Les nouveaux matériaux qui ont fait leur apparition récemment dans l'industrie, tels que les matériaux composites et les mousses métalliques par exemple, ont trouvé de nombreuses applications. Cependant, en raison de leur complexité grandissante, la modélisation de leurs lois de comportement est de plus en plus difficile. D'où l'idée d'employer des méthodes d'imagerie tridimensionnelle telle que la microtomographie rayons-X, et d'utiliser la corrélation d'images digitales pour mesurer les champs de déplacements entre des images de l'échantillon au repos et sous compression. Cela permettrait ensuite de remonter aux paramètres de la loi de comportement. C'est le but du projet développé en collaboration entre l'École Polytechnique de Montréal et l'Université de Sherbrooke. La partie du projet menée à l'Université de Sherbrooke constitue l'objet de ce mémoire, et comprend deux tâches. La première consiste à concevoir un matériau modèle qui servira de base pour développer un algorithme de mesure des champs de déplacements à partir des images microtomographiques. La seconde consiste à obtenir lesdites images. Le matériau modèle conçu dans le cadre des travaux de recherche est un matériau composite à matrice de polyéthylène à basse densité linéaire, texturée par de l'oxyde de titane, et à renfort de billes de verre. Ces matériaux ont été choisis entre autres raisons pour leur bon contraste aux rayons-X et leur facilité de mise en forme. Le composite a été fabriqué par extrusion, pour assurer une bonne dispersion des particules de renforts, et les échantillons ont été réalisés par moulage. La microtomographie à rayons-X est une technique d'imagerie permettant de reconstruire le volume d'un objet à partir d'une série de projections radiographiques de celui-ci. C'est une méthode qui permet en général une appréciation qualitative de la structure d'un objet ( e.g. des anomalies). Par contre, la qualité des images peut être parfois insuffisante pour une analyse quantitative. Des bruits et des artefacts de reconstructions (e.g. artefacts d'anneaux, durcissement du faisceau, désalignement...) peuvent dégrader les microtomographies. Le développement d'une procédure de calibration était donc nécessaire avant de pouvoir utiliser la cellule de charge pour imager des échantillons au repos puis compressés in situ .

Ce travail de thèse a porté sur la simulation numérique du comportement thermique et mécanique d'un combustible nucléaire à particules. Il s'agit d'un composite réfractaire constitué d'une matrice de graphite comportant 45 % en fraction volumique de particules sphériquesd'UO2 revêtues de deux couches de pyrocarbone. L'objectif était de développer une modélisationmulti-échelles de ce composite afin d'estimer son comportement moyen, ainsi que les hétérogé-néités des champs mécaniques au sein des constituants. Nous avons modélisé la microstructuredu combustible et généré des échantillons numériques en 3D. Pour cela, des outils de générationde distributions aléatoires de sphères, de maillage et de caractérisation microstructurale, tellela covariance, ont été développés dans le code de calcul Cast3M. Une centaine d'échantillonsnumériques de différentes tailles ont été réalisés. Le comportement thermo-élastique du combustiblea été caractérisé à partir de ces échantillons, à l'aide de calculs de microstructures paréléments finis. Nous avons étudié l'influence de divers paramètres de la modélisation, dont lesconditions aux limites. Nous proposons une méthode pour s'affranchir des effets des conditionsaux limites sur les résultats, appelée méthode d'érosion. Elle s'appuie sur l'analyse des résultatssur un érodé du volume élémentaire. Nous avons alors déterminé les propriétés effectives ducomposite (modules d'élasticité, conductivité thermique, dilatation thermique), ainsi que lesdistributions des champs mécaniques locaux au sein de la matrice. Enfin, nous avons proposéun modèle de changement d'échelles permettant d'obtenir, non seulement les valeurs moyennesdes variables mécaniques dans chaque phase, mais également leurs variances et covariances pourtout chargement macroscopique imposé. Cette approche statistique de changement d'échellespermet ainsi d'estimer la distribution des grandeurs mécaniques au sein de chaque phase ducomposite.