Certains matériaux ont des modes électromagnétiques confinés à leur surface, qui se<br />propagent le long de celle-ci. Ces modes, qui sont appelés ondes de surface, peuvent être couplés à des ondes propagatives à l'aide d'un réseau.<br />Nous avons utilisé un code de calcul électromagnétique exact, basé sur l'analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA), pour optimiser des structures périodiques dont les dimensions sont de l'ordre ou inférieures au micron. Nous avons ainsi conçu des micro ou nanostructures pour deux types d'applications : l'émission thermique cohérente, et la transmission résonante.<br />En émission, nous avons optimisé des sources thermiques émettant un rayonnement<br />quasi-monochromatique dans une direction privilégiée de l'espace ou bien dans toutes les directions. Nous avons de plus conçu, dimensionné et mis en place un montage de mesure de l'émissivité de telles sources. Nous avons pu retrouver de manière quantitative les résultats que nous avons obtenus numériquement, puis déterminer expérimentalement la longueur de cohérence spatiale de la source.<br />Le second axe de cette thèse a été consacré à la transmission résonante. Nous avons<br />mis en évidence les mécanismes de transmission de structures métalliques en montrant l'existence de modes propres de ces structures qui sont des modes couplant modes de surface et modes de cavité. En remontant aux caractéristiques de ces modes, nous pouvons en particulier retrouver toutes les caractéristiques des pics de transmission, hauteur, largeur et position. Nous avons par ailleurs montré que des effets analogues apparaissent pour des réseaux de cristaux polaires. Finalement, des études de transmission résonante par des cristaux 2D ont montré que des modes d'ordre élevé peuvent être fortement transmis. Ces modes sont faiblement couplés à des ondes planes mais peuvent se coupler fortement à des particules ou molécules.

Cette thèse présente un banc d'écriture de réseaux de diffraction de grande surface dont la période peut varier de 100 nm à plusieurs micromètres. Le principe est basé sur l'écriture au vol qui permet d'écrire des longs réseaux en balayant continûment un substrat recouvert de résine photosensible sous un interférogramme de petite dimension créé par un masque de phase. Deux types de masques ont été fabriqués. Le premier, pouvant être décrit comme un interféromètre de type Mach-Zehnder monolithique, présente l'intérêt d'écrire des réseaux de grandes périodes sans limite supérieure. Il est composé de trois réseaux de diffraction, écrits sur la même face d'un substrat épais grâce à destechniques standards de lithographie (e-beam, gravure RIE) accessibles lors d'un échange à l'UEF àJoensuu. A la longueur d'onde 442 nm, ce masque a permis d'écrire un réseau de période de 2 µmde grande dimension à l'aide d'une nappe de lumière divergente. Le second type de masque est monolithique en matériau haut indice. Il est utilisé en immersion à la longueur d'onde de 244 nm; des réseaux de période de 100 nm ont été écrits. La structure capable de supprimer l'ordre zéro transmis a été modélisée et les masques ont été fabriqués par trois partenaires européens du réseau d'excellence NEMO. La gravure du LuAG a également été étudiée en vue de fabriquer un masque de phase pour la longueur d'onde 193 nm. Afin d'écrire des réseaux larges et homogènes, une étude des différentes techniques d'élargissement de faisceau a été réalisée en vue de disposer d'une ligne de lumière avec un profil d'intensité homogène dit " top-hat ", et une méthode de fabrication d'un long masque de phase a été développée

Kinematic analysis and field mapping of the Homestake shear zone (HSZ) and Slide Lake shear zone (SLSZ) in central Colorado provide new evidence for strain partitioning in the mid-crust at ~1.4 Ga. The northeast-striking, steeply dipping HSZ comprises a ~10-km-wide set of anastomosing ductile shear zones and pseudotachylyte-bearing faults. Approximately 3-km south of the HSZ, the north-northeast-striking, shallowly dipping mylonites of the SLSZ form three 1-10-m-thick shear zone splays. Both top-up-to-the-northwest and top-down-to-the-southeast shear sense are recorded in the SLSZ and HSZ. Oblique stretching lineations in both shear zones show vertical (top-down-to-the-southeast and top-up-to-the-northwest) and dextral movement occurred during mylonite development. Quartz and feldspar deformation mechanisms and quartz [c] axis lattice preferred orientation (LPO) patterns are consistent with deformation temperatures ranging from ~280-500°C in the HSZ to ~280-600°C in the SLSZ. Mean kinematic vorticity and quartz [c] axis LPOs for parts of each shear zone suggest plane and non-plane strain general shear with contributions of 47-69% pure shear and 31-53% simple shear. Based on micro- and mesoscale kinematics along with mean kinematic vorticity values and deformation temperature estimates, we propose that HSZ and SLSZ formed during strain localization and partitioning within a mid-crustal transpressional shear zone system that involved subvertical shuffling at ~1.4 Ga.

