals and birds. They are structural proteins with a protective and/or mechanical function. Silk appearsto be the ‘simplest’ model because it mainly consists of two small amino acids residues (alanine andglycine). Some silks have comparable or superior mechanical properties compared to those of syntheticfibres and could be used in technical applications (e.g. biomedical) if the variability of their properties canbe controlled. This work focuses on the structure of silks from: Bombyx mori (domestic silkworm)degummed or not, Nephila madagascariensis (wild spider, no sericin coating), GM Bombyx mori (includinga gene of Nephila) a recombinant spider silk 4RepCT (Escherichia Coli). Silk is analyzed by Ramanspectroscopy (and FTIR), uni-axial tensile testing, and also by the coupling of these methods. The analysisof the low wavenumbers region in Raman spectroscopy allowed the characterization of ordered regions of 2to 3 microns separated by about 60 microns. This is the first evidence of the heterogeneous structure ofsilk. Coupling with the uni-axial tensile test shows that these ordered regions are stressed under macroscopicdeformation, suggesting silk organization according to Prevorsek’s model, i.e. that the samemacromolecular chain belongs to both amorphous and ordered regions. The statistical study of themechanical properties of silkworm and spider silks shows great dispersion, but a good stability over time(decades). Genetic modification does not improve the fibres mechanical properties but a slight decrease intheir variability. Various strategies have been investigated to control the variability: bacterial production,solubilization of silk and films regeneration. The role of water in silk biosynthesis, as well as the effect ofvarious parameters (filtration, pH, drying ...) during the preparation of the films were studied. It wasconfirmed that the presence of protein aggregates promotes the organization in film and two types of filmswere prepared. The most amorphous ones have the most interesting mechanical properties, though only afew percent of those from the starting fibres. The fabrication of regenerated silk matrix compositesreinforced by silk fibres increases the strength and strain to failure. These initial results are encouraging forthe development of silk fibres/regenerated silk matrix composite materials.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’une optimisation industrielle et économique des éléments de structure en BFUP permettant d’en garantir la ductilité au niveau structural, tout en ajustant la quantité de fibres et en optimisant le mode de fabrication. Le modèle développé décrit explicitement la participation du renfort fibré en traction au niveau local, en enchaînant une phase de comportement écrouissante suivie d'une phase adoucissante. La loi de comportement est fonction de la densité, de l'orientation des fibres vis-à-vis des directions principales de traction, de leur élancement et d'autres paramètres matériaux usuels liés aux fibres, à la matrice cimentaire et à leur interaction. L'orientation des fibres est prise en compte à partir d'une loi de probabilité normale à une ou deux variables permettant de reproduire n'importe quelle orientation obtenue à partir d’un calcul représentatif de la mise en œuvre du BFUP frais ou renseignée par analyse expérimentale sur prototype. Enfin, le modèle reproduit la fissuration des BFUP sur le principe des modèles de fissures diffuses et tournantes. La loi de comportement est intégrée au sein d'un logiciel de calcul de structure par éléments finis, permettant de l'utiliser comme un outil prédictif de la fiabilité et de la ductilité globale d’éléments en BFUP. Deux campagnes expérimentales ont été effectuées, une à l'Université Laval de Québec et l'autre à l'Ifsttar, Marne-la-Vallée. La première permet de valider la capacité du modèle à reproduire le comportement global sous des sollicitations typiques de traction et de flexion dans des éléments structurels simples pour lesquels l’orientation préférentielle des fibres a été renseignée par tomographie. La seconde campagne expérimentale démontre les capacités du modèle dans une démarche d’optimisation, pour la fabrication de plaques nervurées relativement complexes et présentant un intérêt industriel potentiel pour lesquels différentes modalités de fabrication et des BFUP plus ou moins fibrés ont été envisagés. Le contrôle de la répartition et de l’orientation des fibres a été réalisé à partir d'essais mécaniques sur prélèvements. Les prévisions du modèle ont été confrontées au comportement structurel global et à la ductilité mis en évidence expérimentalement. Le modèle a ainsi pu être qualifié vis-à-vis des méthodes analytiques usuelles de l'ingénierie, en prenant en compte la variabilité statistique. Des pistes d'amélioration et de complément de développement ont été identifiées / This Ph.D. project has been prepared within the context of an industrial and economic optimisation of UHPFRC structural elements to ensure ductility at the structural level, while adjusting the amount of fibre and optimising the manufacturing process. The model developed explicitly describes the participation of local fibre reinforcement in tension, thanks to a hardening behaviour followed by a softening one. The constitutive law is a function of the local fibre content, of the fibre orientation with respect to tensile principal directions, of the fibre slenderness and other usual material parameters related to the fibres, the cementitious matrix and their interaction. The fibre orientation is taken into account using a normal probability distribution with one or two variables to reproduce any orientation either obtained from a representative simulation of casting fresh UHPFRC or informed by experimental analysis on prototypes. Lastly, the model reproduces the cracking of UHPFRC based on the principle of smeared rotating crack models. The constitutive law is implemented in a structural finite element software as a predictive tool of reliability and overall ductility of UHPFRC elements. Two experimental campaigns were carried out, one at Laval University in Quebec and one at Ifsttar, Marne-la-Vallée. The first one is used to confirm the model ability to reproduce the overall behaviour under typical tensile and bending loads in simple structural elements for which the preferential fibre orientation was measured by microtomography. The second experimental campaign demonstrates the capabilities of the model, in an optimisation process, to help manufacture relatively complex ribbed triangular plates of industrial interest in which different manufacturing process and fibre volume have been considered. The identification of fibre distribution and orientation has been performed using mechanical tests on sawn samples. The model predictions have been compared to the global structural behaviour, and to the ductility demonstrated experimentally. The model could be qualified through comparison with conventional analytical engineering methods, taking into account the statistical variability. Improvement and additional developments have been identified

