Cette thèse est essentiellement consacrée à la caractérisation et à l’analyse des propriétés mécaniques de matériaux composites constitués d’un renfort taffetas verre et d’une résine acrylate (Elium®). Avant l’apparition de la résine Elium® sur le marché en 2013, les polymères acrylates n’étaient pas utilisés dans l’industrie des composites fibres longues. Dans le volet expérimental de la thèse, nous nous intéressons principalement à l’influence de l’ensimage (traitement de surface appliqué aux fibres pour favoriser l’adhésion de la matrice) sur le comportement mécanique de nos composites. En complément de différents essais mécaniques macroscopiques « classiques » (traction, flexion etc.), nous avons utilisé des techniques d’analyse locales fines (mesures de champ cinématique, microtomographie X, Microscopie Électronique à Balayage, nanoindentation…) qui nous ont permis de caractériser et d’étudier certains mécanismes locaux de déformation et d’endommagement. L’influence de l’ensimage sur les propriétés en fatigue a été mise en évidence grâce à des mesures d’autoéchauffement pour lesquelles nous avons développé un traitement original des données. A l’issue de nos investigations, nous avons pu quantifier le bénéfice qui résulte de l’utilisation d’un ensimage spécifiquement conçu pour favoriser l’adhésion d’un polymère acrylate sur des fibres de verre. Dans le volet « simulation numérique » de la thèse, nous avons modélisé le comportement mécanique de nos composites taffetas verre/matrice acrylate grâce au solveur spectral CraFT (Composite response and Fourier Transforms). Le détail des champs de contrainte et de déformation a été obtenu à l’échelle de la mésostructure et révèle une structuration périodique induite par la présence du renfort tissé. Une analyse quantitative a permis de vérifier que les champs de déformation qui ont été obtenus grâce au solveur CraFT sont en très bon accord avec des mesures réalisées par corrélation d’images. A partir du champ de contrainte, nous avons mis en évidence les régions de la mésostructure qui subissent les plus fortes sollicitations mécaniques. En visualisant par microtomographie X la structure interne d’éprouvettes précédemment déformées, nous avons pu établir le lien entre la localisation de l’endommagement au sein de la mésostructure et les régions de concentration de contrainte que la simulation numérique avait mises en évidence / This thesis is devoted to the characterization and the analysis of the mechanical properties of composite materials made of a plain weave glass fiber reinforcement and an acrylic resin (Elium®). Before the commercialization of the Elium resin in 2013, acrylics polymers were not used in the composite industry. In the experimental part of this thesis, we mainly focused on the sizing effect (surface treatment of the fibers to enhance the bonding between the matrix and the fibers) on the mechanical behavior of our composites. The characterizations were carried out through classical macroscopic mechanical tests (tensile, bending, shearing…) but using metrological tools for local analysis (full-field strain measurements, X ray micro-tomography, Scanning Electron Microscopy, Nano-indentation etc.). We were able to study strain and damage phenomena at local scales. Fatigue properties of the sizing were highlighted by heat build-up experiments. To analyze these measurements, an original data treatment has been developed which makes clear the benefit of an acrylic sizing in order to enhance the bonding between glass fibers and our acrylic matrix. In the theoretical part of this thesis, we studied the mechanical behaviour of our glass fiber plain weave/acrylic resin composite through a numerical simulation based on the CraFT spectral solver (Composite response and Fourier Transforms). Local stress and strain fields were obtained at the mesoscopic scale. The strain field analysis shows a periodic structure induced by the presence of the plain weave reinforcement. By a quantitative study, a good agreement between the numerical strain field obtained by CraFT and the 3D-DIC experimental strain measurements was found. The numerical stress field analysis reveals regions were a high local stress occurs. Comparing with X ray micro-tomography observationsof the internal structure of previously loaded composite sampleswe noticed that the damages occurring inside the mesostructure are totally correlated with the local stress concentration revealed by CraFT numerical simulations