Au cours de leur mise en forme, les alliages de titane destinés à la fabrication de pièces tournantes pour moteurs d'avions suivent un schéma thermomécanique complexe constitué généralement de plusieurs opérations de forgeage. L'étape de forgeage dans le domaine monophasé β joue un rôle important, car elle conditionne la transformation de phases qui s'opère au cours du refroidissement ou du traitement thermique consécutif dans le domaine biphasé α-β, et donc les propriétés mécaniques finales de la pièce. La maîtrise de l'évolution de la microstructure et de la texture cristallographique au cours du forgeage dans le domaine β est donc indispensable pour optimiser l'ensemble du procédé de mise en forme. Pour cela, il est important de bien comprendre les mécanismes de recristallisation dynamique (continue et géométrique) se produisant dans ce type de matériau.Dans cette étude, les effets de la température, de la déformation et de la vitesse de déformation ont été étudiés au moyen d'essais de compression uniaxiale et de torsion à chaud. Les microstructures et textures de déformation ont été caractérisées par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Ces approches expérimentales sont associées à un travail de modélisation, pour lequel le schéma de recristallisation dynamique "continue" (ou CDRX), consistant en une fragmentation progressive des grains β initiaux par la formation de nouveaux joints de grains, a été adapté à partir d'études antérieures. Les paramètres caractérisant les mécanismes élémentaires de la CDRX (écrouissage, restauration dynamique, migration des joints) ont été déterminés par ajustement sur les données expérimentales.Ces travaux ont pour objectif l'élaboration d'un post-processeur métallurgique dédié au forgeage des alliages de titane en phase β.

The infiltration of water in asphalt pavements promotes moisture damage primarily through damaging the binder cohesive bond and the adhesive bond between aggregates and binder. Moisture damage is associated with excessive deflection, cracking, and rutting. The first step in addressing the problems caused by the presence of water within pavement systems is quantifying the permeability of hot mix asphalt (HMA) mixes. This dissertation deals with the development of empirical-analytical and numerical approaches for predicting the permeability of HMA. Both approaches rely on the analysis of air void distribution within the HMA microstructure. The empirical-analytical approach relies on the development of modified forms of the Kozeny-Carman equation and determining the material properties involved in this equation through three dimensional microstructure analyses of X-ray Computed Tomography (CT) images. These properties include connected percent air voids (effective porosity), tortuosity, and air void specific surface area. A database of materials and permeability measurements was used to verify the developed predicting equation. The numerical approach, which is the main focus of this study, includes the development of a finite difference numerical simulation model to simulate the steady incompressible fluid flow in HMA. The model uses the non-staggered system that utilizes only one cell to solve for all governing equations, and it is applicable for cell Reynolds number (Rec) values that are not restricted by |Rec|&#8804;2. The validity of the numerical model is verified through comparisons with closed-form solutions for idealized microstructure. The numerical model was used to find the components of the three-dimensional (3-D) permeability tensor and permeability anisotropy values for different types of HMA mixes. It was found that the principal permeability directions values are almost in the horizontal and vertical directions with the maximum permeability being in the horizontal direction.

