Thesis advisor: Dunwei Wang / Thesis advisor: Matthias Waegele / Lithium metal anode (LMA) holds great promise as alternative anode material for next-generation high energy density batteries. Efficiency and safety are two most critical concerns that impede practical application of LMA due to unstable interface between the electrode and the electrolyte. Solid electrolyte interphase (SEI), a passivation layer formed from electrolyte decompositions on the LMA surface, dictates the chemical and mechanical evolution of the electrode/electrolyte interface, and therefore directly affect the cycle life of lithium metal batteries. Although significant progress has been achieved to improve battery performance, a thorough understanding of SEI functions and properties is still inadequate. Both compositional and structural complexity severely hinder the efforts to uncover the SEI formation and evolution mechanism. To achieve stable lithium plating and stripping over cycling, it is necessary to lay a foundation of composition-structure-property relationships that can guide rational design of ideal SEI.First, to solve the safety and efficiency issues simultaneously, a facile and effective way to enable LMA in nonflammable electrolyte was identified by simply introducing oxygen into the battery. Reversible lithium plating and stripping was realized in a flame retardant triethyl phosphate solvent otherwise incompatible to LMA. A unique electrochemically induced electrolyte decomposition pathway was proposed and studied computationally and experimentally. The SEI formation mechanism enriches the knowledge of on the complex reactions toward an ideal SEI. The operation of Li-O2 batteries and Li-ion batteries were also demonstrated in a nonflammable phosphate electrolyte system. To understand the unique role of different SEI compositions, in the second part of this thesis, we designed and synthesized two-component artificial SEI model structures for comparison study. Our central hypothesis is that tailoring LiF and Li3PO4 compositions in the SEI layer can achieve a balanced and improved electrode/electrolyte stability. A magnetron sputtering method was developed to prepare LiF and Li3PO4 mixture films on Cu substrate. Preliminary results from battery cycling tests shows that mixture SEI structure is correlated to improved Coulumbic efficiency. Next, to understand detailed Li+ ion transport properties of the SEI. We presented an outline the current understanding of Li+ ion transport mechanisms and their dependence on the SEI. We also built on this fundamental knowledge to discuss practical effects in experimental systems. Lastly, we shared our perspectives on critical remaining questions in this field. In parallel to study on electrochemical energy system, developing electrochemical methods for integrated catalysis constitutes another part of thesis. We demonstrated that reactivity of an immobilized iron catalyst could be altered by application of an electrochemical potential to a surface to enable polymerization of different classes of monomers. A method was developed to pattern functional surfaces by using electrochemical potential to activate and deactivate polymerization reactions. The orthogonal reactivity of switchable polymerization catalysts was utilized to create patterned surfaces functionalized with two different polymers initiated from mixtures of monomers. / Thesis (PhD) — Boston College, 2022. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Chemistry.

Zusammenfassung Die Asteraceae Brachycome dichromosomatica ist eine besonders geeignete Spezies, um B-Chromosomen zu analysieren. Die auf den B-Chromosomen-lokalisierte 45S rDNA wurde auf Ursprung und Funktion untersucht. Die Mikrodissektion von B-Chromosomen und PCR-Amplifikation ermöglichte es, B-Chromosomen-spezifische ITS2-Sequenzen der 45S rDNA zu erhalten. Auffallend bei dieser Analyse waren zwei beständige Differenzen zwischen den Sequenzen von A- und B-Chromosomen. Phylogenetische Untersuchungen identifizierten keine Spezies, die eine ITS2-Sequenz hatte, die ähnlicher zu der B-Chromosomen-ITS2-Sequenz war als die A-Chromosomen-ITS2-Sequenz von B. dichromosomatica. Es wurde ein Ursprung der B-Chromosomen in der Zeit vor der Ausbildung der vier Cytodeme von B. dichromosomatica postuliert. Die Analyse der Assoziationen von Mikro-B-Chromosomen mit dem Nukleolus ergab, dass 70% der Mikro-B-Chromosomen nicht mit dem Nukleolus assoziierten. Die hohe Frequenz von nichtassoziierten Mikro-B-Chromosomen weist auf eine Inaktivität der Mikro-B-Chromosomen-lokalisierten 45S rDNA hin. Die Immunfluoreszenzmarkierung zeigte, dass sich das Chromatin der A- und B-Chromosomen deutlich in der euchromatischen Histon-H3-Methylierung unterscheidet. Während die A-Chromosomen deutliche Immunfluoreszenzsignale aufwiesen, zeigten die Mikro-B- und Standard-B-Chromosomen nur eine schwache Markierung mit Antikörpern gegen Histon H3K4me1,2,3, H3K9me3 und H3K27me2,3. Die heteropygnotischen, mit Tandem-Repeats angereicherten Mikro-B-Chromosomen