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale approfondie d'un composite à base polyamide 66/6 renforcé par des fibres de verres tissés suivant un motif sergé 2/2. L’objectif est de proposer des solutions de Contrôle Non Destructif (CND) basées sur les ultrasons afin de détecter différents niveaux d’endommagement induis. Pour cela, une étude approfondis des mécanismes d’endommagement apparaissant lors de sollicitations en traction suivant l’axe des fibres et hors axes est réalisé. Le cas d’impact induis par poids tombant est également étudiés. En effet, ces différents cas de sollicitions entraînent l’apparition de différent mécanismes d’endommagement. Ces derniers, ainsi que leur ordre d’apparition, sont caractérisés par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et tomographie à rayons X principalement. L’évaluation de la réduction du module élastique pré et post chargement ainsi que la fraction volumique de vide montrent une évolution de l’endommagement plus importante lors de chargement en traction hors axes des fibres que lors de chargement suivant l’axe. Lors des essais d’impact par poids tombant différents niveaux d’énergie sont considérés en restant proche du domaine des BVID en vue d’éprouver la sensibilité des méthodes de CND. Deux méthodes de CND par ultrasons étudiées durant ce projet peuvent être mises en avant. Premièrement, par mesure de la vitesse de propagation des ondes dans plusieurs directions du composites, le tenseur de rigidité est estimé dans tous ces cas de sollicitation mécanique pour différents niveaux d’endommagement. Des indicateurs d’endommagement basés sur ces mesures montrent une évolution de l’état d’endommagement similaire à celle discutée précédemment. Deuxièmement, une étude de la détection de l’endommagement par ondes guidées est menée. Aucun changement des modes transmit n’est visible lors de l’augmentation de l’état d’endommagement. L’évolution de l’énergie du signal transmis est alors proposée et validée comme indicateur d’endommagement efficace pour des chargements en traction mais pas pour l’impact. La mesure du décalage temporel à en revanche permis une localisation et une quantification de l’endommagement induit par impact. / The present study is focused on the experimental study of a polyamide 66/6 based composite reinforced by a 2/2 twill weave glass fabric. The aim is to propose Non Destructive Evaluation (NDE) methods based on ultrasound that can efficiently distinguish different damage state. In order to do so, an investigation of the damage mechanisms induced by different type of mechanical solicitations. Tension along and off the axis of the fibers was considered as well as the case of drop weight impact. Those solicitations were shown to induce different damage mechanisms. The latter were characterized by means of Scanning Electronic Microscopy (SEM) and X-Ray tomography mostly. The decreasing of the elastic modulus and the void volume fraction evolution were shown to be more significant for the samples loaded in tension off-axis. During the drop weight impact tests, the energies were considered in order to remain close to the Barely Visible Impact Damage (BVID) regime in order to experience the capability of the ultrasound based NDE methods. Two NDE methods investigated during this study deserve to be highlighted. Firstly, the stiffness tensor was estimated by means of phase velocities measurements in different propagation direction. Damage indicators based on results from this method were proposed. They were found to give results similar with the one from the evaluation of damage discussed earlier on. Secondly, a study of the damage detection using guided waves was performed. No mode conversion effect was observed from this investigation. Consequently, the signal energy was proposed as damage indicator and was found to be suitable to detect damage induced by tension but not by impact. The measure of time shift allowed obtaining a localization and evaluation of the damage induced by impact.

L'objectif de cette thèse est de développer un procédé peu coûteux d'élaboration en continu, sous air et à pression atmosphérique, de fils composites à fibres longues de carbone (50% en volume) incorporées dans une matrice daluminium. Cela passe nécessairement par la maîtrise de deux problèmes inhérents au couple C/Al : le non mouillage des fibres par laluminium liquide en dessous de 900°C et la formation de carbures fragiles à l'interface carbone/aluminium liquide. L'activation chimique du mouillage est assurée par un sel fluoré à base de potassium et de zirconium. Il s'agit de dissoudre la couche d'alumine et d'engendrer localement une réaction exothermique suffisante à l'interface C/Al pour promouvoir le mouillage.