This thesis is devoted to the deposition of intermetallic thin films by laser ablation deposition (LAD) and their characterization. Pulsed laser ablation and subsequent deposition of the ablated vapours produces films under conditions very far away from equilibrium. Besides the film, which forms directly by quenching the vapour or plasma on substrate, one also obtains under certain conditions micron and sub-micron sized spherical droplets of alloy melt on to the film. The latter travel at very high velocities and impinge on the substrate resulting in a very high rate of heat transfer during solidification from liquid state. Therefore, in this work it was possible to study the microstructure evolution depending on quenching rates of different sized droplets and compare with the extreme case of vapour/plasma quenching. The compositions selected correspond to the intermetallic compounds in Al-Fe, Al-Ni and Ti-Si binary systems. Pre-alloyed targets of the appropriate intermetallic compositions were used for ablation by laser. The deposition system has been designed and built in-house. The characterization is mainly done by transmission electron microscopy (TEM). The study focuses on microstructure and phase evolution within these intermetallic films at room temperature, at elevated temperature and during heating the room temperature deposited films in heating stage inside the TEM.

Many technologically important alloys such as Ni base superalloys and Ti-Al base alloys benefit from the precipitation of an ordered β phase from a disordered α matrix. When the crystallographic symmetry of the β phase is a subgroup of that of the disordered α phase, the microstructure may contain multiple orientational variants of the β phase, each with its own (anisotropic, crystallographically equivalent) misfit (lattice parameter mismatch) with the matrix phase. Examples include orthorhombic precipitates in a hexagonal matrix in Ti-Al-Nb alloys, and tetragonal precipitates in a cubic matrix in ZrO2-Y2O3. We have studied two-phase microstructures containing multiple variants of the precipitate phase. In particular, we have used phase field simulations to study the effect of elastic stresses in a two dimensional system containing a disordered matrix and three different orientational variants of the precipitate phase, with a view to elucidate the effect of different levels of anisotropy in misfit. We consider a two dimensional, elastically homogeneous and isotropic model system in which the matrix (α) and precipitate (β) phases have hexagonal and rectangular symmetries, respectively, giving rise to three orientational variants of the β phase. Therefore, our phase field model has composition (c) and three order parameters (η1, η2, η3) as the field variables.Due to the difference in crystallographic symmetry, the precipitate-matrix misfit strain tensor, ε*, can be anisotropic. ε*maybe represented in its principal form as ε *= (ε xx 0 ) 0 εyy where ε xx and ε yy are the principal components of the misfit tensor. We define t= εyy/εxx as the parameter representing anisotropy in the misfit. In this thesis, we report the results of our systematic study of microstructural evolution in systems with different values of t, representing different levels of anisotropy in misfit: •Case A: t=1 (dilatational or isotropic misfit) • Case B: 0 <t<1 (principal misfit components are unequal but have the same sign) • Case C: t=0 (the principal misfit along the y direction is zero) • Case D: -1 <t<0 (principal misfit components have opposite signs and unequal magnitudes) • Case E: t= -1 (principal misfit components are equal, but with opposite signs; pure shear) In Cases D and E, there is an invariant line along which the normal misfit is zero. In Case D, this invariant line is at ±54.72◦, and in Case E, it is at ±45◦, with respect to the x-axis. Our simulations of microstructural evolution in this system are based on numerical integration of the Cahn-Hilliard and Cahn-Allen equations which govern the evolution of composition and order parameter fields, respectively. In each case, we have studied two different situations: isolated particle (single variant) and many interacting particles (multivariant). Dynamical growth shape of an isolated precipitate In systems with an isotropic misfit (Case A), the precipitate shape remains circular at all sizes. In Cases B and C, the precipitate shape is elongated along the y-axis, which is also the direction in which the magnitude of the misfit strain is lower. In all these cases, the symmetry of the particle shape remains unaltered at all sizes. In contrast, in Cases D and E, the particle shape exhibits a symmetry-breaking transition. In Case D, the precipitate elongates initially along the y direction (i.e. the direction of lower absolute misfit), before undergoing a transition in which the mirror symmetry normal to x and yaxes is lost. In Case E, the particle has an initial square-like shape (with its sides normal to the 11directions) before losing its four-fold rotation axis to become rectangle-like with its long axis along one of the the 11directions. The critical precipitate size at which the symmetry-breaking shape transition occurs is obtained using bifurcation diagrams. In both Cases D and E, the critical size for the dynamical growth shapes is larger than those for equilibrium shapes[1].This critical size is larger when the matrix supersaturation is higher or shear modulus is lower. Microstructural Evolution In all the five cases, the elastic stresses have a common effect: they lead to microstructures in which the precipitate volume fraction is lower than that in a system with no misfit. This observation is consistent with the results from the thermodynamics of stressed solids that show that a precipitate-matrix misfit increases the interfacial composition in both the matrix and the precipitate phase. In systems with isotropic misfit (Case A), the microstructure consists of isolated circular domains of the precipitate phase that retain their circular shape during growth and subsequent coarsening. In Cases B and C with anisotropic misfit with t≥0, the three orientational variants of the precipitate phase are elongated along the directions of lower misfit (y-axis and ±120◦to y-axis). At a given size, particles in Case C (in which one of the principal misfits is zero) are more elongated than those in Case B. Systems with a higher shear modulus enhance the effect of misfit stresses, and therefore, lead to thinner and longer precipitates. When the precipitate volume fraction is increased, these elongated precipitates interact with (and impinge against) one another to a greater extent, and acquire a more jagged appearance. For Cases D and E, each orientation domain is associated with an invariant line along which the normal misfit is zero. Thus, in Case D, early stage microstructures show particles elongated along directions of lower absolute misfit (y-axis and ±120°to y-axis). At the later stages, the domains of the precipitate phase tend to orient along the invariant lines; this leads some of the particles to acquire a ‘Z’ shape before they completely re-orient themselves along the invariant line. In Case E, each variant grows as a thin plate elongating along the invariant line. The growth and impingement of these thin plates leads to a microstructure exhibiting complex multi-domain patterns such as stars, wedges, triangles, and checkerboard. These patterns have been compared (and are in good agreement) with experimental observations in Ti-Al-Nb alloys containing the precipitate (O) and matrix (α2)phases[2]. Since in Case E the sum of misfit strains of the three variants is zero, elastic energy considerations point to the possibility of compact, self-accommodating clusters of the three variants, sharing antiphase boundaries (APBs). Thus, if the APB energy is sufficiently low, the microstructure may consist of such compact clusters. Our simulations with such low APB energy do show triangle shaped clusters with six separate particles (two of each variant)in a self-accommodating pattern. (Refer PDF file)