waren dabei noch weniger mit diesen euchromatischen Markierungen gekennzeichnet als die Standard-B-Chromosomen. Keine Unterschiede zwischen den A- und B-Chromosomen wurden für die heterochromatischen Markierungen Histon H3K9me1,2 und H3K27me1 gefunden, was darauf hinweist, dass die B-Chromosomen nicht spezifisch durch zusätzliche heterochromatische Histonmarkierungen gekennzeichnet sind. / Summary The Asteraceae Brachycome dichromosomatica is a suitable species for the analysis of B chromosomes (Bs). The origin and activity of micro B-located 45S rDNA of was analysed. Microisolation of Bs and PCR with internal transcribed spacer 2 (ITS2)-specific primers succeeded in the isolation of B-specific ITS2-sequences. ITS2 was sequenced for micro B, large B and A chromosomes, and conserved differences were identified between sequences originating from A and both types of Bs. Phylogenetic analysis did not identify a species that contained an ITS2 sequence that was more similar to either of the B’s sequences than that of the B. dichromosomatica A chromosomes (As). Thus, an origin of the Bs from As at a time prior to the divergence of the four cytodemes of B. dichromosomatica is suggested. Because 70% of micro Bs did not co-localize with the nucleolus I conclude that micro B-located 45S rDNA is not constitutively transcribed. Immunofluorescence demonstrates that the chromatin in A and both types of Bs differs markedly in euchromatic histone H3 methylation marks. While A chromosomes are labelled brightly, the micro B and large Bs are faintly labelled with antibodies against H3K4me2/3, H3K9me3 and H3K27me2/3. The heteropycnotic, tandem-repeat enriched micro Bs were even less labelled with euchromatic histone H3 methylation marks than large Bs. No differences between A and Bs were found as to the heterochromatic marks H3K9me1/2 and H3K27me1, indicating that Bs are not additionally labelled by heterochromatin typical histone H3 modifications. 1

Dans ce travail, la caractérisation mécanique de l’interphase entre les zones amorphes et cristallines dans le polyéthylène a été abordée. La caractérisation élastique est effectuée en appliquant deux approches micromécaniques à partir des données de la simulation moléculaire pour la zone interlamellaire. Ces approches micromécaniques sont d’une part le modèle étendu d’inclusion composite, et d’autre part la méthode de double inclusion. Les résultats des deux approches s’accordent parfaitement. Il a été mis en évidence que le tenseur de rigidité de l’interphase n’est pas défini positif, l’interphase est donc mécaniquement instable. La comparaison avec les résultats expérimentaux valide la méthodologie proposée. Pour la caractérisation hyperélastique, l’algorithme hybride proposé consiste à appliquer la loi de comportement d’un milieu continu isotrope, compressible et hyperélastique aux résultats de la simulation de la dynamique moléculaire d’un élément unitaire de polyéthylène. La notion d’optimisation d’un ensemble de fonctions coûts non négatives est l’idée clé de cette partie. Les paramètres hyperélastiques identifiés sont en bon accord avec ceux qui ont été estimés expérimentalement. L’évolution des frontières de l’interphase avec la déformation est le second résultat de cette analyse. La fin du travail est dédiée à la simulation numérique de la grande déformation viscoplastique d’un agrégat de polyéthylène. Le modèle de Gent adopté pour la contrainte de rappel, le tenseur de projection proposé pour l’approche modifiée de Taylor, et l’optimisation multiniveau font parties des contributions apportées. / Elastic characterization of the interphase layer in polyethylene is implemented by applying the relationships of two micromechanical approaches, “Extended Composite Inclusion Model” and “Double-Inclusion Method”, to the Monte Carlo molecular simulation data for the interlamellar domain. The results of the two approaches match perfectly. The interphase stiffness lacks the common feature of positive definiteness, which indicates its mechanical instability. Comparison with experimental results endorses the proposed methodology. For the hyperelastic characterization of the interlamellar domain and the interphase layer, the proposed hybrid algorithm consists in applying the constitutive equations of an isotropic, compressible, hyperelastic continuum to the molecular dynamics simulation results of a polyethylene stack. Evolution of the interphase boundaries are introduced as auxiliary variables and the notion of minimizing a set of nonnegative objective functions is employed for parameter identification. The identified hyperelastic parameters for the interlamellar domain arein good agreement with the ones that have been estimated experimentally. Finally, the large, viscoplastic deformation of an aggregate of polyethylene is reexamined. The Gent model adopted for the back stress of the noncrystalline phase, correcting the projection tensor for the modified Taylor approach, and the idea of multilevel optimization are among the contributions made.