<br />La mèche de fibre (Torayca T700S-12K) étant commercialisée avec 1% en masse densimage, une première étape a consisté en l'élimination de cette couche d'époxy par dégradation thermique sous air. D'une part, il a été construit un diagramme pour le choix des paramètres de désensimage (température du four, vitesse de défilement) minimisant la perte des propriétés mécaniques des fibres. D'autre part, la cinétique du phénomène de désensimage a été établie afin de prévoir le désensimage " dynamique " sur le pilote en connaissant le profil thermique de la mèche pour les conditions opératoires données.<br />La mèche est ensuite trempée dans une solution aqueuse saturée d'un sel fluoré à 95°C puis séchée sous air, dans la seconde étape, dite de traitement au flux pour laquelle les paramètres opératoires sont la vitesse de défilement et la composition du flux. Il s'est agi ici d'étudier, plus particulièrement, le vieillissement de la solution aqueuse et la qualité du dépôt de cristaux sur la mèche (morphologie, répartition et quantité). D'une manière générale, le coeur de la mèche est beaucoup moins bien traité que sa surface. Laction de plusieurs composés fluorés sur le mouillage des fibres par l'aluminium a été regardé. Un schéma réactionnel s'appuyant essentiellement sur une étude ATD a mis en évidence le rôle favorable de l'oxydation par l'air de l'aluminium natif pour l'imprégnation du coeur du composite. Comparée à la toute première réaction flux/alumine, cest principalement la réaction flux/aluminium liquide qui engendre lélévation suffisante de température permettant dinitier l'infiltration.<br />Enfin, la mèche passe par un bain d'aluminium liquide (99,7% en masse) à 710°C sous air : c'est l'étape d'infiltration dont les paramètres sont la température du bain et la vitesse de défilement. Dans cette dernière étape, le but était de définir la microstructure et les propriétés du fil composite élaboré selon les conditions optimales. Des observations fines au MET indiquent la présence de précipités Al3Zr et Al4C3 à linterface fibre/matrice. Cette adhésion chimique contribue à limiter la tenue mécanique du fil tout comme la distribution inhomogène des fibres, la présence de porosités naturelles et de cryolithe solidifiée. Le meilleur fil composite a été obtenu pour une vitesse lente (1m/min) et une température moyenne du bain (710°C)°. Sa résistance à la traction ne dépasse pas 520Mpa pour une fraction volumique de fibres de 40%, ce qui suggère de minimiser les dégradations diverses subies par le renfort dans les trois étapes et les défauts liés à l'infiltration réactive.

Pour déterminer les lois de comportement et les paramètres mécaniques des matériaux composites, des éprouvettes sont couramment fabriquées par fraisage. Ces opérations de coupe par enlèvement de matière génèrent des efforts et des gradients de température importants, d'où risques d'endommagements au niveau des surfaces usinées. Le but de cette étude est d'évaluer expérimentalement l'interdépendance qui peut exister entre la préparation d'éprouvettes en composites par usinage et leurs performances mécaniques. Quatre matériaux composites à matrice polymère renforcés de fibres sont étudiés dans trois types d'essais mécaniques. Les dommages inhérents à la coupe sont qualifiés suivant les orientations des fibres et les configurations d'attaque de l'outil. Le traitement statistique des résultats expérimentaux permet de dégager les paramètres de coupe significativement influents, d'abord sur les dommages créés, puis sur les performances mécaniques. Deux critères d'endommagement sont définis pour caractériser les pertes des performances mécaniques en fonction des configurations d'usinage. Une recommandation de préparation des éprouvettes guide la détermination des conditions de coupe des éprouvettes d'essais en composites à matrice époxyde renforcés de fibres.

L'analyse de la corrosion en milieu salin de matériaux composites à matrice d'aluminium renforcée par des fibres de carbone fait partie de l'évaluation du comportement en service de ces matériaux. La dégradation par la corrosion dans les matériaux composites est accentuée par la présence d'un couple galvanique entre le renfort de carbone et l'alliage d'aluminium. L'amorçage et la propagation de la corrosion ont fait l'objet d'études expérimentales locales in situ à l'interface fibre/matrice ainsi que d'une modélisation semi-analytique. Il est mis en évidence que la corrosion s'amorce perpendiculairement à l'axe de la fibre puis se propage parallèlement à son axe le long de l'interface et par dissolution des carbures d'aluminium. Ces mécanismes locaux ont été comparés aux mécanismes globaux qui prennent en compte l'architecture fibreuse du composite. Une simulation par éléments frontières de la dissolution anodique a permis de proposer des solutions pour améliorer le comportement en service de ces matériaux composites.