Le but de ce travail de thèse est de mieux comprendre les mécanismes de déformation à température ambiante dans les alliages de titane bêta-métastable Ti17 et Ti5553. Les microstructures étudiées sont composées de grains bêta transformé, dans lesquels la phase alpha peut précipiter, selon les relations de Burgers, sous la forme de douze variants différents. Une approche multi-échelles est donc préconisée avec trois niveaux représentatifs: macroscopique, mésoscopique (ex-grains bêta), et microscopique (variants alpha et matrice bêta de chaque grain). Différents modèles à champs moyens sont adaptés pour reproduire le comportement mécanique du Ti17 et du Ti5553. Ces modèles impliquent deux transitions d'échelle, et sont basés sur l'homogénéisation des comportements locaux, avec plusieurs manières de représenter les interactions intergranulaires. Les relations entre microstructures et propriétés mécaniques sont également considérées. Les modèles les plus complexes développés dans cette étude vont permettre de simuler l'anisotropie élastique et l'écoulement visqueux de chaque variant alpha (hcp) et de chaque matrice bêta (bcc), en employant la plasticité cristalline avec des écrouissages de type cinématique et isotrope. L'identification des paramètres matériaux est faite à partir d'une vaste base de données expérimentale provenant du projet PROMITI. Pour comprendre le rôle de chaque phase dans le processus de déformation, un calcul EF a également été fait afin de reproduire l'essai de traction sur une très fine éprouvette plate. Dans cette étude, le niveau mésoscopique est explicitement représenté en reprenant fidèlement la géométrie et l'orientation cristallographique de chaque grain bêta transformé. Des comparaisons entre expérience et simulation sont faites à l'échelle macroscopique pour les courbes contrainte - déformation, ainsi qu'au niveau mésoscopique, en considérant les champs de déplacement hors-plan et les champs de déformation.

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L'étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite " molle " (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L'approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d'une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l'extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse. La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d'un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l'interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu'au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en " U " ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l'applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité.

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L'étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite " molle " (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L'approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d'une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l'extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse.La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d'un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l'interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu'au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en " U " ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l'applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité.