Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Le but de ce travail est de produire et de caractériser des structures sandwich à trois couches asymétriques avec ou sans cœur moussé. Pour ce faire, le travail est divisé en deux sections. Dans la première partie, l'effet de la variation des quantités d'agent de couplage et de fibres sont étudiés. La microscopie et la caractérisation mécanique sont utilisées pour évaluer l'effet du polyéthylène greffé d’anhydride maléique (MAPE) sur l'amélioration de la compatibilité entre les fibres de chanvre et le polyéthylène de haute densité (HDPE). Les résultats montrent que les propriétés mécaniques optimales (tension, flexion, torsion et impact) sont obtenues à 9% en poids de MAPE. Dans la deuxième partie, des structures sandwich asymétriques à trois couches, avec ou sans cœur moussé, sont produites par extrusion suivi par un moulage en compression. Les effets de paramètres tels que la densité du cœur, la concentration en chanvre dans les peaux, les épaisseurs des couches et la séquence d'empilage sur leurs comportements en flexion et en impact sont étudiés. Les effets combinés de tous les paramètres mènent à contrôler les propriétés mécaniques (traction, torsion, flexion et impact) des structures sandwich asymétriques. / The aim of this work is to produce and characterize asymmetric three-layer sandwich structures with and without foam core. In order to do so, the work is divided in two sections. In the first part, the effect of coupling agent and fiber content is investigated. Micrographs and mechanical characterizations are used to show that the addition of maleic anhydride polyethylene (MAPE) improved the compatibility between hemp and high density polyethylene (HDPE). It is found that the optimum mechanical properties (tension, flexion, torsion and impact) are obtained with 9% wt. of MAPE in the composite. In the second part, asymmetric three-layer sandwich structures with and without foam core were produced using extrusion followed by compression molding. The effect of different parameters such as core density, skin hemp content, layer thickness, and stacking sequence on their flexural and impact behaviors are studied. The combined effect of all the parameters was found to control the mechanical properties (tension, torsion, flexion and impact) of asymmetric sandwich structures.

Cette thèse traite principalement de la compréhension des propriétés morphologiques et mécaniques de composites moussés en injection avec un agent moussant chimique exothermique (azodicarbonamide). Dans la première partie, des structures symétriques et asymétriques sont obtenues, à partir de polyéthylène de haute densité (HDPE) et de fibres naturelles (agave), en appliquant différents gradients de température au moule. Leurs propriétés morphologiques (épaisseur des peaux et du cœur, diamètre et densité cellulaires) et mécaniques (traction, flexion, torsion) sont présentées. Dans la deuxième partie, la caractérisation morphologique de composites microcellulaires à base de HDPE et de fibre de lin est approfondie. En plus des informations relatives au diamètre cellulaire et à la densité cellulaire, les profils de densité des composites moussés sont introduits. Leurs analyses révèlent la présence de zones de transition entre le cœur et les peaux. L'utilisation de ces profils de densité offre un accès rapide, simple et efficace aux épaisseurs des peaux, du cœur et de ces zones de transition ainsi qu'à la masse volumique du cœur moussé. Enfin, la troisième partie examine les comportements mécaniques (résistance et module en traction, flexion, torsion et impact) de composites microcellulaires à base de HDPE et de fibre de lin. Les profils de densité préalablement présentés permettent de prédire avec précision (2 à 6% d'erreur) les modules mécaniques des composites moussés.

Résumé : L’utilisation de chicanes dans les ponceaux de type insertion en polyéthylène de haute densité (PEHD) est devenue une pratique de plus en plus courante afin d’améliorer les conditions hydrauliques pour le passage des poissons. Cependant, on sait peu sur la façon dont les chicanes affectent la capacité hydraulique des ponceaux. Tout d’abord, une étude comparative a été menée afin de déterminer la variation de la vitesse et de la profondeur entre un ponceau en acier ondulé et un ponceau de type insertion en PEHD pour un débit fixe. Il a été constaté que la vitesse augmentera entre 65% et 260% et la profondeur diminuera entre -58% et -27% selon les valeurs de rugosité réelles du ponceau en tôle ondulée et du ponceau en PEHD. Ces résultats justifient des mesures pour améliorer le passage des poissons, comme par exemple l’installation de chicanes. À cette fin, les coefficients de rugosité n de Manning et f de Darcy ont été déterminés expérimentalement pour les chicanes de type déversoir, les chicanes de type fente et les chicanes de type spoiler pour quatre espacements ( λ = 0.6D , 1.2D, 1.8D, 2.4D ) et trois hauteurs ( h = 0.15D, 0.10D, 0.05D), où D est le diamètre nominal du ponceau. La hauteur des chicanes est ressortie comme étant le paramètre géométrique déterminant affectant la rugosité hydraulique. L’espacement se trouve à jouer un rôle secondaire. Un modèle analytique a été développé et analysé afin de déterminer les effets de la réduction de la rugosité (α = n/nf ), la réduction radiale (β = D/Do), la longueur du ponceau (L) et les traitements d’entrée (ke) sur la capacité hydraulique des ponceaux en tôle ondulée après avoir été réhabilités par insertion d’un ponceau en PEHD. Les résultats montrent que de nombreux ponceaux en PEHD peuvent accueillir des configurations de chicanes ayant des valeurs de α se situant entre 0,5 à 0,9 et continuer de respecter la capacité hydraulique requise. Des recommandations de conception pour l’utilisation de chicanes dans des courts et longs ponceaux en PEHD sont discutées. // Abstract :

Cette étude s'inscrit dans le cadre du recyclage des déchets de polyéthylène téréphtalate (PET) qui constitue un gisement abondant en raison de son emploi dans le secteur de l'emballage. Ce polymère étant un thermoplastique, la valorisation mécanique apparaît comme une méthode de choix pour le recycler. Toutefois, en raison de sa faible viscosité et donc de sa faible "extrudabilité", nous avons décidé de l'utiliser en mélange avec le polyéthylène haute densité (PEhd). L'enjeu de nos travaux a donc consisté à trouver des solutions pour extruder le PET et ses mélanges sous forme de profilés en assurant aux matériaux extrudés de bonnes propriétés mécaniques. Pour ce faire, nous avons étudié le procédé de mise en oeuvre SCAMIA et son impact sur les mélanges PET/PEhd, et notamment le comportement rhéologique des mélanges à l'état fondu, les mécanismes d'établissement de la morphologie et les propriétés mécaniques des pièces extrudés. Nous avons montré que le procédé SCAMIA et plus précisément l'utilisation de la filière froide permettait de contrôler la morphologie du PET et de ses mélanges. La formation d'une double structure cœur/peau du PET renforcée par la présence du PEhd leur assure des propriétés mécaniques satisfaisantes sans ajout de compatibilisant.

Le calcul des propriétés radiatives des plasmas denses fait en général appel au concept d'atome dans un plasma. Parmi les modèles qui définissent un tel concept, les modèles d'atome moyen représentent souvent un point de départ indispensable avant des approches statistiques plus sophistiquées. En outre, ils permettent de calculer les propriétés thermodynamiques ainsi que certains coefficients de transport. Depuis l'application du modèle quasiclassique de Thomas-Fermi aux plasmas denses par Feynman, Metropolis et Teller, toutes ses généralisations quantiques ont conduit à des modèles qui présentent des inconsistances thermodynamiques. Ce travail porte sur un modèle variationnel d'atome moyen pour la description des plasmas denses. Contrairement aux autres modèles, ce dernier donne, par construction, accès à l'équilibre thermodynamique et vérifie le théorème du viriel. Afin de résoudre les équations de ce modèle, un code nommé VAAQP (Variational Average-Atom in Quantum Plasmas) a été réalisé. Il permet notamment le calcul de l'équation d'état des plasmas denses. Après un état de l'art des modèles d'atome moyen, le formalisme du modèle variationnel est décrit dans ses versions Thomas-Fermi, quantique non-relativiste et quantique relativiste. La validité du théorème du viriel pour ce modèle est démontrée et l'inconsistance thermodynamique des autres modèles est expliquée. Les méthodes numériques qui sont appliquées dans VAAQP sont ensuite exposées. Enfin, les résultats obtenus avec le modèle variationnel, concernant les équations d'état, sont commentés et comparés aux résultats d'autres modèles, dont le modèle INFERNO, ainsi qu'à des résultats d'expériences sur les adiabatiques d'Hugoniot.

Ce mémoire de thèse synthétise trois années de recherches dédiées à l'étude numérique et théorique de la compression à haute densité de poudres métalliques. Des diérentes phases qu'intègrent la métallurgie des poudres, la phase de compression à froid de la poudre est l'une des phases les plus sensibles de ce procédé de fabrication, car elle influence les propriétés mécaniques de la pièce finale. Il est donc nécessaire de mettre en place une approche numérique qui permet de contrôler et d'optimiser la compression de poudre jusqu'à de fortes valeurs de compacité (compacité supérieure à 0:9). Pour cela, nous proposons de reproduire par la méthode des éléments discrets le comportement de la poudre observé expérimentalement sous diérents types de chargement. A ce jour, les simulations via cette méthode sont limitées à une valeur de compacité ne dépassant pas 0:85. Pour dépasser ces limitations, nous présentons un modèle de contact implémenté dans un code éléments discrets libre (Yade). Ce nouveau modèle de contact est développé sur la base de la loi de contact normal qui intègre le terme de densité locale des particules dans son expression, afin de prendre en compte l'incompressibilité des grains se produisant à des valeurs de compacité supérieures à 0:85. Dans le but de procéder à des simulations plus réalistes, un nouvel algorithme géométrique de génération d'empilements de sphères polydisperses est développé. Ce nouvel outil numérique est capable de générer très rapidement de grands assemblages de sphères en contact tout en contrôlant diérents paramètres comme la distribution de la compacité, la taille minimale et maximale des sphères. Avec le modèle de contact capable de reproduire l'interaction entre les grains et la création d'un algorithme pouvant générer des assemblages de sphères similaires à un tas de poudres, nous procédons à des simulations de compression isostatique et en matrice pour diérents types de poudres (cuivre, aluminium, fer). Les résultats obtenus sont directement comparés à ceux issus des simulations éléments finis multi-particules et de l'expérience. Ces comparaisons permettent ainsi de valider et de tester la robustesse du modèle de contact développé. Pour finir, nous investiguons sur la base de nos divers développements validés, l'évolution d'une poudre d'aluminium avec un gradient de compacité au cours d'une compression en matrice.

SOLUTION AND MELT BEHAVIOUR OF HIGH-DENSITY POLYETHYLENE - Successive Solution Fractionation mechanism - Influence of the molecular structure on the flow In the field of polyethylene characterization, one of the most challenging research topic is certainly an accurate molecular structure determination of industrial products, in terms of molar mass distribution (MMD), corresponding average-molar masses and molecular architecture (branching nature, content and heterogeneity). Solution to this long-term problem necessarily calls for a multi-disciplinary approach. Therefore, respective advantages of molecular structure characterization in solution and in the melt are exploited. In solution, chromatographic and spectroscopic methods allow determination of MMD, average branching content and intermolecular heterogeneity within their detection limits. Rheological testing in the melt could be a very powerful molecular structure investigation tool, due to its extreme sensitivity to high molar mass (MM) tailing or long chain branching (LCB) traces. But when the rheological tests results are in hand, we often still wonder what kind of molecular structure gives rise to such results. Indeed, melt signal depends on MM, MMD and LCB presence. MMD determination and LCB quantification by melt approach is impossible as long as respective effects of these molecular parameters are not clearly quantified. The general purpose of the present work is to contribute to a better molecular structure characterization of high-density polyethylene by developing, in a first time, a preparative fractionation method able to provide narrow-disperse linear and long chain branched samples, essential to separate concomitant effects of MM, MMD and LCB on rheological behaviour. Once such model fractions isolated, influence of MM and LCB on both shear and elongational flow behaviours in the melt is studied. /Dans le domaine du polyéthylène, un des sujets de recherche les plus investigués à l'heure actuelle est la détermination précise de la structure moléculaire de résines industrielles, en termes de distribution des masses molaires (MMD), de masses molaires moyennes correspondantes et d'architecture moléculaire (nature, teneur et hétérogénéité). La résolution de cette problématique nécessite une approche multi-disciplinaire, afin d' exploiter simultanément les avantages d'une caractérisation en solution et à l'état fondu. En solution, certaines méthodes chromatographiques et spectroscopiques permettent de déterminer une MMD, une teneur moyenne en branchement et leur distribution, dans leurs limites de détection. La mesure du comportement rhéologique à l'état fondu pourrait s'avérer un formidable outil de caractérisation de la structure moléculaire en raison de son extrême sensibilité à certains détails moléculaires, tels que la présence de traces de LCB ou de très hautes masses molaires (MM). Malheureusement, le signal rhéologique dépend de manière conjointe de la MM, MMD et de la présence ou non de LCB, de telle sorte que la détermination d'une MMD ou d'une teneur en LCB par cette voie est impossible aussi longtemps que les effets respectifs de ces paramètres moléculaires sur le comportement rhéologique n'ont pas été clairement et distinctement établis. L'objectif global de cette thèse est de contribuer à une meilleure caractérisation de la structure moléculaire du polyéthylène haute densité en développant, dans un premier temps, une méthode préparative de fractionnement capable de produire des échantillons, linéaires ou branchés, à MMD la plus étroite possible, indispensables en vue de séparer les effets concomitants de la MM, MMD et LCB sur le comportement rhéologique à l'état fondu. Une fois de tels objets modèles isolés, l'influence de la MM et du LCB sur le comportement rhéologique, en cisaillement et en élongation, sera étudié.