Le choix des composites unidirectionnels carbone/époxy a été adopté pour entrer dans la conception des réservoirs de stockage de gaz sous haute pression, carburant plus propre que ceux provenant des produits de raffinerie en terme d'émissions de gaz polluants. Toutefois, l'utilisation des matériaux composites étant récente et malgré l'effort de recherche entrepris, leur tenue à long terme soulève de nombreuses questions tant fondamentales que technologiques. La technique de l'émission acoustique s'est avérée très tôt comme un moyen prometteur de détection des endommagements au sein des matériaux composites. Cette étude se propose d'apporter les moyens théoriques nécessaires pour développer et appliquer une méthode de contrôle et de qualification de réservoirs composites bobinés carbone/époxy par la méthode de l'émission acoustique. A la lumière des techniques d'homogénéisation et des calculs multiéchelles sur composites rendus possibles par l'accroissement de la puissance des calculateurs, et à l'aide de tout ce savoir passé, nous proposons de montrer toute la pertinence d'une technique expérimentale basée sur l'émission acoustique pour réaliser l'expertise en cours d'utilisation d'une structure en composite unidirectionnel. Plus précisément, après avoir établi l'émission acoustique comme moyen expérimental d'expertise et de qualification de réservoirs à gaz haute pression en composite utilisés sur les bus, nous allons valider cette méthode. Pour ce faire, nous allons modéliser les mécanismes à l'origine de l'accumulation de ruptures de fibres à l'échelle des constituants (échelle qui distingue la fibre de la matrice) pour reconstruire la courbe d'émission acoustique des événements (ruptures de fibres) à l'aide d'un calcul multiéchelle effectué sur la structure industrielle. Ensuite, nous proposerons une méthode de contrôle et de qualification. L'objectif industriel visé au final est l'industrialisation de ce protocole permettant de quantifier l'endommagement accumulé au cours de l'utilisation et dès lors de prédire la période acceptable de service du réservoir avant l'arrêt de son utilisation.

Dans le domaine aéronautique les structures sont soumises à de la fatigue sonique due aux phénomènes aéro-acoustiques. Le dimensionnement statique actuel des avions composites couvre les cas de charge en fatigue. Mais avec le besoin de toujours plus réduire la masse de l’avion et l’augmentation des connaissances dans le comportement matériau, les marges statiques vont être réduites dans un futur proche et la propagation par fatigue deviendra un enjeu majeur. Il sera donc nécessaire d’évaluer la possibilité de propagation d’un délaminage dû à une erreur de fabrication ou un impact dans une structure composite. Dans ce contexte, une méthode a été proposée pour étudier la propagation de délaminage sous chargement vibratoire. Tout d’abord, des essais de caractérisation de la propagation de délaminage sous chargement vibratoire ont été mis en place et validés pour les deux principaux modes de rupture. Les effets induits par la fréquence élevée de sollicitation, auto-échauffement induit et vitesse de chargement élevée, ont été pris en compte dans la mise au point et le traitement de ces essais. Ensuite, des outils numériques ont été développés pour permettre la simulation d’une structure délaminée sous chargement vibratoire et l’étude de la propagation du délaminage. A l’aide des approches expérimentales et numériques mises en place et des données matériau identifiées, l’analyse a pu être conduite sur un cas réel de structure aéronautique. Un essai de fatigue vibratoire sur une structure de reprise de plis a ainsi été réalisé. L’évolution du délaminage pendant l’essai est représenté de façon satisfaisante par le modèle numérique. / Because of their lightness, stress adaptive design and strong stiffness, composite materials are more and more used in aeronautics. Aeronautical structures are submitted to vibrations during their service life due to aerodynamic turbulent flow around the structure. The current static design of composite aircraft covers fatigue loading cases. But with the need to more and more lighten the structure, and the knowledge increase in material behavior, the static reserve factors will be reduced in the near future and sonic fatigue will become a major issue. It will be necessary to evaluate the possibility of a delamination propagation in a composite structure due to a manufacturing error or to an impact. In this context, a method has been proposed to study the propagation of a delamination under vibratory loading. Firstly, tests to characterize the propagation of delamination under vibration loading have been developed and validated for the two main failure modes. The effects induced by the highfrequency loading, self-heat generation and high speed loading, were considered in the elaboration of these tests and in the data reduction. Then, numerical tools have been developed to allow the simulation of a delaminated structure under vibratory loading in order to study the delamination propagation. Using experimental and numerical approaches and the material data identified, the analysis could be conducted on a real case of aircraft structure. A vibration fatigue test on a ply-drop structure has been achieved. The evolution of delamination during the test is adequately modelized by the numerical model.

La mise en œuvre des préimprégnés unidirectionnels à fibre de carbone et résine époxyde est une étape fondamentale pour la conception de pièces structurales aéronautiques. Elle influe directement sur la qualité de la pièce et notamment sur la quantité de défauts poreux qu’elle renferme. Ainsi, deux phénomènes de création de la porosité ont été identifiés expérimentalement : l’un mécanique, l’autre thermodynamique. Une fois créés, ces défauts peuvent être extraits hors de la pièce si le marouflage et le cycle de polymérisation favorisent cette évacuation gazeuse. Les effets sur la porosité de la température et de la pression imposées pendant la réticulation de la résine sont modélisés en prenant en compte les phénomènes thermo-diffuso-mécaniques entre la résine et la bulle de gaz. Un protocole expérimental reposant sur l’analyse d’image a été développé afin de quantifier le plus précisément possible le taux volumique de porosité, ainsi que leurs tailles et leurs localisations. / Long fiber reinforced epoxy matrix composite laminate manufacturing process is divided into several stages. The most critical one is the polymerization stage. If not optimized, defects in the bulk material such as voids can occur. The aim of this work is to investigate the void formation and evolution processes in order to improve the thermoset laminates quality in minimizing the void ratio. Two phenomena causing void formation have been identified. The first is the mechanical entrapment of gas bubbles between prepreg plies during the lay up. Second is a thermodynamical one. Solvents and humidity absorbed by the prepreg during its manufacturing can be evaporated by increasing the temperature. Then, it has been shown that the vaccum bag lay up permeability in combination with the vaccum pressure could favour the gas washing out. In parallel, thermo-mechanical and diffusion models are coupled to obtain an accurate void size prediction along temperature and pressure applied during the polymerisation. In fact, these two parameters induce variations of the gas bubble radius inside resin. The first experimental results seem to validate qualitatively the calculated void size behaviour. Indeed, hydrostatic pressure imposed during polymerization plays a very important role on gas bubble shrinkage. Finally, a new experimental setup using image analyses has been developed to measure as accurate as possible the volume void ratio. Under specific conditions, stereology allows to extrapolate 2D results to 3D ones. Void ratios obtained with this method are in good agreement with acid digestion results. Complementary morphometric studies on void shapes have given new information about the heterogeneous void distribution in the specimen and also on the statistical void size distribution versus polymerization conditions.

Les ouvrages du génie civil ont une durée de vie limitée, et plusieurs d’entre eux nécessitent aujourd’hui une réparation, voire une reconstruction partielle. Ainsi le domaine des réparations et des renforcements en béton connaît depuis une dizaine d’années, une croissance importante dans le secteur du bâtiment et des travaux publics. Plusieurs études ont montré que le retrait et le fluage peuvent mener à de sévères problèmes liés à la durabilité. En effet, ces phénomènes peuvent être à l’origine de la fissuration, et même plus rarement de la ruine de l’ouvrage. Cette thèse a pour objectif d’étudier le comportement au retrait et au fluage d’éléments renforcés. Ce travail est divisé en deux parties principales. Dans la première partie, nous effectuons une étude expérimentale sur des éléments renforcés. Nous nous intéressons, dans la deuxième partie,à la modélisation du séchage afin de prévoir les transferts hydriques au sein du matériau, et le retrait de celui-ci. L’étude expérimentale vise à étudier l’effet du renforcement sur le comportement différé d’éprouvettes en mortier normalisé. L’approche théorique et numérique permet d’analyser les transferts hydriques et la diffusion de l’humidité au sein du matériau, et de calculer ainsi les déformations différées. Les essais expérimentaux montrent que le renforcement avec des matériaux composites réduit considérablement la déformation au fluage, mais n’apporte pas d’amélioration quant au retrait de séchage. / The works of civil engineering have one limited life span, and several of them require a repair today, even a partial rebuilding. Thus the field of the concrete repairs and strengthening knowssince ten years, a considerable growth in the sector of the building and public works. Several studies showed that the shrinkage and creep can lead to severe problems involved indurability. Indeed, these phenomena can be at the origin of cracking, and even more rarely of the ruin of the work. This thesis aims to study the shrinkage and creep behaviour of strengthened elements. This work is divided into two principal parts. In the first part, we carry out an experimental study on strengthened elements. We are interested, in the second part, to the modelling of drying in orderto envisage the hydrous transfers within material, and the shrinkage of this one. In the experimental study, we are interested to the strengthening effect on the differed behaviour of mortar specimens. The theoretical and numerical approach allows to analyze the hydrous transfers and the diffusion of humidity within material, and thus to calculate the differed deformations. The experimental tests show that the strengthening with composite materials reduced considerably the creep strain, but does not make improvement as for the shrinkage ofdrying.