La thèse qui fait l'objet de ce mémoire s'est déroulée dans le cadre de la collaboration entre le laboratoire et un groupe industriel. Elle traite de deux thèmes reliés par la problématique de l'utilisation de matéiaux cellulaires métalliques dans la construction. Les matériaux alvéolaires sont très appréciés pour leur propriété d'absorption d'énergie, qui est principalement caractérisée par leur domaine de résistance. Nous proposons un modèle analytique rigoureux, basé sur des techniques d'homogénéisation, permettant de prédire ce domaine de résistance pour une géométrie quelconque de structures cellulaires périodiques. Après validation, nous utilisons ce modèle pour étudier l'influence de défauts d'uniformité et de symétrie de distribution de la matière le long des parois des cellules. Ces travaux menés sur des cellules bidimensionnelles et tridimensionnelles conduisent à conclure que la non-uniformité modifie considérablement la taille et la forme du domaine de résistance, mais que la non-symétrie a une incidence plus faible. La fissuration réflective est une dégradation caractéristique des chaussées semi-rigides. Elle est due à la propagation jusqu'à la surface des fissures de retrait des assises traitées aux liants hydrauliques. Parmi les différents procédés existants pour retarder cet endommagement, nous nous intéressons aux solutions de type interfaces, souples ou rigides, insérées entre les assises et la couche de roulement. Lorsqu'elles sont rigides, elles se présentent sous forme de grilles et permettent de renforcer la couche supérieure puis de ponter les fissures. Nous avons mis en évidence qu'il était nécessaire de développer un essai à une échelle intermédiaire par rapport aux tests existants. Nous avons conçu cet essai en se basant sur la reproduction dans l'éprouvette, de variations de fonctions particulières calculées dans une chaussée.

Les matériaux cellulaires telles que les mousses polymériques sont souvent employés dans des applications de protection et de sécurité passive grâce à leur grande capacité spécifique d'absorption d'énergie et leur facilité de mise en oeuvre. Afin d'optimiser l'utilisation de ces matériaux, il est nécessaire de fournir des données fiables aux codes de calculs numériques pour simuler le comportement de ces matériaux notamment dans des conditions de crash. Il est donc indispensable de caractériser expérimentalement le comportement de ces matériaux au plus proche des conditions réelles qu'ils peuvent subir, tel que des chargement de type impact, à commencer par ceux que l'on peut reproduire objectivement en laboratoire. Ainsi, une barre d'Hopkinson viscoélastique de compression a été développée pour atteindre des grandes vitesses de déformation (de 1000 à 3000 s^(-1), et une roue à grande inertie pour des chargement à des vitesses de déformation moindres (de 100 à 500 s^(-1) . L'emploie de ces dispositifs a permis de montrer la sensibilité de ces matériaux à la vitesse de déformation et à la densité sur leur phase de comportement plateau. Puis, ces mêmes essais réalisés dans de l'eau ont mis en évidence l'importance que prend le gaz contenu dans les cellules lors de sollicitations de compression dynamiques. Enfin, une modélisation par éléments discrets a été mise en oeuvre afin de modéliser le comportement de ces matériaux à l'échelle microscopique. Cette approche "discrète" a permis de mieux appréhender les phénomènes qui régissent le comportement de ces matériaux lors de leur compression. Les premiers résultats issus de ces simulations ont mis en évidence les principaux mécanismes responsable de la localisation des déformation lors de leur compression et ont permis d'identifier qualitativement le rôle de la microstructure sur le comportement de ces matériaux.

Les matériaux cellulaires font l'objet de beaucoup de recherches du fait de leurs remarquables propriétés. Celles-ci proviennent de la structure interne du matériau, dans lequel des inclusions cellulaires sont compactées dans une matrice solide. Comprendre et contrôler l'organisation des cellules dans la phase continue est donc primordial pour pouvoir contrôler les propriétés finales du solide poreux. L'influence des propriétés d'objets sur leur organisation dans un volume a souvent été étudiée pour des systèmes granulaires durs monodisperses, où la friction entre deux grains implique que l'arrangement global sera désorganisé, ou pour des systèmes mous comme les bulles dans les mousses aqueuses, où la très faible friction aux interfaces conduit à un empilement organisé et compact de sphères. Une question importante est de comprendre comment s'empilent des objets déformables présentant de la friction à l'interface. Pour répondre à cela, nous nous intéressons ici à un système modèle de gouttes de PEG (polyéthylèneglycol) dispersées dans une phase continue de PDMS (polydiméthylsiloxane). La coalescence entre les gouttes est empêchée grâce à une réaction à l'interface qui crée un gel de polymère à la surface des gouttes au contact avec le PDMS. Cette peau de polymères induit de la friction et de l'adhésion entre les gouttes. Pour étudier l'influence des propriétés de la peau sur la sédimentation des gouttes, nous caractérisons la fraction volumique finale sous gravité grâce à la tomographie sous rayons X. Nous montrons que la présence de friction et d'adhésion à l'interface induit une organisation non-conventionnelle des gouttes en comparaison avec celle d'émulsions stabilisées par des tensioactifs. Nous examinons ensuite les propriétés mécaniques et adhésives des émulsions solides, composées de gouttes liquides dans une matrice solide, avec un test de probe-tack. Nous étudions l'impact de la taille ainsi que de la densité de gouttes sur l'augmentation des dissipations d'énergie dans le volume. / Macro-cellular polymers are highly searched-for materials thanks to their rich physical properties. These arise from the internal structuration of the material, in which discrete cells of gas or liquid are tightly packed within a continuous polymeric solid. The size and organization of these cells have an important influence on the overall material properties. The influence of the properties of spheres on their final packing morphology has led to numerous studies usually dealing with either hard frictional or soft frictionless grains, which are the two extremes of the spectrum of possible systems. An important question remains as to what happens for systems which are in-between these extremes, i.e. highly deformable grains presenting a frictional surface. To tackle this problem, we work with a model system of ultra-stable emulsions which consist of PEG (polyethyleneglycol) drops which are dispersed in a continuous phase of PDMS (polydimethylsiloxane). Coalescence of the drops is prohibited by a reactive blending approach which creates a solid-like skin around the PEG drops upon contact with the PDMS. This skin creates adhesion and friction between the drops. To study the influence of the skin properties on the sedimentation of the drops, we characterize the final drop packing under gravity using absorption contrast X-Ray. We show that the presence of friction and adhesion at the interface makes the liquid drops pack unconventionally regarding density and organization compared to classic surfactant stabilized emulsions. We then investigated the adhesive properties of the solid emulsions i.e. elastomers containing liquid drops in their substructure, using a probe-tack test. We studied the impact of the drop size and density on the increase of the bulk's dissipations of energy which enhance the adhesive properties of the material.

Dans cette thèse, nous avons étudié, dans une première partie, l'effet d'onde de choc dans les matériaux cellulaires (mousses, nids d'abeilles et sphères creuses). Une nouvelle technique expérimentale originale avec les barres de Hopkinson pour étudier l'effet d'onde de choc dans de tels matériaux complètée par une mesure locale et par la modélisation éléments de tels effets sont présentées. Dans la seconde partie, nous avons mis en place une nouvelle technique de la mesure de la perforation dynamique en utilisant aussi la technique de la mesure avec les barres de Hopkinson : la perforation inversée. Cette technique permet de rendre possible de comparer directement l'histoire de force vs déplacement dynamique avec la quasi statique.