La miniaturisation des appareils électroniques et la multiplication de leurs fonctionnalités conduisent à développer des microsources d’énergie adaptées, parmi lesquelles figurent les microbatteries au lithium. Malgré leurs excellentes performances, ces systèmes de stockage électrochimique tout solide restent toutefois limités en termes de capacité surfacique. Cette caractéristique étant intrinsèquement liée aux matériaux d’électrodes, nous avons choisi de nous intéresser à des couches minces de CuO, dont la capacité volumique théorique (426 µAh .cm-2.µm-1) est sensiblement plus élevée que celle des matériaux d’intercalation utilisés jusqu’à présent. Ce matériau réagit avec le lithium selon un mécanisme particulier, dit de conversion, qui induit la formation d’un système multiphasé et nanostructuré d’une grande complexité. Dans le cadre de ce travail, la compréhension des mécanismes électrochimiques et chimiques mis en jeu au cours du cyclage de couches minces d’oxyde de cuivre (CuO) a été l’objectif majeur. Celui-ci a nécessité une caractérisation fine du matériau actif d’électrode et des interfaces générées (interfaces solide/solide et interface solide/électrolyte). Ces études ont été principalement menées à partir de la Spectroscopie Photoélectronique à Rayonnement X (XPS), de la Microscopie à Force Atomique (AFM) et d’une modélisation théorique exploitant les méthodes de la chimie quantique. Les propriétés chimiques et morphologiques des couches minces de CuO cyclées ont été corrélées à leur comportement électrochimique. Une forte influence de leur structure et de leur morphologie initiales a pu être ainsi mise en évidence / The miniaturization of electronic components and the increasing number of their functionalities lead to the development of suitable energy microsources, among which lithium microbatteries appear. Despite the excellent performances of these all-solid-state electrochemical power sources, one main limitation that remains is their surface capacity. Its value being intrinsically connected to the nature of electrode materials, we chose to focus on CuO thin films which are characterized by a theoretical volumetric capacity (426 µAh .cm-2.µm-1) in far larger than the one of conventional intercalation materials used today. Indeed, this material reacts with lithium according to a particular mechanism, referred as conversion reaction, inducing the formation of a multiphase nanostructured system with a high complexity. In the framework of this study, understanding of electrochemical and chemical mechanisms which take place during the cycling of copper oxide thin films (CuO) was the main objective. This one has required a fine characterization of the electrode active material and the generated interfaces (solid/solid interfaces and solid/electrolyte interface). These studies have been mainly carried out with X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Atomic Force Microscopy (AFM) and theoretical approaches based on quantum chemistry methods. The chemical and morphological properties of the cycled CuO thin films have been linked to their electrochemical behavior. An important influence of their initial structure and morphology was then evidenced.

