Les travaux de cette thèse ont permis de contribuer à la compréhension et au développement de la physique et de la chimie des matériaux. Dans cette étude, des nouveaux nanocomposites polymères de hautes performances structurales, thermiques et mécaniques ont été fabriqués en utilisant le graphène, l'oxyde de graphène et les nanotubes de carbone modifiés comme nanocharges de renforcement ou des agents de nucléation. L'étude a porté, d'une part, sur des échantillons nanocomposites à matrices polypropylène (PP), polyéthylène haut densité (PEHD) et polyfluorure de vinylidène (PVDF) fabriqués par un procédé d'extrusion et d'autre part, sur des films nanocomposites à matrice PVDF fabriqués par un procédé de mélange en solution suivi par l'approche coulée-évaporation. Les nanofeuillets de graphène (NFG) et ceux d'oxyde de graphène (NFOG) ont été obtenus via l'exfoliation du graphite naturel en utilisant une méthode chimique. Des techniques de caractérisation expérimentales ont confirmé que les NFG et NFOG ont été bien formés en large quantité avec une haute qualité structurale, une épaisseur entre 0,95-1nm et des dimensions latérales entre 0,1 et 1μm. Les nanotubes de carbone (NTC) ont été fonctionnalisés par un surfactant polymérique, la polyvinylpyrrolidone (PVP), via le mécanisme d'adsorption physique, afin d'augmenter leur dispersion dans des solvants organiques et des matrices polymères. Les propriétés structurales (morphologie et propriétés rhéologiques), thermiques (stabilité thermique, comportement de cristallisation et de fusion), mécaniques (traction, flexion) des matrices sélectionnées (PP, HDPE et PVDF) ont été largement améliorées par l'addition de faibles fractions massiques des NFG (< 3%). Les améliorations obtenues au niveau des propriétés sélectionnées des nanocomposites peuvent étre élargir le champ d'application des polymères thermoplastiques. Des approches efficaces ont été développées afin de produire des films nanocomposites à matrice PVDF chargés par les nanofeuillets d'oxyde de graphène (NFOG) et les nanotubes de carbone modifiés (NTC/PVP). Ces films ont été fabriqués dans le cadre de contrôler la structure cristalline du PVDF et ce en terme de phase β (responsable de la piézoélectricité). Ainsi que des améliorations très significatives des propriétés mécaniques et thermiques ont été réalisées par l'addition de faibles fractions massiques de NFOG et NTC (< 2 %).

La dégradation géométrique de la voie ballastée sous circulation commerciale nécessite des opérations de maintenance fréquentes et onéreuses. La caractérisation du comportement des procédés de maintenance comme le bourrage, la stabilisation dynamique, est nécessaire pour proposer des améliorations en terme de méthode, paramétrage pour augmenter la pérennité des travaux. La simulation numérique d'une portion de voie soumise à un bourrage ou une stabilisation dynamique permet de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans le ballast. Toutefois, la complexité numérique de ce problème concernant l'étude de systèmes à très grand nombre de grains et en temps de sollicitation long, demande donc une attention particulière pour une résolution à moindre coût. L'objectif de cette thèse est de développer un outil de calcul numérique performant qui permet de réaliser des calculs dédiés à ce grand problème granulaire moins consommateur en temps. La méthodologie utilisée ici se base sur l'approche Non Smooth Contact Dynamics (NSCD) avec une discrétisation par Éléments Discrets (DEM). Dans ce cadre, une méthode de décomposition de domaine (DDM) alliée à une parallélisation adaptée en environnement à mémoire partagée utilisant OpenMP sont appliquées pour améliorer l'efficacité de la simulation numérique.

Pour étudier les déformations permanentes des enrobés bitumineux, la division SMIT du LCPC a mis au point un essai triaxial thermorégulé à pression de confinement constante. Un important travail de mise au point de l'essai et de vérification des mesures a été réalisé. Une première campagne expérimentale, portant sur des essais de fluage à contrainte imposée, a permis d'étudier l'influence des paramètres pression de confinement, déviateur de contraintes et température sur le comportement des enrobés bitumineux sous chargement statique. Ces essais ont, de plus, permis de valider le principe d'équivalence temps température en grandes déformations, avec confinement. Un modèle élasto-visco-plastique, permettant de prendre en compte l'application d'une pression de confinement, a été développé pour simuler les essais de fluage. Son principe est basé sur les observations expérimentales. Les applications visées sont l'étude de structures bitumineuses telles que les plates-formes industrielles ou aires de stationnement. Une deuxième campagne d'essais de compression cyclique sinusoïdale a ensuite été menée. Lors de ces essais, on mesure : les déformations cycliques, de l'ordre de 10-4m/m, qui nous permettent d'obtenir des informations sur l'évolution de la rigidité du matériau (module complexe et coefficient de Poisson) et les déformations permanentes, de l'ordre de 10-2m/m, qui donnent des informations sur la résistance à l'orniérage. L'influence des paramètres pression de confinement, température et fréquence a été étudiée. Des différences importantes de comportement ont été mises en évidence entre les essais statiques et cycliques, liées à la variation cyclique des contraintes.

Mes activités de recherche se sont centrées sur les procédés de transformation des polymères, essentiellement le procédé d'injection-moulage mais aussi le soufflage et maintenant la peinture. J'ai participé à plusieurs projets de recherche appliquée pluridisciplinaire donc à finalité industrielle. Dans ces projets ma contribution porte sur la modélisation du procédé, que ce soit par l'utilisation de code de calculs ou le développement de modèles numériques à l'aide de logiciels libres. L'originalité de mon travail réside dans la pluridisciplinarité des projets qui mêlent des aspects théoriques et numériques aux aspects expérimentaux; la science des polymères à la thermique, à la mécanique et à la rhéologie. Les modélisations s'appuient sur des mesures expérimentales qui sont, dans les procédés de transformation, particulièrement délicats à isoler et à interpréter. Ces dispositifs expérimentaux représentent une part considérable de l'effort de recherche dans ces projets. Durant ces travaux, j'ai tenté de répondre à des problématiques distinctes : Dans les procédés de plasturgie, la viscoélasticité est finalement assez absente. Lorsqu'elle se manifeste, c'est sous la forme de défauts (instabilités, recirculations) qu'il faut éviter. C'est pourquoi, la plupart des écoulements impliqués dans les procédés sont de type lubrification~: une dimension au moins est petite devant les autres; ce qui atténue de façon effective les effets viscoélastiques. Une illustration frappante en est donnée par les recirculations viscoélastiques créées par la courbure du chenal d'une vis : lorsque le rapport d'aspect de la section augmente, elles s'atténuent et se décalent vers les parois latérales, précisément là où dans la section, aucune dimension n'est petite devant l'autre. Seul le procédé d'extrusion soufflage s'appuie totalement sur les propriétés viscoélastiques du polymère en écoulement, au travers des phénomènes de gonflement et de fluage. Cet écoulement est particulièrement discriminant et doit permettre à terme de déterminer les paramètres matériels d'une loi viscoélastique intégrale en comparant les prédictions des simulation numériques (par le code FEM Polyflow ou la méthode des tubes de courant) aux mesures expérimentales du gonflement et de fluage, devenues réalisables désormais avec notre technique de visualisation par illumination laser. En ce qui concerne le phénomène de plastification dans les monovis d'injection, ce thème de recherche est celui qui a nécessité le plus d'efforts et c'est celui qui est le plus ardu. La difficulté première, celle des observations, est en passe d'être surmontée avec le fourreau à fenêtres qui permet une visualisation inégalée des phénomènes de plastification. Nous allons pouvoir reprendre et vérifier toutes les hypothèses usuelles de la plastification : accélération du lit solide, fonte contiguë ou dispersée, position et épaisseur des films fluides. En ce qui concerne la modélisation numérique du convoyage solide du polymère dans le chenal de la vis. Une autre problématique, très importante dans le domaine industriel de l'automobile ou de la cosmétique, concerne les défauts de surfaces des pièces plastiques injectées. De nombreux facteurs peuvent contribuer à l'apparition de tels défauts. Nous avons étudié les effets thermiques en montrant que même des revêtements métalliques extrêmement fins pouvaient avoir une influence thermique. Qu'en est-il de l'aspect dynamique de l'écoulement et du contact (tension de surface) polymère-métal ? Ce sujet est d'importance pour l'injection moulage classique mais aussi la micro-plasturgie. La simulation numérique de la projection de peinture représente une direction nouvelle de recherche, active en Europe, mais inédite en France, et pour laquelle nous sommes bien placés à l'insa-lyon avec la création récente d'une cabine de peinture pilote. Cela reste toujours de la mécanique des fluides et des polymères mais avec des outils différents (code volumes finis, OpenFOAM, StarCCM). Encore une fois, une analyse des phénomènes prépondérants, notamment dans l'aérodynamique et le champ électrostatique, associée à des mesures expérimentales, devraient aboutir à un modèle simplifié des trajectoires des gouttes et donc de la projection de peinture.

