Le rôle crucial des interfaces solides dans les problèmes de structures dans de nombreux domaines de l'Ingénierie est désormais bien connue et c'est certainement un sujet de grand intérêt scientifique. Aujourd'hui, la modélisation analytique et numérique des interfaces structurelles représentent un défi du fait desphénomènes physiques très complexes qu'il faut prendre en compte (tels que adhésion, contact non-conforme,microfissuration, frottement, contact unilatéral) autant que le besoin d'avoir des méthodes numériques qui soient capables de traiter à la fois la faible épaisseur des zones d'interface et les sauts dans les champs physiques concernés. Cette thèse vise à développer un outil analytique cohérent et général qui soit capable de dépasser les limitations des stratégies existantes et concernant la modélisation des interfaces emph{soft} et emph{hard} caractérisées par une microfissuration évolutive. Une nouvelle approche, appelée emph{Imperfect Interface Approach} (IIA), est proposée. Elle couple de manière cohérente arguments de théorie asymptotique et techniques d'homogénéisation pour les milieux microfissurés dans le cadre de la emph{Non-Interacting Approximation} (NIA). Dans le cadre de l'élasticité linéaire, l'IIA est employée avec succès pour obtenir un ensemble de modèles d'interfaces imparfaites.En généralisant la méthode de développement asymptotique à la théorie élastique des déformations finies, un modèle d'interface soft non-linéaire a été dérivé. Comme une nouvelle application, l'IIA est appliquée afin de formuler un modèle de contact non-conforme à raideurs equivalents. Simulations numériques appliquées à la maçonnerie ont été effectuées. / The crucial role of solid interfaces in structural problems in several engineering fields is well-established and they represent certainly a scientific topic of great interest. Nowadays, analytical and numerical modeling of structural interfaces are challenging tasks, due to the complex physical phenomena to take into account (such as adhesion, non-conforming contact, microcracking, friction, unilateral contact), as well as to the need of numerical methods suitable for treating small thickness of the interface zones and jumps in the physically relevant fields.Present PhD thesis aims to develop a consistent and general analytical tool able to overcome some modeling shortcomings of available modeling strategies accounting for soft and hard interfaces, and characterized by evolving microcracking. A novel approach, referred to as emph{Imperfect Interface Approach} (IIA), is proposed. It consistently couples asymptotic arguments and homogenization techniques for microcracked media in the framework of the Non-Interacting Approximation (NIA). In the context of linear elasticity, the IIA is successfully employed to derive a set of imperfect interface. By generalizing the matched asymptotic expansion method to finite strains, a nonlinear soft interface model has been derived. As a new general application, the IIA is applied to formulate a spring-type model for non-conforming contact. Finally, numerical simulations applying the soft interface models obtained in both linear and nonlinear cases to masonry structures, are carried out, showing effectiveness and soundness of the proposed formulation.

Graphene nanoplatelets have been introduced into the interphase between electrically insulating glass fibre and polymer matrix to functionalize the traditional composite. Owing to the distribution of network structure of GNPs, the interphase can transfer the signals about various internal change of material. Consequently, due to the novel bio-inspired overlapping structure, our GNPs-glass fibre shows a unique opportunity as a micro-scale multifunctional sensor. The following conclusions can be drawn from present research: • We prepared GNPs solution via a scalable and highly effective liquid-phase exfoliation method. This method produces high-quality, unoxidized graphene flakes from flake graphite. We control the thickness and size of GNPs by varying the centrifugation rate. • A simple fibre oriented capillary flow which can suppress ‘coffee ring’ effect to deposit GNPs onto the curved glass fibre surface. The GNPs form continuous fish scales like overlapping structure. • The electrical conductivity of our GNPs-glass fibre shows semiconductive property. The electrical resistance value scattering and the advancing contact angle value scattering indicate a uniform deposit structure. The uniform overlapping structure is a key factor for higher electrical conductivity compared with our previous work with CNTs. • The contact angles of our GNPs-glass fibre with water indicate that the GNPs are almost unoxidized, so the inert GNPs coating decreases the interfacial shears strength. • A micro scale GNPs-glass fibre sensor for gas sensing is achieved by deposit GNPs onto glass fibre surface. This sensor can be used to detect solvents vapours, such as water, ethanol and acetone. All these vapours work as electron acceptor when reacting with GNPs. The acetone shows the highest sensitivity (45000%) compared with water and ethanol. • The doping-dedoping of GNPs-glass fibres during adsorption-desorption cycles of acetone result in the efficient “break-junction” (GNPs lost electron carrier concentration) mechanism, which provides the possibility to fabricate the electrochemical “switch” in a simple and unique way. • The resistance of our GNPs-glass fibre shows exponential relationship with RH. This is attributed to two points. Firstly, the water vapours show similar exponential adsorption on carbon surface; secondly, the bandgap of GNPs increases with the increase of adsorbed water vapour concentration. • Due to the weak van der Waals interaction when water molecules are adsorbed on GNPs surface, our GNPs-glass fibre shows extreme fast response and recovery time with RH. It is potential for our GNPs-glass fibre being used to monitor the breath frequency. • Utilizing the negative temperature coefficient of GNPs, our GNPs-glass fibre can be used as temperature sensor with a sensing region of -150 to 30 °C. • Through the observed abnormal resistance change at a temperature of about – 18 °C, we discovered a phase change of the trance confined water in graphene layers. Based on the resistance change, we can study the interaction of water and carbon nanoparticles. • The bio-inspired novel overlapped multilayer structure of GNPs coating shows structural colours. Even more, our GNPs-glass fibre can be used to monitor the loading force in the interphase when it is embedded into epoxy resin. • Our GNPs-glass fibre shows an excellent piezoresistive property, the single GNPs-glass fibre shows a larger gauge factor than the commercial strains sensor. • The semiconductive interphase was formed when the GNPs-glass fibre was embedded in polymer matrix. This semiconductive interphase is very sensitive to the deformation of material, therefore, an in-situ strain sensor was manufactured to real-time monitor the microcracks in a composite instead of external sensors. The area of resistance ‘jump’ increase can be seen as the feature area for damage’s early warning. • Monitoring the resistance variation of the single fibre composite was conducted under cyclic loading with progressively increasing the strain peaks in order to further investigate the response of in-situ sensor to the interphase damage process. The deviation of resistance/strain when the stress is larger than 2 % highlights the accumulation of damage, which gives insight into the mechanism of resistance change.

Les composites SiC/SiC à renfort fibreux à base de SiC, et à matrice SiC sont développés pour applications aéronautiques. En vue d’améliorer leur durée de vie en atmosphère oxydante à haute température, l’utilisation d’interphase BN est préconisée,puisque l’oxyde de bore liquide permet de protéger le matériau. Cependant, sous atmosphère humide, la volatilisation de B2O3 sous forme d’hydroxyde HxByOz est non négligeable. L’objectif de ce travail est d’optimiser l’organisation structurale de BN élaboré par CVD/CVI, pour améliorer sa résistance à l’oxydation, et d’évaluer l’intérêt de l’ajout d’élément(s) au nitrure de bore permettant la stabilisation thermodynamique de B2O3 à haute température, en présence d’humidité. Ce travail a permis d’établir des liens entre composition chimique de la phase gazeuse, cinétique et mécanisme de dépôt, et degré d’organisation du nitrure de bore. Malheureusement, si la résistance à l’oxydation de BN augmente perpendiculairement à ses plans (002) avec son organisation structurale, elle est à peine améliorée le long des plans (002). Néanmoins, l’intérêt de l’ajout d’aluminium à l’interphase BN pour améliorer la stabilité chimique de B2O3 en présence d’humidité a été démontré à une température suffisamment élevée pour permettre la formation de cristauxAl4B2O9. Ainsi, il semble que ces cristaux permettent une cicatrisation efficace des fissures matricielles dans des composites SiC/SiC. Des essais supplémentaires d’oxydation dans des conditions plus complexes, comme sous cyclage thermique, sont nécessaires pour conclure catégoriquement en faveur de l’amélioration de la durée de vie de ces matériaux. / SiC/SiC composites with SiC-based fibres and SiC matrix are developed for aeronautic applications. In order to improve their life time in an oxidizing atmosphere at high temperature, the use of BN interphase is recommended, as far as liquid boron oxide can protect the material. However, this glassy material is known to be very sensitive to moisture because boron oxide volatilizes quickly under high temperature. The aims of this work are (i) to maximise the structural organization of BN deposited by CVD/CVI to improve its oxidation resistance and (ii) to assess the interest of elemental addition to boron nitride allowing thermodynamic retention for B2O3 under wet air. Relationships between gas phase composition, deposition rates, and microstructure have been established in this work. Unfortunately, if the oxidation resistance of BN perpendicular to its (002) crystal planes increases with its structural organization, it appears to be hardly improved along the (002) planes. Nevertheless, aluminium addition to BN has led to Al4B2O9 crystals generation, asAl2O3 reacts together with B2O3 under high temperature. These materials therefore appear tobe able to seal SiC matrix cracks. As a result, the global oxidation resistance under wet air of SiC/SiC composites with B(Al)N interphases can been significantly improved. Additional oxidation tests, especially under thermal cycling, are needed to definitively conclude about this point.