Dans ce travail, nous nous intéressons à la modélisation stochastique continue et à l'identification des propriétés élastiques dans la zone d'interphase présente au voisinage des hétérogénéités dans un nano composite prototypique, composé d'une matrice polymère modèle renforcée par une nano inclusion de silice. Des simulations par dynamique moléculaire (DM) sont tout d'abord conduites afin d'extraire certaines caractéristiques de conformation des chaînes proches de la surface de l'inclusion, ainsi que pour estimer, par des essais mécaniques virtuels, des réalisations du tenseur apparent associé au domaine de simulation. Sur la base des résultats obtenus, un modèle informationnel de champ aléatoire est proposé afin de modéliser les fluctuations spatiales du tenseur des rigidités dans l'interphase. Les paramètres du modèle probabiliste sont alors identifiés par la résolution séquentielle de deux problèmes d'optimisation inverses (l'un déterministe et associé au modèle moyen, l'autre stochastique et lié aux paramètres de dispersion et de corrélation spatiale) impliquant une procédure d'homogénéisation numérique. On montre en particulier que la longueur de corrélation dans la direction radiale est du même ordre de grandeur que l'épaisseur de l'interphase, indiquant ainsi la non-séparation des échelles. Enfin, la prise en compte, par un modèle de matrices aléatoires, du bruit intrinsèque généré par les simulations de DM (dans la procédure de calibration) est discutée / This work is concerned with the stochastic modeling and identification of the elastic properties in the so-called interphase region surrounding the inclusions in nanoreinforced composites. For the sake of illustration, a prototypical nanocomposite made up with a model polymer matrix filled by a silica nanoinclusion is considered. Molecular Dynamics (MD) simulations are first performed in order to get a physical insight about the local conformation of the polymer chains in the vicinity of the inclusion surface. In addition, a virtual mechanical testing procedure is proposed so as to estimate realizations of the apparent stiffness tensor associated with the MD simulation box. An information-theoretic probabilistic representation is then proposed as a surrogate model for mimicking the spatial fluctuations of the elasticity field within the interphase. The hyper parameters defining the aforementioned model are subsequently calibrated by solving, in a sequential manner, two inverse problems involving a computational homogenization scheme. The first problem, related to the mean model, is formulated in a deterministic framework, whereas the second one involves a statistical metric allowing the dispersion parameter and the spatial correlation lengths to be estimated. It is shown in particular that the spatial correlation length in the radial direction is roughly equal to the interphase thickness, hence showing that the scales under consideration are not well separated. The calibration results are finally refined by taking into account, by means of a random matrix model, the MD finite-sampling noise

L’utilisation des composites à matrice céramiques (CMC), et particulièrement les matériaux SiC/SiC, à la place des alliages métalliques dans les moteurs aéronautiques peut permettre de réduire leur consommation. Ils possèdent en effet des propriétés physiques et mécaniques très intéressantes à haute température : faible densité, résistance élevée aux chocs thermiques et rupture non-fragile. Dans ces matériaux, une fine couche est insérée entre les fibres et la matrice : l’interphase. Le nitrure de bore pyrolytique est le matériau d’interphase de choix pour les applications visées. La bibliographie souligne bien la nécessité et la difficulté de « contrôler » l’intensité des liaisons interfaciales fibres/matrice (F/M) grâce à l’interphase. Mais l’influence exacte de la cristallinité et de l’épaisseur des interphases de type BN sur son contrôle, et par conséquent sur le comportement mécanique final du CMC industriel est encore mal connue.Une première problématique abordée dans cette thèse est l’échelle du CMC de laboratoire à utiliser. En effet jusqu’ici, les matériaux modèles les plus couramment employés sont les mini- et les micro- composites 1D. Ils peuvent être élaborés facilement et rapidement par dépôt chimique en phase vapeur mais ne rendent pas compte de phénomènes inévitablement présents au sein du composite industriel. C’est pourquoi l’utilisation de nouveaux matériaux modèles 2D comme les « monostrates » comprenant un pli de tissu, l’interphase BN et une matrice de SiC dont la porosité peut être comblée par du Si comme dans le cas des CMC industriels est plus pertinente et est proposée. Cependant, de par la faible épaisseur des éprouvettes, les protocoles de caractérisation et de tests mécaniques ont dû être revus. Il s’agit notamment de caractériser la liaison F/M par deux paramètres : la contrainte de cisaillement de la liaison interfaciale (τi) et le module de cisaillement du matériau (G12).Pour la partie mécanique, des essais de traction monotone et cyclée dans l’axe des fibres du renfort (exploités à l’aide de modèles micromécaniques), des essais de cisaillement Iosipescu, ainsi que des essais de push out ont été mis au point et exploités. Des analyses de micro caractérisation par microscopie électronique (MEB, FIB-MEB, MET) ont été réalisées avant et après essais mécaniques avec des interphases de différentes configurations afin de relier les différences de microstructures et d’épaisseurs aux chemins de fissuration matricielle et aux comportements mécaniques macroscopiques des composites. La liaison F/M la plus forte est notamment obtenue quand le degré de cristallisation et l’anisotropie structurale du BN sont peu élevés, pourvu que l’épaisseur de l’interphase soit suffisante. / The use of ceramic matrix composites (CMC), and particularly SiC/SiC materials, in place of