Cette étude porte sur le développement de modèles et de méthodes numériques pour prédire les propriétés électriques et mécaniques des nanocomposites polymères/graphènes.Dans une première partie, un modèle nonlinéaire de conduction électrique prenant en compte l’effet tunnel est introduit pour déterminer la conductivité effective de ces nanocomposites au travers d’une procédure d’homogénéisation numérique. Celle-ci, basée sur une formulation éléments finis a mis en évidence l’influence des paramètres microstructuraux sur la conductivité effective au travers d’une étude statistique.Ensuite, un modèle atomistique de l’interface polymère/graphène a été proposé pour valuer les propriétés de l'interface et de l'interphase. Les champs de contrainte et de déplacement ont été identifiés par une extension de la procédure d'Hardy-Murdoch à partir des simulations de mécanique moléculaire. À l'aide de ces champs, un modèle élastique continue avec des interfaces imparfaites a été identifié et comparé aux résultats des simulations de mécanique moléculaire. Finalement, le modèle atomistique a permis d’identifier un modèle de zone cohésive nonlinéaire pour modéliser la décohésion à l’interface polymère/graphène. Une procédure d’homogénéisation numérique par la méthode des éléments finis a été introduite pour estimer les propriétés mécaniques effectives dans le cadre des transformations finies. Les microstructures déformées ont été utilisées dans le modèle électrocinétique pour déterminer l’impact de la décohésion interfaciale sur la conductivité effective. / This work contributes to developing numerical methodologies for predicting the electrical and mechanical properties of graphene/polymer nanocomposites, which can provide a better view for the design of new materials.First, a nonlinear electrical conduction model taking into account the tunneling effect is introduced to determine the effective conductivity of the graphene/polymer nanocomposites through a numerical homogenization procedure. The influences of barrier height and microstructural parameters on the conductivity were demonstrated.Then, to characterize the properties of interphases and interfaces, we employed the Murdoch-Hardy procedure combined with the molecular dynamics method to study the mechanical properties of the graphene/polymer nanocomposites. The stiffness tensor components of the interphase, interface andnbulk polymer region are identified. Based on these fields, a continuous elastic model with imperfect interface has been identified and compared with the results of molecular dynamics simulations.Finally, the atomistic model was used to identify a nonlinear cohesive zone model to simulate the decohesion at the interface of polymer and graphene. A numerical homogenization procedure by finite element method was introduced to estimate the effective mechanical properties in the framework of the finite strains. The proposed mechanical modeling is finally extended to the finite strain problem to predict the evolution of percolation threshold under tension within the proposed electrical model.

Les travaux de cette thèse concernent des études fondamentales liées à la rhéologie interfaciale des systèmes polymères multicouches. Les matériaux choisis sont à base de deux polymères compatibles,PVDF et PMMA de différentes masses molaires. Ces systèmes ont été étudiés sous sollicitations en cisaillement et en élongation suivant les deux régimes en viscoélasticité linéaire (VEL) et non-linéaire (VENL). Les études en VEL ont permis d’étudier la cinétique de développement de l’interphase. Quant aux études en VENL, elles ont permis d’étudier les propriétés intrinsèques de l’interphase simulant ainsi les conditions de mise en œuvre proches de celles des procédés usuels. On démontre ainsi que la rhéologie joue le rôle d’une sonde très fine pour explorer les propriétés aux interfaces des matériaux multicouches. Des modélisations ont été établies en se basant sur les mécanismes physiques mis en jeu. Dans un premier temps, le comportement rhéologique à l’état fondu des multicouches a été étudié par spectrométrie mécanique dynamique en VEL. Les cinétiques d'interdiffusion ainsi que le développement de l’interphase générée aux interfaces de bicouches symétriques et asymétriques ont été étudiés. Les résultats obtenus ont été analysés et modélisés en se basant sur les concepts de la dynamique moléculaire en l’occurrence le modèle de Doi et Edwards. De plus, un nouveau modèle rhéologique a été développé. Il a permis de quantifier les coefficients d'interdiffusion. Les coefficients de friction des chaines et les propriétés rhéologiques de l’interphase ont été modélisés à leur tour. Les résultats obtenus corroborent ceux de la littérature, obtenus par des méthodes spectroscopiques sophistiquées. Le modèle a permis de quantifier les grandeurs viscoélastiques et l’épaisseur de l’interphase. Dans un second temps, des expérimentations en VENL ont été réalisées. Un modèle original a été également proposé pour décrire le comportement relatif à la relaxation des multicouches et de l'interphase. De plus, la sensibilité de la densité d’enchevêtrement a été étudiée pendant et après sollicitations. On démontre que sa présence retarde l'écoulement interfacial surtout sous hautes déformations et vitesses de déformation. En outre, les études des structures multicouches sous sollicitation élongationnelle ont montrées que les propriétés dépendent du rapport de viscosité des couches et les propriétés de l’interphase diffuse. Les travaux de cette thèse mettent en lumière la compétition entre l’effet négatif de l'orientation des chaînes et l'effet favorable de l'écoulement sur les cinétiques de la diffusion. Ensuite, des cartes de stabilités des écoulements stratifiés ont été établies.. La présence de l'interphase diffuse a contribué à une élimination des instabilités. On montre ainsi qu’outre la cinématique de l’écoulement en cisaillement et en élongation, les propriétés de l’interphase ont un rôle important dans la stabilité des écoulements stratifiés en coextrusion. / Fundamental studies have been devoted in this work to probe and modelize the interfacial phenomena at multilayered polymer systems based on two model compatible polymers of PVDF and PMMA with varying molar masses. Linear and nonlinear rheology have been demonstrated to be sensitive to the presence of diffuse interphase triggered from interdiffusion at polymer/polymer interface. Firstly, the interdiffusion kinetics as well as the development of the interphase decoupled to flow as generated at a symmetrical (self diffusion) and an asymmetrical (mutual diffusion) bilayer have been investigated using small-amplitude oscillatory shear measurements. Results were analyzed according to Doi-Edwards theory (tube model) and the effects of annealing factors as well as structural properties on the diffusion kinetics have been studied. The PMMA/PVDF mixtures have been examined to be a couple of weak thermorheological complexity, owning close monomeric friction coefficients of each species in the present experimental conditions. Based on this physics, a new rheological model was developed to quantify the interdiffusion coefficients by taking into account the component dynamics in mixed state and the concept of interfacial rheology. Rheological and geometrical properties of the interphase have been able to be quantified through this model, as validated by scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-ray analysis (SEM-EDX) and transmission electron microscopy (TEM). Secondly, experiments of step strain, startup in simple shear and in uni-axial extension have been carried out on the PMMA/PVDF multilayer structures. An original model was proposed to fit the stress relaxation behavior of multilayer structures and to estimate the relaxation behavior of the interphase. Lack of entanglement at the interface and weak entanglement intensity at the diffuse interphase make them to be subsequently readily to suffer from interfacial yielding even interfacial failure during and after continuous large deformations. Interphase delays the interfacial yielding to a larger external deformation or a higher deformation rate. Besides, elongational properties of the multilayer structures have been shown to be a function of composition as controlled by layer number(interfacial area) and interphase properties (rheology related to entanglement intensity). Finally, the diffuse interphase development coupled to flow in practical coextrusion process has been considered. The compromising result between negative effect of chain orientation and favorable effect of flow on diffusion kinetics gives rise to a broadening interphase after coextrusion. Presence of the diffuse interphase was demonstrated to significantly weaken (or even eliminate) the viscous and elastic instabilities despite of the high rheological contrast. Hence, this work gives guidelines on the key role of the interphase plays in structure-property-processing relationships.

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

Ces travaux de thèse portent sur l’étude et l’optimisation des propriétés interfaciales verre/PA 6-6 pour la conception de matériaux composites de structure. Une méthode visant à nettoyer et réactiver la surface du verre a dans un premier temps été développée. Elle permet de travailler avec des substrats de type fibres ou substrats modèles (plaques de verre) et d’obtenir des surfaces « contrôlées » avant l’application de nouveaux revêtements. La maîtrise de l’interface entre renfort et matrice nécessite l’optimisation de l’ensimage, dont les principaux constituants sont des agents filmogènes et des agents de couplage. Au cours de ce travail, nous avons donc étudié les propriétés thermiques, mécaniques et de surface des nouveaux revêtements appliqués sur les substrats de verre. Différents agents filmogènes, sélectionnés pour être compatibles avec les conditions de mise en oeuvre du PA 6-6, ainsi que deux agents de couplages usuels ont été étudiés. Par le choix d’une large gamme de familles d’agents filmogènes, nous avons montré que l’utilisation d’un agent filmogène de composition chimique proche de celle de la matrice permet d’atteindre de meilleures propriétés interfaciales. L’augmentation de la rugosité de surface du revêtement contribue également à cette amélioration. Le greffage des agents de couplage sur le verre s’est révélé bien plus efficace avec un traitement thermique à 150°C qu’à 110°C et un effet de synergie a pu être observé lors de leur association avec un agent filmogène. L’utilisation d’agents filmogènes à haute résistance thermique a permis d’obtenir des propriétés interfaciales très intéressantes, renforcées pour certains systèmes par l’ajout de nanoparticules. Enfin, afin d’accéder à une estimation de la ténacité de l’interface, un test de DCB en mode I a été adapté à notre problématique. Les résultats obtenus ont été complémentaires à ceux obtenus par les tests du plot et de la microgoutte / This work is devoted to the study and optimisation of glass/PA 6-6 interfacial properties for the conception of structural composite materials. A method to clean and reactivate glass surface was first developed. It allowed us to work with glass fibres and model substrates (glass plates), aiming to get controlled surfaces before the application of new coatings. Controlling the interface between the reinforcement and the matrix requires the optimisation of the sizing, which is mainly composed of film formers and coupling agents. This study consisted in the characterisation of thermal, mechanical and surface properties of the new coatings applied to the glass substrates. Different film former bases, selected for their compatibility with the processing conditions of PA 6-6, and two usual coupling agents were studied. This work allowed to identify different parameters that play a role in the improvement of interfacial properties. By working with a wide range of film formers, we could show that the use of a film former with close chemical composition from the matrix allows to reach better interfacial properties. Increasing the surface roughness of coatings also participates in this improvement. The grafting of coupling agents was more efficient after 150°C thermal treatment than 110°C, and a synergistic effect was obtained by their association to a film former. The use of film formers with high thermal resistance provided very interesting interfacial properties, also improved, for some, by the addition of silica nanoparticles. Finally, DCB mode I mechanical test was adapted to our system, allowing to estimate the fracture toughness of the glass/PA 6-6 interface which is a complementary result to the estimation of the adhesion force measured by pull-off and pull-out tests

La création de nouveaux matériaux, aux propriétés souhaitées, peut être obtenue par la combinaison de deux, trois ou plusieurs composants. L´évolution des matériaux, l´amélioration de leurs performances et l´extension de leurs fonctionnalités provoquent ainsi une augmentation de la variété des matériaux disponibles: c´est désormais l´usage qui détermine les propriétés du matériau et non l´inverse.<br />L´ajout de nanoparticules dans un polymère peut entraîner, quantitativement via la nanostructuration du polymère et qualitativement via leurs surfaces réactives, de nouvelles caractéristiques, qui ne se limitent pas à la simple addition des propriétés de chaque composant. Les interactions entre la surface des nanoparticules et les molécules du polymère peuvent être notamment à la base de la formation d´interphases, présentant des propriétés différentes de celles du polymère massif.<br />Afin de comprendre l´influence des nanoparticules dans les propriétés mécaniques, optiques et diélectriques du composite et plus particulièrement dans la création d´interphases, ce travail s´est intéressé à des systèmes composés de particules d´Al2O3 et de SiO2 dans une résine d´époxyde. De tels matériaux, a priori simples, affichent des résultats surprenants présentés dans cette thèse.

The use of graphene and conductive polyaniline nanomaterials in the field of electrochemistry is increasing due to their excellent conductivity, rapid electron transfer and high specific surface area. However, these properties are strongly dependent on the preparation processes. To accelerate the development of advanced electrochemical sensors for the simultaneous detection of trace amounts of heavy metal ions, two facile and green methods are proposed to improve their performance in this thesis. The first one was dedicated to make graphene-carbon nanotube hybrid nanocomposites. The introduction of carbon nanotubes not only greatly enhances the conductivity of graphene but also suppresses, to some degree, the aggregation between graphene nanosheets. Another method proposed in this thesis work was to synthesize a phytic acid doped polyaniline nanofiber based nanocomposite. The synergistic contribution from polyaniline nanofibers and phytic acid enhances the accumulation efficiency and the charge transfer rate of metal ions during the differential pulse anodic stripping voltammetry analysis. The above-mentioned nanocomposite modified electrodes were all successfully applied to real samples for the simultaneous detection of Cd2+ and Pb2+ with good recovery rates. Meanwhile, corrosion protection is another important branch in the field of electrochemistry. In this direction, an active alkyd-polyaniline composite coating with self-healing functionality was prepared. The polyaniline used in this thesis was doped with p-toluene sulfonic acid, which was employed to increase the conductivity of polyaniline, and 1 wt.% of as-prepared polyaniline nanoparticles were found to offer an effective conductive network for anticorrosion. Finally, the reasons that such low loading levels of nanomaterials can result in significantly reinforced properties in nanocomposites were studied with combined atomic force microscopy (AFM) techniques. The results demonstrated that the interphase for a 40-nm-sized silica particle could extend to 55–70 nm in poly(ethyl methacrylate) (PEMA) and poly(isobutyl methacrylate) (PiBMA) polymer matrix, and the interphase exhibited a gradient distribution in surface nanomechanical properties. / <p>QC 20170315</p>