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Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) ist eine element-spezifische Charakterisierungs-methode, welche es erlaubt die elektronische und chemische Struktur der SEI zu untersuchen. In dieser Arbeit stelle ich ein neues Verfahren vor, das die Transmissions-XAS von Flüssigkeiten und Dünnschicht-Batterieelektroden unter in-situ Bedingungen mit weicher Röntgenstrahlung ermöglicht. Thematisch ist die Arbeit in zwei Teile gegliedert. Das neuartige Verfahren wird zunächst umfangreich vorgestellt und dann zur Untersuchung der Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf Silizium angewendet. Das Verfahren basiert auf einer elektrochemischen Halbzelle, die mit einem Stapel aus zwei Siliziumnitrid-Membranfenster ausgestattet ist, um den Elektrolyten einzuschließen. Eines der Membranfenster ist gleichzeitig der Träger für die Dünnschicht-Siliziumanode, die Ladezyklen mit einer Kathode aus metallischem Lithium durchläuft. Nachdem sich die SEI gebildet hat, wird mittels eines Röntgenstrahls von hoher Intensität vorsätzlich eine Blase erzeugt, um überschüssigen Elektrolyten abzudrängen und einen dünnen Elektrolytfilm über der SEI zu stabilisieren. Durch den Elektrolytfilm bleibt die SEI in-situ. Das erzeugte System aus Blase, Elektrolytfilm, SEI und Siliziumanode wird dann mittels Transmissions-XAS untersucht. Im zweiten Teil meiner Arbeit werden dann Silizium Dünnschicht-Anoden mit dem vorgestellten Verfahren am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin untersucht. Bei der elektrochemischen Charakterisierung zeigen die Dünnschicht-anoden alle für die De-/Lithiierung von Silizium üblichen Merkmale. Als Hauptbestandteile der SEI wurden Lithiumacetat, Li Ethylendicarbonat oder -monocarbonat, Li Acetylacetonat, LiOH und LiF ermittelt. Darüber hinaus deuten Anzeichen von Aldehyden auf flüssige Einschlüsse in einer möglich-erweise porösen SEI Struktur hin. / X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) is an element-specific technique, which allows to probe the electronic and chemical structure of the SEI. In this work, I introduce a novel approach for transmission XAS on liquids and thin-film battery electrode materials under in-situ conditions in the soft X-ray regime. Thematically, this work is divided into two parts: 1) the introduction of this novel method and 2) its application to investigate the Solid Electrolyte Interphase (SEI) on silicon thin film anodes. The presented technique is based on an electrochemical half-cell equipped with a sandwich of two silicon nitride membrane windows to encapsulate the electrolyte. One of the membranes acts as substrate for the silicon thin-film anode, which is cycled with a metallic lithium counter-electrode. After the SEI has formed, a gas bubble is intentionally introduced through radiolysis by a high intensity X-ray to push out excessive electrolyte and stabilize a thin electrolyte layer on top of the SEI, keeping it in-situ. The obtained stack comprised of bubble, electrolyte thin-layer, SEI and anode, is then probed with transmission XAS. The second part of this work utilizes the presented method to investigate the SEI on amorphous silicon anodes at the BESSY II synchrotron facility in Berlin. The anodes’ electrochemical characterization shows all significant features of silicon’s de-/lithiation. The SEI’s main components are determined as Li acetate, Li ethylene di-carbonate or Li ethylene mono-carbonate, Li acetylacetonate, LiOH, and LiF. Additionally, the evidence for aldehyde species indicates possible liquid inclusions within a presumably porous SEI morphology.