Les travaux de cette thèse s’intéressent au comportement mécanique d’une mousse destinée à l’absorption d’énergie dans une assise de siège pilote. Les méthodes de caractérisation habituelles proposent de solliciter le matériau suivant une seule direction. Cependant, cette caractérisation ne permet pas d’être représentatif des sollicitations lors de l’utilisation de l’assise, qui sont multiaxiales. Cette étude s’intéresse donc à la caractérisation du comportement multiaxial d’une mousse. L’approche originale utilisée est une séparation du comportement en deux contributions: changement de volume (pression-volume) et de forme (distorsion-cisaillement). Un premier moyen d’essais de compression hydrostatique a été développé afin de caractériser le changement de volume. Les résultats mettent en évidence une forte influence de la contribution en changement de volume, lors d’une sollicitation de compression uniaxiale. Un deuxième moyen d’essais a été développé permettant d’appliquer des sollicitations radiales suivant un angle cinématique ϑε, imposant une proportion de volume et de distorsion. Les résultats montrent une forte influence de l’angle cinématique sur les comportements des contributions de changement de volume et de forme. D’autres sollicitations impliquant de la compression et du cisaillement d’une manière séquentielle ont montré une influence du niveau de volume sur le comportement en changement de forme. Enfin, un modèle de simulation 2D par assemblage d’éléments finis 1D, montre une bonne représentation des différents comportements des contributions de changement de volume et de forme obtenus expérimentalement. / This thesis is focused on the mechanical behavior of foam designed to absorb energy in an airplane pilot seat cushion. Usually, these materials are characterized using uniaxial compressive test. Nevertheless, this uniaxial characterization doesn’t represent the real in-use loading of cushion. To complete these data, this work focuses on multiaxial behavior characterization of foam. The analysis of behavior is realized by using a separation into two contributions linked to the volume (pressure-volume) and the shape (distortion-shear) change. A hydrostatic testing system was developed with the aim to characterize the volume change behavior. Results highlight a strong influence of the volume change behavior during an uniaxial compression solicitation. A second testing system was developed allowing to apply radial solicitations following a kinematic angle, which imposes a non-proportional variation of volume and distortion. A kinematic angle influence is observed on the volume and shape change behavior. Other solicitations composed of compression and shear applied in a sequential way, permit to observe a volume influence on the shape change behavior. Finally, a 2D simulation model composed of 1D element composition shows a good representation of the volume and shape changes behavior obtained from experimentation.

Ce travail porte sur l'incorporation de nanorenforts biosourcés, c'est-à-dire des nanofibrilles de cellulose (NFC), dans les matériaux composites à matrice polymère et les mousses. Ces nouveaux matériaux biosourcés peuvent par exemple être utilisés pour la conception de structures sandwich. L'étude à caractère expérimental, théorique et numérique s'articule autour de trois axes visant à optimiser tant les procédés d'élaboration que les propriétés en service de ces matériaux.Dans un premier temps, la rhéologie des suspensions concentrées de NFC, fluides à seuil thixotropes, a été étudiée aux échelles macro- et mésoscopiques en utilisant un dispositif original de rhéométrie couplé à des mesures de champs cinématiques par vélocimétrie ultra-sonore. Nous montrons ainsi que l'écoulement des suspensions de NFC est fortement hétéro-gène et présente des glissements aux parois, de multiples bandes de cisaillement couplés avec des écoulements de type « bouchon ». Sur la base de cette étude, un modèle rhéolo-gique multi-échelles est proposé. Ce modèle tient compte d'une part de l'architecture aniso-trope des réseaux connectés de NFC dans ces suspensions, et d'autre part des interactions mécaniques et physico-chimiques aux échelles nanométriques. Il permet de montrer que les interactions colloïdales et hydrodynamiques, ainsi que la tortuosité et l'orientation des NFC jouent un rôle majeur sur la contrainte seuil et sur le comportement rhéofluidifiant de ces suspensions.Dans un deuxième temps, des nanocomposites à matrice polymère ont été élaborés sous forme de films en faisant varier sur une très grande plage la fraction volumique de NFC. En utilisant d'une part des techniques de microscopie (AFM, MEB) et de diffraction aux rayons X, et d'autre part des essais mécaniques (traction, DMA) nous montrons (i) que les NFC ont une orientation plane et s'organisent en réseaux connectés par des liaisons hydro-gènes, (ii) que ces réseaux jouent un rôle majeur sur le comportement mécanique des nano-composites et (iii) que le comportement élastique des nanocomposites est bien en deçà des prévisions données par les modèles micromécaniques de la littérature. De là, nous proposons un modèle multi-échelles alternatif où les principaux nano-mécanismes de déformation sont ceux se produisant dans les parties amorphes des NFC et au niveau des très nombreuses interfaces entre NFC.Enfin, nous avons étudié l'influence des conditions d'élaboration, de la nature et de la con-centration des NFC sur les microstructures (microtomographie synchrotron à rayons X), les propriétés mécaniques (essais de compression) et les micro-mécanismes de déformation (essai in situ en microtomographie) de mousses préparées par cryodessiccation de suspensions aqueuses de NFC. / This study focuses on the use of cellulose nanofibrils (NFCs) as bio-based nano-reinforcement in polymer composites and foams. These renewable materials can be used in place of traditional materials such as for instance to produce sandwich panels. This experi-mental, theoretical and numerical work aims at optimizing the processing of these NFC-based materials as well as their use properties.In the first part of this work, the rheology of concentrated NFC suspensions, that behave as thixotropic yield stress fluids, is investigated at macro- and mesoscales using an original rheo-ultrasonic velocimetry (rheo-USV) setup allowing the local flow kinematic to be obtai-ned. We show that the flow of NFC suspensions is highly heterogeneous and exhibits com-plex situations with the coexistence of wall slippage, multiple shear bands and plug-like flow bands. Using this experimental database, we develop an original multiscale rheological model for the prediction of the rheology of NFC suspensions. The model takes into account the anisotropic fibrous nature of NFC networks as well as colloidal and mechanical interaction forces occurring at the nanoscale. The model predictions prove that colloidal and hydrody-namic interaction forces together with the orientation and the wavy nature of NFCs play a major role on the yield stress and shear thinning behaviour of the suspensions.In the second part of this work, NFC-reinforced polymer nanocomposite films are processed for a wide range of NFC contents. Using advanced microscopy techniques (AFM, SEM), X-ray diffraction and mechanical tests (tensile and DMA tests), we show (i) that NFCs form highly connected nanofibrous structures with in-plane random orientation, (ii) that these connected NFC networks play a leading role on the mechanical behaviour of the nanocompo-sites and (iii) that the elastic properties of nanocomposite films are much lower than those predicted from the micromechanical models of the literature. In light of these observations, we propose an alternative multiscale model in which the main involved deformation nano-mechanisms are those occurring both in the amorphous segments of the nanofibers and in the numerous nanofiber-nanofiber contact zones.Finally, in a third part we focus on the influence of the processing conditions, the suspension type and the NFC concentration on the microstructure (using X-ray synchrotron microto-mography), the mechanical properties (using compression tests) and the deformation micro-mechanisms (using in situ compression test with X-ray microtomography) of various foams prepared from NFC suspensions by freeze-drying.

L'os humain est à la fois un matériau (tissu osseux) et une structure (e.g., le fémur). Les traumatismes engendrent des défaillances (fractures) structurelles évidentes de l'os, mais l'intégrité mécanique de celui-ci peut aussi être atteinte d'une manière insidieuse, et non moins dangereuse, par certaines maladies. Très schématiquement, on peut dire que les traumatismes sont la cause de macrofractures (à la structure-os), et les maladies la cause de microfractures (du matériau-os). Celles-ci se développent progressivement en macrofractures, et si des soins ne sont pas prodigués ou efficaces, l'os perd sa fonction de soutien. Cette thèse concerne essentiellement une des maladies de l'os : l'ostéoporose. Pour traiter cette maladie, et/ou prévenir les macrofractures dont elle est à terme la cause, il faut d'abord en faire le diagnostic. Ce problème est compliqué du fait qu'il s'agit d'une caractérisation (essentiellement mécanique) de matériau vivant et qu'il est impératif que le sondage soit de type non-destructif, surtout si l'examen doit se répéter souvent (notamment pour suivre les progrès d'un traitement). Le travail de cette thèse concerne donc le développement de nouvelles méthodes, et/ou l'amélioration de méthodes plus anciennes relatives à l'évaluation non-destructive (END) d'altérations mécaniques du tissu osseux en rapport avec l'ostéoporose. Comme l'END est aussi un terme employé pour la caractérisation de matériaux inertes, le domaine d'application de ce travail dépasse celui des matériaux vivants.