L'essor des microsystèmes contraint à développer des techniques qui permettent la production de pièces de plus en plus petites. Parmi ces techniques, l'injection de matériaux thermoplastiques dans des micro-moules, nommée microinjection, est un candidat de choix et commence à s'implanter dans le milieu industriel. Mais des verrous techniques et scientifiques empêchent son développement à plus grande échelle. Conscient de ces problèmes, le CEMEF de MinesParisTech, le PIMM de Arts et Métiers ParisTech et la société GETELEC ont déposé un projet ANR Mat&Pro intitulé Micronnect dont le but était à la fois de mettre au point un nouveau concept de machine de microinjection, d'étudier la rhéologie à haut taux de déformation, et pour nous au laboratoire PIMM, de comprendre et déterminer l'influence des hautes vitesses de déformation sur les microstructures et propriétés induites dans les polymères semi-cristallins qui représentent la grande majorité des polymères aujourd'hui utilisés en microinjection. Les études ont été menées sur un PEhD et un PA12 qui ont été injectés dans des plaques de faibles épaisseurs (200, 300 et 500 µm). Les analyses obtenues par la microscopie optique montrent que la morphologie " cœur-peau " n'est constituée que de deux couches visibles, une couche de peau transparente d'épaisseur constante et une couche de cœur assez uniforme. Les analyses combinées de diffusion et de diffraction des rayons X (SAXS et WAXS) avec un microfaisceau synchrotron nous ont permis de déterminer la microstructure induite dans l'épaisseur des pièces. Contrairement à l'injection en plus forte épaisseur, la couche de peau est constituée de shish-kebabs et s'avère la couche la plus orientée. L'épaisseur joue un rôle prépondérant avec des microstructures en shish-kebabs qui se prolongent jusqu'à cœur lorsque l'épaisseur diminue jusqu'à 0,3 ou 0,2 mm. La longueur d'écoulement, le temps d'injection et la température du moule ont également une influence significative. On recherchera des temps d'injection les plus rapides possibles, quelques centièmes de seconde, pour permettre à la fois un bon remplissage des cavités moulantes et une diminution des orientations cristallines, ce qui a pour effet une meilleure relaxation des chaînes de polymères après le remplissage et avant la cristallisation. On comprend alors que les technologies classiques de l'injection doivent évoluer.

Résumé : L’utilisation de chicanes dans les ponceaux de type insertion en polyéthylène de haute densité (PEHD) est devenue une pratique de plus en plus courante afin d’améliorer les conditions hydrauliques pour le passage des poissons. Cependant, on sait peu sur la façon dont les chicanes affectent la capacité hydraulique des ponceaux. Tout d’abord, une étude comparative a été menée afin de déterminer la variation de la vitesse et de la profondeur entre un ponceau en acier ondulé et un ponceau de type insertion en PEHD pour un débit fixe. Il a été constaté que la vitesse augmentera entre 65% et 260% et la profondeur diminuera entre -58% et -27% selon les valeurs de rugosité réelles du ponceau en tôle ondulée et du ponceau en PEHD. Ces résultats justifient des mesures pour améliorer le passage des poissons, comme par exemple l’installation de chicanes. À cette fin, les coefficients de rugosité n de Manning et f de Darcy ont été déterminés expérimentalement pour les chicanes de type déversoir, les chicanes de type fente et les chicanes de type spoiler pour quatre espacements ( λ = 0.6D , 1.2D, 1.8D, 2.4D ) et trois hauteurs ( h = 0.15D, 0.10D, 0.05D), où D est le diamètre nominal du ponceau. La hauteur des chicanes est ressortie comme étant le paramètre géométrique déterminant affectant la rugosité hydraulique. L’espacement se trouve à jouer un rôle secondaire. Un modèle analytique a été développé et analysé afin de déterminer les effets de la réduction de la rugosité (α = n/nf ), la réduction radiale (β = D/Do), la longueur du ponceau (L) et les traitements d’entrée (ke) sur la capacité hydraulique des ponceaux en tôle ondulée après avoir été réhabilités par insertion d’un ponceau en PEHD. Les résultats montrent que de nombreux ponceaux en PEHD peuvent accueillir des configurations de chicanes ayant des valeurs de α se situant entre 0,5 à 0,9 et continuer de respecter la capacité hydraulique requise. Des recommandations de conception pour l’utilisation de chicanes dans des courts et longs ponceaux en PEHD sont discutées. // Abstract :

Cette thèse, qui s'intègre dans le cadre du projet européen EMCOMIT, a pour objectif de contribuer à l'étude des circuits imprimés haute densité d'intégration comportant un nombre de couches important et des composants enterrés. La qualification de cette technologie est effectuée en conduisant des simulations et des mesures électriques sur des véhicules de tests spécifiques. L'analyse des résultats électriques permet d'évaluer l'aptitude de ces matériaux à répondre aux exigences des applications de télécommunication et de technologie de l'information rapide. La fiabilité d'un assemblage de BGA de grande taille sur un circuit imprimé a été évaluée. Des simulations thermomécaniques ont été effectuées afin de calculer les contraintes résiduelles accumulées pendant le procédé d'assemblage puis l'énergie dépensée dans les parties critiques des joints au cours d'un cycle thermique. Simultanément, des BGA reportés sur des circuits imprimés ont été placés dans une chambre climatique et ont subi des variations de températures.