L'expérience en mécanique permet tout d'abord l'observation, la compréhension des phénomènes, puis la mise en place éventuelle de modèles. Ces modèles nécessitent des données d'entrée expérimentales (paramètres) puis des validations. In fine les produits issus des prédictions / dimensionnement via les modèles sont aussi testés. Dans ce cadre, les méthodes optiques pour la caractérisation des matériaux et des structures (photomécanique) sont d'un grand intérêt. Les travaux présentés dans ce mémoire se situent dans ce périmètre, suivant les deux principaux thèmes de recherche que j'ai développés : (A) les mesures de champs par méthodes de corrélation d'images et leur exploitation pour l'analyse du comportement et la caractérisation mécanique des matériaux, et (B) les capteurs à fibre optique pour le suivi des procédés de fabrication des composites (mesures confinées et sans accès visuel). La première partie du mémoire présente mon dossier personnel résumant mes activités générales en temps qu'enseignant-chercheur à l'Ecole des Mines d'Albi. La deuxième partie présente mon dossier de recherche, articulée autour de ces deux thèmes. Le premier thème se décompose suivant trois axes majeurs : (A1) les mesures de champs cinématiques par corrélation d'images et leur caractérisation métrologique, (A2) la caractérisation du comportement de matériaux à l'aide de mesures par corrélation d'images, et (A3) l'identification inverse de paramètres constitutifs à partir d'essais statiquement indéterminés et de mesures par corrélation d'images. Le second thème se décompose suivant deux axes majeurs : (B1) la mesure de température et de déformations par capteur à fibre optique à réseaux de Bragg appliquées au suivi de procédé d'élaboration de composites, et (B2) la mesure du degré d'avancement par réfractomètre de Fresnel. Le mémoire se clôture par un bilan général et quelques perspectives de recherche.

Dans l’industrie nucléaire, différents composants des réacteurs à eau pressurisée sont soudés par le procédé TIG (Tungsten Inert Gas). Pour obtenir une résistance à la corrosion et une tenue en service suffisante, ces pièces sont réalisées en alliage base nickel NY690. La compréhension des phénomènes physiques impliqués durant le soudage est nécessaire afin de connaître l’évolution de la microstructure et leur influence sur le comportement mécanique. Pour améliorer la qualité des produits soudés, il est crucial de déterminer les contraintes résiduelles après soudage ce qui implique de connaître le comportement mécanique de l’alliage NY690. En effet, le soudage de ces pièces massives dont l’épaisseur est comprise entre 50 et 250 mm nécessite un grand nombre de passes et donc grand nombre de cycles thermo-mécaniques. Pour reproduire ces chargements complexes se produisant dans la zone affectée thermiquement, des essais mécaniques ont été réalisés en utilisant la machine Gleeble 3500 et une machine de traction/torsion MTS-809. Des essais de traction et des essais cycliques ont été réalisés pour différents états microstructuraux à température ambiante et à 750°C. Plus précisément, l’influence de la taille de grain et de la présence des carbures de chrome sur le comportement mécanique a été étudiée dans le but de déterminer les paramètres à prendre en compte pour modéliser le comportement mécanique. Le comportement mécanique en chargement monotone a ensuite été modélisé en fonction de la température et de la vitesse de déformation en utilisant le formalisme de Kocks-Mecking-Estrin. Ce modèle ensuite été implémenté sous Sysweld pour simuler des expériences de soudage. / Mechanical behavior of nickel alloy 690 (NY690) is characterized from 25°C to 1100°C and for a strain rate ranging from 10-4 to 5×10-3s-1. The effects of chromium carbides and grain size (50-150 µm) on the tensile properties of NY690, were studied at 25°C and 750°C. Chromium carbides have negligible influence on the yield stress and on the strain hardening whereas the grain size slightly decreases the yield stress and the hardening rate at room temperature. The grain size has little influence on the strain-hardening but increases the steady-state stress. The dislocation density is the major microstructural parameter governing the mechanical behavior of the alloy for the studied experimental conditions. The Kocks-Mecking-Estrin formalism is adapted to a wide range of temperature and strain rate to predict the mechanical behavior.

Je suis un physicien, théoricien de la matière molle. Dans des domaines assez variés (polymères, mouillage, adhésifs, mousses), j'ai abordé des problématiques très différentes~: enchevêtrements dynamiques à l'échelle moléculaire, conformation de polymères aux interfaces, interactions visco-élastiques autour d'hétérogénéités (cavitation dans les adhésifs), capillarité, pression osmotique et dilatance dans les mousses liquides, dilatance et mécanismes locaux dans les granulaires mous immergés, formulation tensorielle de la plasticité à partir des grandes déformations élastiques dans les mousses. Depuis que je suis au laboratoire Matières et Systèmes Complexes, je m'intéresse aux travaux menés par plusieurs équipes sur la mécanique du vivant à différentes échelles, depuis le cytosquelette et la cellule entière jusqu'aux agrégats cellulaires et aux organismes en développement.