Un réseau de transport d'énergie électrique doit être le plus robuste possible pour répondre aux besoins de la société. Les lignes aériennes de transport doivent donc faire face aux contraintes environnementales sans qu'il y ait de dommages structuraux. Les exigences esthétiques, comme avoir des lignes plus compactes près des grands centres de distribution, jumelées au rapprochement des conducteurs électriques face à une charge de vent remettent en question l'optimisation des critères de conception actuels. Les méthodes actuelles pour représenter le comportement dynamique des lignes électriques et déterminer les distances interphases à respecter sont basées sur des hypothèses simplificatrices ou sur des formules empiriques basées sur l'expérience des gestionnaires de réseau. L'objectif principal de ce projet de recherche est donc de développer une approche numérique pour étudier l'effet d'une charge de vent turbulent sur le rapprochement interphase de deux phases de conducteurs électriques afin de justifier les méthodes de calcul actuelles. L'étude se concentrera sur un nombre limité de portées avec des faisceaux de conducteurs simples et sans charge de glace. Un modèle par éléments finis de deux portées d'un conducteur simple a été développé à l'aide du logiciel Code-Aster. La génération de la charge de vent a été faite séparément à l'aide du logiciel WindGen. Le logiciel génère des signaux corrélés de vent turbulent en fonctions temporelles par la méthode de représentation spectrale. Les signaux sont ensuite convertis en charges de vent compatibles avec le solveur d'éléments finis. Les résultats du modèle numérique sont d'abord comparés avec une série d'essais dynamiques mesurant l'angle d'inclinaison des chaînes d'isolateur au vent effectués par Hydro-Québec sur une ligne expérimentale. Une fois la méthode de calcul validée, une étude paramétrique est effectuée pour étudier l'effet de divers paramètres sur le rapprochement interphase. L'effet de la longueur des portées, de la séparation interphase initiale, de la flèche des conducteurs, de la vitesse du vent, de l'intensité de turbulence du vent et de la corrélation spatiale des signaux de vent est évalué. Parallèlement, une campagne de mesure in situ pour enregistrer des vitesses de vent en plusieurs points dans l'espace a été effectuée pour étudier la corrélation spatiale. Les résultats de la campagne ont permis de justifier l'utilisation des valeurs de référence des coefficients de corrélation, ainsi que de fournir une plage de données à analyser lors de l'étude paramétrique. Les résultats du projet de recherche permettront aux concepteurs de réaliser que les dégagements requis pour la distance interphase des lignes de transport d'électricité sous un vent turbulent sont affectés par plusieurs paramètres qui ne sont pas nécessairement tous pris en compte dans les équations empiriques utilisées. Certaines sections de lignes de transport peuvent apporter un risque plus grand de court-circuit phase-phase entre les conducteurs. À long terme, de tels outils numériques peuvent aider l'analyse de ces cas spéciaux.

Les caractéristiques des systèmes collés ou peints époxyde-amine/métal dépendent des caractéristiques de chacun des constituants mais aussi de leur "combinaison". En particulier, l'interphase possède des propriétés spécifiques. La chimisorption de l'amine sur le métal et la dissolution de la couche d'hydroxyde initialement présente à sa surface sont simultanées. Le complexe organométallique créé réagit avec le monomère époxyde pour former un réseau aux propriétés physico-chimiques spécifiques. Lorsque la configuration des complexes permet leur cristallisation, et que leur produit de solubilité est dépassé, les complexes précipitent pour donner naissance à des cristaux de facteur de forme très important. Quand un polymère est réalisé avec ces complexes, les cristaux jouent le rôle de charges, induisant de nouvelles propriétés mécaniques. La formation d'une interphase a été observée en appliquant plusieurs amines sur différents métaux. La variation des propriétés physico-chimiques et mécaniques a été évaluée.

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.

In this work, carbon nanotubes were deposited onto the insulative glass fibre surface to form a semiconductive network. Utilizing the unique properties of CNTs network, a multifunctional composite interphase could be achieved. The interfacial adhesion strength was improved by CNTs distributed in the interphase. The semiconductive interphase have been used as a chemical/phaysical sensor, strain sensor and microswitch.

Un composite époxy/fibre de verre élaboré à partir de matériaux simplifiés a été soumis en parallèle à du vieillissement artificiel (UV et thermohydrique) et à du vieillissement naturel (climat tropical humide). Une étude des matériaux (résine seule et composite) à travers un large panel de techniques de caractérisation physico-chimiques, mécaniques et de moyens d'observation (MEB, AFM) a permis d'identifier clairement la structure, la morphologie et les principales propriétés du réseau époxy-amine de l'état initial. Une caractérisation systématique des échantillons par couches de 20 microns d'épaisseur a permis, en particulier, d'identifier un gradient de structure et de propriétés dans les 200 premiers microns à la surface des plaques de résine et de composite. Ce gradient est attribué à l'évaporation du durcisseur amine lors de l'élaboration des matériaux. Dans les plaques de composites, le DMA ainsi que l'AFM ont permis de mettre en évidence une zone d'interphase autour des fibres pour laquelle le réseau époxy-amine présente des caractéristiques différentes de celles de la résine en masse.La même méthodologie a été adoptée pour suivre l'évolution de ces matériaux lors des vieillissements artificiels et naturels.Les études séparées des vieillissements UV et thermohydrique ont permis de mettre en évidence les altérations chimiques et physico-chimiques de la matrice seule d'une part, et des interphases fibres/matrice d'autre part. Le vieillissement photochimique se montre le plus dégradant pour la surface des plaques, alors que les effets du vieillissement thermohydrique sont principalement observés au niveau des interfaces fibres/matrice dans les composites. Dans les deux cas également, nous pouvons proposer des mécanismes simplifiés de dégradation de la résine époxy-amine.Enfin, les résultats de caractérisation après le vieillissement naturel nous permettent de faire des corrélations avec les vieillissements artificiels et de pointer les effets prépondérants des deux paramètres de vieillissement, ainsi que d'avancer un facteur d'accélération.