Les fibres naturelles sont une alternative aux fibres de verre pour renforcer les polymères. Lors de la mise en œuvre par injection, la taille, l'orientation et la distribution de fibres évoluent en fonction de l'écoulement, et cela conditionne les propriétés des pièces injectées. L'objectif de cette thèse est de caractériser la microstructure de composites à base de deux types de fibres, le lin et Tencel®, et d'établir une corrélation avec leurs propriétés. Les fibres et matrice ont été mélangées en extrusion bivis et les composites obtenus injectés. La rupture de fibres est plus importante lorsque leur concentration augmente. La casse est principalement pendant la phase de mélange. Une nouvelle approche de caractérisation permettant la quantification des orientation, distribution et courbure de fibres a été développée. Les composites présentent une structure cœur-peau dans l'épaisseur de la pièce injectée. Les propriétés rhéologiques des composites ont été étudiées en modes dynamique et capillaire. Les fibres Tencel®, qui sont les plus flexibles, conduisent à une augmentation plus grande des viscosités, modules et seuil d'écoulement. Les propriétés mécaniques en traction et au choc ont été déterminées dans des éprouvettes prélevées dans des boites injectées avec différentes orientations par rapport à l'axe d'écoulement. Les propriétés d'impact des composites à fibres Tencel® sont supérieures à celles à base de lin et de verre. Des modèles ont été testés en prenant en compte l'orientation de fibres. Lors des campagnes d'injection, les pressions sur des capteurs situés dans la cavité ont été mesurées. Les pressions calculées avec le logiciel Rem3D sont en assez bon accord avec la mesure. Le modèle d'orientation de fibre rigide utilisé dans Rem3D donne des résultats corrects pour les fibres de lin, mais il s'est avéré inapproprié pour prédire l'orientation des fibres Tencel® extrêmement flexibles. Ce travail est réalisé dans le cadre de la Chaire Industrielle Bioplastiques financée par Mines ParisTech et Arkema, l'Oréal, Nestlé, PSA et Schneider Electric / Natural fibres are an alternative to glass fibres for reinforcing polymers. During injection, fibre size, orientation and distribution evolve as a function of flow and determine composite properties. The goal of this thesis is to characterize the microstructure of composites based on two types of fibres, flax and Tencel®, and to correlate with composite properties.The composites were prepared by extrusion and injection. Fibre rupture was higher at higher fibre concentrations. There was practically no breakage during injection. A new approach allowing quantification of fibre orientation, distribution and curvature was developed. The composites with cellulosic fibres have core-skin structure along the part thickness. The rheological properties of composites were studied in dynamic and capillary modes. Tencel® fibres, which are the most flexible, showed the highest viscosity, moduli and yield stress. Tension and impact were measured for samples cut from the moulded part at different orientations towards the main flow direction. Impact properties of Tencel®-based composites were the highest compared to flax and glass fibre composites. Models taking into account fibre orientation were tested. Pressure in the mould during injection was recorded. Pressure calculated with Rem3D software showed a reasonable agreement with the experiment. Modelling of fibre orientation with Rem3D gave results comparable with experiment for flax but turned out to be not applicable for Tencel® which are flexible.The work was performed within the Industrial Chair in Bioplastics supported by MINES ParisTech and Arkema, L'Oréal, Nestlé, PSA and Schneider Electric.

Dans les travaux de cette thèse, des fibres extraites de la plante de chanvre et des agro-composites polypropylène renforcés par des fibres courtes ont été étudiés. Des essais de caractérisations expérimentales alliés à une modélisation numérique ont permis de comprendre et de déterminer leurs comportements mécaniques en tenant compte des considérations géométriques, des défauts naturels ainsi que la taille des fibres. De part leur nature, les fibres unitaires et les faisceaux de chanvre ont une structure, une forme et une composition complexe influençant leur comportement et leurs propriétés mécaniques. Les études menées dans cette thèse ont montré l’influence des conditions de cultures et de la variété de chanvre sur les propriétés des fibres et des agro-composites. Concernant l’agro-composite, d’autres méthodes expérimentales à la fois optique et macroscopique ont été utilisées pour la caractérisation de son comportement. La méthode de corrélation d’images sous diverses sollicitations mécaniques a mis en lumière l’hétérogénéité du comportement local de ces matériaux, montrant ainsi la non-homogénéité des propriétés mécaniques. Une étude complémentaire a montré l’influence de la répartition des fibres et du processus de fabrication des agro-composites sur l’endommagement et la rupture du matériau / In this thesis, fibres extracted from hemp plant and bio-composites polypropylene reinforced by short hemp fibres was investigated. Experimental studies coupled to numerical modelling have enabled to understand and determined their mechanical behaviour taking into account the geometrical shape, the natural defects and the size of hemp fibres. Microscopic experimental method has enabled to characterize the unitary fibre behaviour independently of fibre bundles. Due to their vegetal origins, hemp unitary fibres and bundles present a complex morphology and structure which have an impact on the mechanical properties of composite. Studies carried out the effect of the growing conditions and hemp variety on the fibre behaviour.For the bio-composite material, optical and macroscopic experimental characterization methods were used in order to determine the behaviour of a polypropylene PP reinforced by hemp fibres. The imaging correlation method is also used to analyse the local behaviour showing the heterogeneity of PP/hemp fibres reinforced material. Moreover, complementary work showed the impact of the fibre distribution and the manufacturing process on the composite properties and the damage initiation and growth