Les milieux granulaires, secs et humides, sont omniprésents dans la nature et également dans l'industrie. Néanmoins, à ce jour la façon dont est obtenue un mélange de liquide avec un matériau granulaire est mal connue. En particulier, on ignore les mécanismes permettant de réaliser le mélange, et la physique qui les gouverne. Comment un système hétérogène avec des zones riches en liquide et d'autres sèches, aux propriétés très différentes, va-t-il évoluer ? Ce travail commence par l'étude du mécanisme d'érosion d'un milieu granulaire humide et cohésif par un écoulement sec. Une première partie traite de la dynamique de ce processus dans une géométrie de tambour tournant. Nous avons pu observer que les propriétés des liquides impliqués ont une influence particulière sur la dynamique de rupture des ponts capillaires. Par ailleurs, les fluctuations de contrainte de l'écoulement se sont révélées cruciales dans ce phénomène. La mise en œuvre de l'érosion granulaire dans une géométrie de canal incliné a permis d'observer un phénomène d'instabilité basé sur le couplage entre l'érosion et la forme de l'interface. Nous avons déterminé les conditions d'existence de cette instabilité, et détaillé la morphologie des structures créées. Enfin nous avons étudié le mécanisme d'accrétion, qui participe au transport du liquide par la création de nouveaux ponts capillaire permettant l'agglomération de grains.

Les mousses métalliques sont des matériaux intéressants pour fabriquer des absorbeurs d'énergie et des panneaux de faible masse travaillant en flexion. Jusque là, l'aluminium a principalement été employé : sa masse volumique réduite et ses performances mécaniques assez élevées ont fait de lui le candidat idéal pour créer des structures rigides et légères pouvant absorber de grandes quantités d'énergie. Cette thèse étudie la possibilité d'employer de l'acier pour produire des mousses métalliques. L'objectif a été de tirer parti du faible coût et/ou des performances mécaniques très élevées de ce métal pour fabriquer des mousses rivalisant avec les mousses d'aluminium. Pour fabriquer des mousses d'acier, deux types de techniques ont été testés dans le cadre de cette thèse : le moussage d'un métal liquide et l'infiltration d'une préforme. Le premier consiste à former une mousse liquide qui est ensuite solidifiée. Pour cela, nous nous sommes attachés à introduire du gaz dans l'acier et à créer les conditions pour que la mousse formée soit stable. Le second consiste à couler le métal dans un réseau de porosités ayant la forme d'une mousse. Pour mettre en œuvre ce procédé, nous avons mis au point une nouvelle technique de fabrication de préformes. Nous avons également étudié les paramètres conditionnant ses possibilités en termes de taille de pièce. Finalement, les performances des mousses d'acier fabriquées par infiltration ont été évaluées, via des essais de compression uniaxiale, pour les comparer à celles des mousses d'aluminium. Une première modélisation numérique de la mousse d'acier a aussi été effectuée, pour en apprécier la pertinence à prévoir le comportement de ce matériau.

Le disque intervertébral est principalement composé de deux types de tissu : le nucleus pulposus au centre contenu par l'annulus fibrosus en périphérie.Le nucleus est relativement bien décrit dans la littérature contrairement à l'annulus dont la constitution bi-phasique couplée à une structure à fibres orientées reste délicate à modéliser. La caractérisation hydro-chimio-mécanique représente un point clé dans la compréhension des phénomènes qui régissent le comportement de l'organe.Pour répondre au manque d'information, deux axes de travail sont mis en place : expérimental et numérique.La réalisation de tests de traction cyclique associés à des techniques de corrélation d'images permet de fournir une base de données complète du comportement.Elle est ensuite utilisée pour identifier un modèle hydro-chimio-mécanique qui traduit le comportement non-linéaire, anisotrope, dissipatif ainsi que la sensibilité aux variations d'environnement chimique du tissu observés expérimentalement.L'intérêt majeur de cette méthode est l'identification simultanée de l'ensemble des paramètres du modèle au cours de sollicitations proches des conditions physiologiques sur chacune des éprouvettes.Ce protocole réduit ainsi les incertitudes liées aux variabilités inter-individus et inter-localisations pour obtenir des valeurs de paramètres plus fiables.La formulation identifiée permettra de proposer un modèle compréhensif des transferts de fluide impliqués dans les processus de nutrition cellulaire.Ce sujet s'intègre dans une réflexion plus large relative à la compréhension des couplages hydro-chimio-mécaniques dans les tissus biologiques.L'enjeu est de quantifier l'impact des stimuli mécaniques sur l'évolution des tissus humains et leur adaptation aux conditions environnementales.