metal alloys in aircraft engines has the potential to reduce their fuel consumption. They have very interesting physical and mechanical properties at high temperatures: low density, high resistance to thermal shock and non- brittle failure. In these materials, a thin layer is inserted between the fibres and the matrix: the interphase. Pyrolytic boron nitride is the interphase material of choice to achieve the desired applications. The bibliography clearly highlights the need and difficulty of "controlling" the intensity of fibre/matrix interfacial bonds (F/M) thanks to the interphase. But the exact influence of the crystallinity and thickness of BN-type interphases on its control, and consequently on the final mechanical behaviour of the industrial CMC, is still insufficiently known.A first issue addressed in this thesis is the scale of the CMC to be used in the laboratory. Indeed, so far, the most commonly used model materials are 1D mini and micro composites. They can be easily and quickly prepared by chemical vapour deposition but do not account for phenomena inevitably present in the industrial composite. Therefore, the use of new 2D model materials such as "monostrates" comprising a single-ply woven, the BN interphase and a SiC matrix in which the porosity can be filled with Si as in the case of industrial CMCs is more relevant and is proposed. However, due to the thinness of the specimens, the characterization and mechanical testing protocols had to be reviewed. This involves characterizing the F/M bond by two parameters: the shear stress of the interfacial bond (τi) and the shear modulus of the material (G12).For the mechanical part, monotonic and cycled tensile tests in the fibre axis of the reinforcement (operated using micromechanical models), Iosipescu shear tests, as well as push-out tests were developed and used. Micro characterization analyses by electron microscopy (SEM, FIB-SEM, TEM) were performed before and after mechanical tests with interphases of different configurations in order to link the differences in microstructures and thicknesses to the matrix cracking paths and macroscopic mechanical behaviours of the composites. The strongest F/M bond is obtained notably when the degree of crystallization and structural anisotropy of the BN are low, provided that the interphase is thick enough.

Polytäne Riesenchromosomen von Drosophila melanogaster bieten ein ideales Modellsystem für die Untersuchung der Mechanismen zur strukturellen Bildung chromosomaler Domänen. Über Manipulation und Rekonstruktion des chromosomalen Bandenmusters polytäner Chromosomen können artifiziell kondensierte als auch dekondensierte Domänen etabliert werden. Diese Eigenschaft habe ich in meiner Arbeit genutzt für die Etablierung eines experimentellen Systems zur Analyse der strukturellen Vorraussetzungen zur Bildung offener Chromatindomänen. Dafür wurde eine transgene kondensierte Chromatindomäne ektopisch innerhalb offenen Chromatins generiert. Diese kondensierte „Modellbande“ bietet einen definierten genetischen Hintergrund für die gezielte Insertion von DNA-Sequenzen unter Ausschluss variabler Positionseffekte und ermöglicht dadurch eine vergleichende Analyse dieser Sequenzen auf ihr Vermögen offenes Chromatin zu bilden. Zu diesem Zweck wurde über Sequenz-spezifische Rekombination die 61C7/8 Interbandensequenz gezielt in die „Modellbande“ eingefügt. Die zytogenetische Untersuchung dieser Insertion zeigt, dass infolge der Insertion offenes Chromatin gebildet wird, was in einer Aufsplittung der kondensierten „Modellbande“ resultiert. Molekulare Analysen weisen darauf hin, dass auch die epigenetischen Charakteristika wie z.B. die Rekrutierung typischer Proteine oder transkriptionelle Eigenschaften zur endogenen Domäne immitiert werden. Über Deletionsanalysen konnte von mir die essentielle DNA-Sequenz zur Bildung offenen Chromatins auf ein ~490bp großes Fragment im proximalen Bereich der 61C7/8 Sequenz kartiert werden. Dieses Fragment überlappt mit Bindungsstellen spezifischer Proteine, welche dafür bekannt sind eine Rolle in der chromosomalen Domänenbildung zu spielen wie z.B. das Chromatin-Protein Chriz, die Histon-Kinase Jil1 oder das Insulator-Protein CP190. Desweiteren überlappt es mit einer Promoterregion, welche zwischen den Genen Rev1 und Med30 lokalisiert ist. / Polytene chromosomes of Drosophila melanogaster provides an ideal model-system for the analysis of the mechanisms needed for chromosomal domain formation. Condensed as well as decondensed chromosomal domains can be formed by manipulating and reconstructing the polytene banding pattern. This possibility i ha-ve used for the establishment of an experimental system to study the structural requirements for open chromatin formation. Therefor i have generated a condensed chromatin domain at ectopic positions. This condensed „model“ domain provides a defined genetic context for the targeted insertion of sequences of interest, excluding any variable position effects. This allows comarative analysis of different sequences in order to identify the structural requirements for open chromatin formation. For this purpose the 61C7/8 interband sequence was targetly integrated into the condensed „model“ domain by site-specific recombination. Thereby i could show that the 61C7/8 interband sequence maintains the capacity to form open chromatin cognizable by the splitting of the condensed „model“ domain. Furthermore the newly formed open chromatin domain also keeps epigenetic characteristica like transcriptional activity or the recruitment of typical proteins. By deletion analysis, i have mapped the essential region needed for open chromatin formation to a ~490bp fragment located in the proximal part of the 61C7/8 interband sequence. This fragment overlaps binding sites for characteristic proteins known to be involved in chromosomal domain formation like the chromatin protein Chriz, the histone kinase Jil1 or the insulator protein CP190. Furthermore the fragment overlaps a promoter region that locates between the Rev1 and Med30 genes.

Cette thèse se concentre sur la caractérisation ultrasonore de l’interphase os-implant. Cette région est une zone de transition où a lieu le processus d’ostéointégration (i.e. le processus de guérison du tissu entourant l’implant). Donc, cette interphase a un rôle crucial dans l’ancrage à long-terme de l’implant, puisqu’elle dépend de la quantité ainsi que la qualité du tissu osseux environnant. Ensuite, en plus d’être un milieu complexe en remodelage continu, l’os néoformé présente une nature multi échelle et qui évolue dans le temps. Toutes ces motivations rendent la caractérisation de l’interphase os-implant critique et difficile. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont largement utilisées aujourd’hui dans le domaine clinique pour leur capacité de donner des informations sur les propriétés biomécaniques du tissu osseux. Compte tenu de ces éléments, dans le but de caractériser les propriétés mécaniques et microstructurales de l’interphase os-implant à travers des méthodes ultrasonores, il est important de développer et valider des modèles mécaniques ainsi que de méthodes de traitement du signal. A cause de la complexité du problème, afin de décrire avec précision le tissu environnant à l’implant, il est d’abord essentiel une modélisation fiable du tissu osseux. Pour cela, on étudie l’interaction entre une onde ultrasonore et le tissu osseux, en considérant aussi les effets dues à la microstructure. Pour ce faire, un modèle continu généralisé a été utilisé. Dans ce contexte, un test de transmission/réflexion réalisé sur un échantillon poroélastique immergé dans un fluide a renforcé la fiabilité du modèle. Les champs de pression réfléchi et transmis sont influencés par les paramètres de la microstructure. De plus, les résultats issus de l’analyse de dispersion sont en accord avec ceux observés dans les expériences pour les échantillons poroélastiques. Après, le problème a été compliqué en considérant une interphase qui se situe entre l’os et l’implant. Ainsi, on peut gérer la complexité ajoutée par la présence du tissu néoformé. Comme on l’a déjà mentionné, une difficulté additionnelle est représentée par le fait que l’interphase est un milieu hétérogène, un mélange de phases solides et fluides dont les propriétés évoluent avec le temps. Donc, afin de modéliser l’interaction des ondes ultrasonores avec une interphase, on a considéré dans le modèle une couche très fine avec des propriétés élastiques et inertielles. En partant de ça, on a étudié les effets des propriétés de réflexion d’une transition entre un milieu homogène et un milieu microstructuré. De même, il a aussi été étudié la caractérisation du milieu via des techniques avances de traitement du signal. En particulier, la réponse dynamique due à l’excitation ultrasonore du système os-implant a été analysée à travers une approche multifractale. Une première analyse basée sur les coefficients des ondelettes a montré une signature multifractale pour les signaux dérivants des simulations et aussi des expériences. Ensuite, une étude de sensibilité a aussi montré que la variation des paramètres tels que la fréquence centrale et la densité de l’os trabéculaire ne contribue pas à un changement dans la réponse. L’originalité réside dans le fait qu’il s’agit d’un des premiers efforts d’exploiter l’approche multifractale dans la propagation ultrasonore dans un milieu hétérogène / This thesis focus on the ultrasonic characterization of bone-implant interphase. This region is a transition zone where the osteointegration process (i.e. the healing process of the tissues surrounding the implant) takes place. Thus, this interphase is of crucial importance in the long-term anchorage of the implant, since it depends on the quantity and quality of the surrounding bone tissue. However, other than being a complex medium in constant remodeling, the newly formed bone presents a multiscale and time evolving nature. All these reasons make the characterization of the bone-implant interphase critical and difficult. In this context, ultrasound methods are nowadays widely used in the clinic field because of their ability to give information about the biomechanical properties of bone tissue. On this basis, with the aim of characterizing the mechanical and microstructural properties of the bone-implant interphase by ultrasound methods, it is important to develop and validate mechanical models and signal processing methods. Due to the complexity of the problem, in order to precisely describe the bone tissue surrounding the implant, first an accurate modelling of bone tissue is essential. Thus, the interaction between an ultrasonic wave and bone tissue has been investigated by also taking into account the effects dues to the microstructure. To do this, a generalized continuum modelling has been used. In this context, a transmission/reflection test performed on a poroelastic sample dipped in a fluid enhanced the reliability of the model. The reflected and transmitted pressure fields result to be affected by the microstructure parameters and the results coming from the dispersion analysis are in agreement with those observed in experiments for poroelastic specimens. Then, the problem has been complicated by considering the interphase taking place between the bone and the implant. In this way, we could handle the complexity added by the presence of the newly formed tissue. As already said, the fact that this interphase is a heterogeneous medium, a mixture of both solid and fluid phases whose properties evolve with time is an additional difficulty. Thus, in order to model the interaction of ultrasonic waves with this interphase, a thin layer with elastic and inertial properties has been considered in the model. The effects on the reflection properties of a transition between a homogeneous and a microstructured continuum have been investigated.Therefore, the characterization of the medium also via advanced signal processing techniques is investigated. In particular, the dynamic response due to the ultrasonic excitation of the bone-implant system is analyzed through the multifractal approach. A first analysis based on the wavelet coefficients pointed out a multifractal signature for the signals from both simulations and experiences. Then, a sensitivity study has also shown that the variation of parameters such as central frequency and trabecular bone density does not lead to a change in the response. The originality lies in the fact that it is one of the early efforts to exploit the multifractal approach in the ultrasonic propagation inside a heterogeneous medium

Les composites SiC/SiC à interphase pyrocarbone (PyC) sont des candidats prometteurs en tant que matériau de gainage du combustible et de structure des réacteurs à neutrons rapides, constituant une alternative aux alliages métalliques. Leur comportement sous irradiation neutronique et leur caractère réfractaire sont de sérieux atouts en milieu irradiant. Néanmoins, les fibres et la matrice en carbure de silicium (SiC) sont, individuellement, des céramiques fragiles. L’intégrité des structures ne peut donc être assurée que si le composite acquiert une tolérance aux déformations. Cette tolérance n’est possible que grâce à la présence d’une interphase de pyrocarbone, entre la matrice et les fibres, assurant le rôle de déviateur de fissures. La capacité des composites SiC/SiC à résister à l’endommagement est dictée par le couplage fibre/matrice (F/M). L’intensité de ce couplage peut être influencée par de nombreux paramètres, tels que la rugosité et la physicochimie de surface du renfort. Les travaux faisant l’objet de cette thèse ont mis en évidence une couche de carbone en surface des fibres par microscopie électronique en transmission à haute résolution (METHR) et via des analyses physicochimiques de surface. Les caractéristiques de cette couche de carbone varient avec le procédé de fabrication des fibres. Son impact sur le couplage F/M a été appréhendé par l’observation des mécanismes locaux d’endommagement. La décohésion fibre/matrice a été étudiée en analysant par METHR les régions interfaciales des composites SiC/SiC ayant subi un essai mécanique. La compréhension de l’origine de cette couche de surface de fibres a permis de mieux connaitre les mécanismes locaux d’interaction. Ces mécanismes dépendent de la structure du carbone de surface des fibres dont découle le mode d’adhésion entre ce carbone de surface et l’interphase de pyrocarbone. Un traitement de surface sur un type de fibres a alors été développé, suggérant une légère amélioration du comportement mécanique des composites SiC/SiC élaborés à partir de ces renforts fibreux. / SiC/SiC composites including the third generation SiC fibers with pyrocarbon interphase (PyC) are promising candidates to improve the safety of nuclear reactors, especially for core materials such as cladding and to replace metallic alloys for these applications. Their intrinsic refractory properties, their neutron transparency and their microstructural stability when irradiated or exposed to high temperatures make them attractive for nuclear applications. However SiC fibers and SiC matrix are brittle ceramics. The integrity of the structures can be fulfilled only if the composite is damage tolerant and can acquire a pseudo-ductile mechanical behavior. An interphase is deposited between the fibers and the matrix to provide this damage tolerance of SiC/SiC composites.The ability of SiC/SiC composites to sustain damage is dictated by the fiber/matrix (F/M) coupling mode. The intensity of this coupling can be related to many parameters such as the roughness and the chemistry of the surface of the reinforcement. A carbon layer on the fiberssurface was highlighted by High Resolution Transmission Electronic Microscopy (HRTEM) and by physico-chemical analyses. The characteristics of this carbon layer vary with the fabrication process of the fibers. The impact of this carbon layer on the F/M coupling was investigated by the observation of the local damage mechanisms. To elucidate the local bonding modes governing the damage mechanisms at the F/M interface of these SiC/SiC composites, macroscopic mechanical tests have been coupled with observations of structural modifications occurring in the interface region after loading. Understanding the origin of this carbon layer allowed elucidating the local interaction mechanisms according to these studied materials. These mechanisms depend on the carbon structure of the SiC fibers surface which in turn governs the adhesion between this carbon and the PyC interphase. Thanks to this study, a surface treatment on fibers was developed to optimize the mechanical behavior of SiC/SiC composites, whatever the fibrous reinforcement chosen.

Cette thèse vise à étudier le comportement multiéchelle (nano-, micro- et macroscopique) des composites, basé sur une étude fine utilisant les techniques les plus modernes pour comprendre les interfaces et les quantifier. Deux séries de renforts sur une échelle micrométrique, des fibres de carbone (CF) et des matériaux à base de graphène ont été utilisées ici. Pour améliorer l'interaction entre les nanorenforts et la matrice polymère, deux voies principales ont été utilisées dans cette thèse : l'oxydation des renforts et la greffe de nanotubes de carbone sur leur surface.L'étude en elle-même a été menée à une échelle microscopique pour étudier la résistance interfaciale entre une fibre de carbone (CF) et la matrice époxy, avec des essais de traction effectués in situ dans la chambre d'un microscope à double colonne MEB-FIB (microscope électronique à balayage couplé à un faisceau d'ions focalisé). Le faisceau d'ions a été utilisé pour découper une éprouvette de traction du composite contenant à la fois de l'époxy et de la CF. Le champ de tractiona été appliqué via le nanomanipulateur et l'essai a été observé via les deux colonnes ionique et électronique (sous deux angles de vue différents) et a permis d'estimer le champ de déformation, et donc la résistance interfaciale au moment de la rupture. Une expérience similaire a été menée sur un composite où les renforts sont des nanoplaquettes de graphène.Enfin, l'étude en microscopie électronique en transmission de la région de l'interface entre l'époxy et les renforts a révélé la présence d'une interphase et a permis de mesurer son épaisseur et donner une indication de sa nature. À cette fin, une analyse EELS (spectroscopie par pertes d'énergie des électrons) a été effectuée, permettant de mesurer la densité de l'échantillon très localement (taille de sonde de l'ordre du dixième de nanomètre) en travers ou parallèlement à l'interface. Un scénario sur les modes de liaison chimique entre les deux milieux en fonction du traitement de surface utilisé permet d'expliquer la nature des interphases observées. / This thesis aims to investigate the multiscale (nano-, micro-, and macro-scopic) behavior of the composites based on a fine investigation using the most modern techniques, to understand the interfaces and to quantify them. Two series of reinforcements on a micrometer scale, carbon fibers (CFs) and graphene-based materials, were studied here. To improve the interactions between these nanofillers and the surrounding polymer matrix, two major routes were used in this thesis: the oxidation of the fillers and the grafting of carbon nanotubes on their surface.The study itself was conducted on a microscopic scale on the interfacial strength between CFs and the epoxy matrix, with tensile tests carried out in-situ in the chamber of a double-column FIB-SEM microscope (scanning electron microscope coupled to a focused ion beam). The ion beam was used to mill a thin bond-shaped tensile specimen of composite containing both an epoxy and a CF part. Thetensile stress field was applied using the nanomanipulator and the test was observed both via the ionic and the electronic columns (with two different angles of view) to estimate the strain field, hence the interfacial strength when the failure is observed. A similar experiment was led on a composite with GNPs.Finally, the transmission electron microscopy (TEM) study of the interface region between the epoxy and the graphene-based nanofillers revealed the existence of an interphase and allowed to measure its thickness and give an indication of its nature. For this purpose, an EELS (electron energy-loss spectroscopy) analysis was carried out, making it possible to measure the density of the sample very locally (probe size of the order of a tenth of a nanometer) across or parallelly to an interface. A scenario on the chemical bonding modes between the two media as a function of the surface treatment used makes it possible to explain the nature of the observed interphases.

La performance mécanique des composites à matrice céramique repose en partie sur le contrôle de la liaison interfaciale et le choix des matériaux. Ces travaux s’intéressent au renforcement de la liaison interfaciale en traitant la surface des fibres SiC de dernière génération : les Hi-Nicalon S. L’objectif est d’établir une accroche chimique et/ou mécanique principalement avec l’interphase BN. Des composites modèles, minicomposites élaborés par voie CVI (Chemical Vapor Infiltration) sont utilisés comme base de travail. La quantification de la force de la liaison interfaciale s’effectue en évaluant l’énergie de liaisons interfaciales Gci issues d’essais de traction, et en calculant la contrainte de cisaillement τ par essais de pushout. Dans un premier temps, les fibres HNS dont les surfaces ont été légèrement modifiées, ont été testées avec l’interphase classique PyC. La liaison interfaciale sur minicomposites reste faible. Différentes traitements chimiques ont été effectués à la surface des fibres dans l’optique de renforcer la liaison interfaciale avec le BN, interphase plus résistance à l’oxydation que le PyC. Au préalable, les conditions d’élaborations de l’interphase BN ont été étudiées. / Mechanical properties of ceramic composites can be improved by controlling interfacial bonding and choosing materials. To enhance interfacial bonding, treatment on the last SiC fiber, Hi-Nicalon S surface are proposed in this work. The aim is to allow chemical and/or mechanical bonds mainly with BN interphase. For this, composites models, minicomposites are elaborated by CVI (Chemical Vapor Infiltration). Quantification of the strength of interfacial bonding is based by evaluating interfacial bonding energy Gci with tensile tests, and by calculating interfacial shear stress τ with push-out tests. Firstly, Hi-Nicalon S fibers whose surfaces have been slightly modified have been tested with classic interphase PyC. Interfacial bonding on minicomposites is weak. Different treatments have been performed on surface fibers to enhance interfacial bonding with BN, which have a better resistance oxidation than PyC. Before, elaboration parameters of BN interphase have been studied.

Depuis quelques années, l'industrie automobile s'intéresse au développement d'adhésifs crashs. Ces produits donnent aux assemblages collés des performances exceptionnelles en tenue mécanique statique, en fatigue et en tenue au crash. Ces adhésifs sont formulés pour s'adapter de façon optimale aux procédés de mise en œuvre de l'industrie automobile. L'objectif de l'étude est de déterminer les mécanismes d'adhésion, au cours d'un vieillissement humide, pour différentes chimies de surface et la cinétique des phénomènes engendrant des variations des niveaux d'adhérence et des modes de rupture. Dans cette thèse, des systèmes industriels, le test de traction-cisaillement et le cataplasme humide ont été retenus. Une approche combinant chimie et physique de l'adhésif, de l'acier galvanisé et du joint de colle a été menée. Cette approche multi-technique a permis de mettre en évidence les phénomènes responsables de la perte d'adhérence d'un assemblage acier galvanisé/adhésif crash au cours d'un vieillissement hygrothermique. L'interphase apparaît comme la zone la plus sensible aux contraintes mécaniques avant et après quelques jours de vieillissement. En revanche, pour des temps de vieillissement plus importants, la couche de corrosion devient la zone de faible cohésion. L'étude de l'influence de la chimie de surface des substrats d'acier galvanisé sur les propriétés d'adhérence des assemblages collés montre une meilleure réactivité et donc une meilleure tenue mécanique des substrats contenant davantage de zinc et d'hydroxydes que d'aluminium et d'oxydes. Une attention plus particulière a été portée sur la caractérisation fine de la chimie de surface des aciers galvanisés. / Since few years, automotive industry tends to develop crash adhesives. By bonding metal sheets with a continuous bead of crash adhesive, automotive manufacturers can significantly improve both body stiffuess and crashworthiness. The crosslinking conditions of the adhesive on industrial surface (galvanized steel) without cleaning correspond to those used industrially (Electrocoat product). The aim of this work is to determine adhesion mechanisms during hydrothennal ageing for different surface chemistry and kinetics of phenomena generating variations of adhesion levels and failure locus. For this study industrial materials (galvanized steel and epoxy crash adhesive), lap-shear test and humid cataplasm were selected. An approach combining chemistry and physics of the adhesive, substrate and joints was led. This multi-technical approach can be of major interest for the study of phenomena responsible of adhesion loss for adhesively bonded joints in moist environment. So the failure is located in a metal/polymer interphase during the first period of ageing then the failure shifts within a surface layer of corrosion products. The influence of surface chemistry of galvanized steel substrates on metal/polymer adhesion was also studied. The results show a better reactivity and consequently better mechanical properties for substrates with zinc and hydroxides than aluminum and oxides. In this approach, a precise characterization of surface chemistiy was led by XPS methodology.

Ce travail vise à mettre en relation les caractéristiques de la zone d’interphase « granulat-pâte de ciment » avec les caractéristiques de porosité, d’absorption d’eau, de dureté et de rugosité de calcaires poreux.La première partie de ce travail a consisté à étudier l’influence de la teneur en eau et de la dureté des granulats sur la résistance mécanique de mortiers. Les résultats montrent que, pour des calcaires poreux et absorbants, les mortiers fabriqués à partir de granulats à l’état sec sont plus résistants que ceux fabriqués à partir de granulats à l’état sursaturé. La deuxième partie de ce travail a consisté à étudier l’adhésion « roche-pâte de ciment ». Il a été constaté que la rugosité et l’état de saturation de la roche affectent significativement les résistances en traction et au cisaillement des composites.La dernière partie est consacrée à l’étude de la microstructure de la zone d'interphase par la technique d’analyse d’images. L’évolution de la porosité moyenne de la zone d'interphase est liée aux propriétés mécaniques des mortiers par la relation de Féret démontrant ainsi que la résistance à la compression dépend principalement de la mésoporosité de l’interphase. Le gradient de porosité est mis en relation avec le gradient de degré d’hydratation et le gradient de rapport E/C. Ces deux derniers sont calculés en appliquant le modèle de Powers. Les résultats obtenus montrent que pour des calcaires poreux et absorbants, la pâte de ciment et la zone d’interphase des mortiers de granulats secs et de granulats sursaturés ne sont pas équivalentes alors qu’initialement on visait le même rapport E/C. / The aim of this study was to relate the characteristics of interfacial transition zone (ITZ) "aggregate-cement paste" to the characteristics of porosity, water absorption, resistance and roughness of porous limestones.The first part of this work was to study the influence of moisture content and resistance of aggregates on the mechanical strength of mortars. The results show that, for porous and absorbent limestones, mortars made from dry aggregates are more resistant than those made from wet aggregates.The second part of this work was to study the ITZ of composites “rock-cement paste”. It was found that the surface roughness and the moisture content of rocks significantly affect the tensile and shear strengths of composites.The last part is devoted to the microstructure of ITZ by image analysis. The evolution of average porosity of ITZ is related to the mechanical properties of mortars by Féret’s law demonstrating that the compressive strength depends mainly on the mesoporosity of ITZ. The porosity gradient is related to the degree of hydration gradient and the W/C ratio gradient. These latter two are calculated by applying Powers’ model. The results show that for porous and absorbent limestones, the cement pastes and the ITZs of dry and wet aggregates mortars are not equivalent although initially we aimed to the same W/C ratio.