Ce travail présente des méthodes de caractérisation de la morphologie de structures cellulaire 3D partiellement observées par des images discrètes, ainsi que leur application à la description morphométrique du péricarpe de tomate.<br /><br />Une méthode d'estimation des propriétés géométriques d'un matériau a été développée, dans le cas particulier où la probabilité d'échantillonnage des pixels n'est pas uniforme à l'intérieur de l'image. Elle consiste à exprimer localement les paramètres morphométriques de la structure, et à pondérer chaque contribution par l'inverse de sa probabilité d'échantillonnage. <br /><br />Nous présentons aussi le calcul des probabilité d'échantillonnage dans le cas d'image 3D acquises perpendiculairement à une surface, en nous basant sur des hypothèses simples de régularité de la surface.<br /><br />En vue de comparer la qualité des informations obtenues à partir l'images 2D et 3D, l'estimation de la densité surfacique dans des coupes verticales a été appliquée à des images discrètes.<br /><br />Finalement, nous présentons une démarche complète de caractérisation d'un matériau cellulaire, le péricarpe de tomate. La démarche comprend l'acquisition des images par microscopie confocale, le traitement des images pour segmenter les cellules, et l'application des estimateurs que nous avons développé. Nous pouvons ainsi caractériser la morphologie des particules du péricarpe en fonction de la profondeur.

Les propriétés des matériaux cellulaires dépendent de leur architecture et des défauts de coulée. L'architecture se réfère à la forme et la distribution de la phase solide. Les défauts correspondent à la présence et aux distributions des cavités et d'intermétalliques dans la phase solide du fait de la procédure de fabrication. Deux types de matériaux produits de différentes façons sont étudiés dans cette thèse. D'une part, deux mousses ERG de tailles de pores différentes ont été choisies pour étudier l'effet de la présence des intermétalliques sur la plasticité et l'endommagement. Des tests de micro-traction et des expériences de nanoindentation ont été réalisés sur des éprouvettes extraites de la mousse pour déterminer leur comportement micro-élastoplastique de la phase solide. D'autre part, deux structures ayant la même forme et le même motif répétitif, mais différentes épaisseurs d'entretoises et de nœuds ont été produites par fusion sélective par laser pour étudier aussi la plasticité et l'endommagement. Ce travail de thèse visait à développer une procédure de modélisation par éléments finis générique basée sur les images 3D pour prendre en compte l'effet de la porosité locale et la présence des intermétalliques dans le comportement. Les états initiaux des échantillons ont été numérisés en utilisant des méthodes de tomographie "locale" et "stitching" à haute résolution. Les géométries 3D maillées, la porosité locale et les propriétés élastiques-plastiques de chaque élément ont été directement renseignées à partir des images 3D à haute résolution. Les procédures de déformation et de rupture des échantillons ont été illustrées en effectuant des expériences in-situ/ex-situ couplées à une numérisation tomographique à basse résolution. Des modèles éléments finis conformes à l'image 3D ont été développés pour la simulation des essais de traction/compression et montrent que la prise en compte des hétérogénéités locales de microstructure permet de prédire plus finement le comportement mécanique des structures cellulaires, en particulier dans la rupture. L'étude visait également à déterminer la conductivité thermique d'une mousse ERG hautement poreuse en utilisant des calculs par éléments finis basés sur l'image. Les résultats ont été vérifiés en comparant avec la conductivité thermique mesurée à partir des expériences de plaques chauffées. / The properties of cellular materials depend on their architecture and casting defects. The architecture refers to shape and distribution of the solid phase. Defects correspond to the presence and distribution of cavities or intermetallic particles in the solid phase due to the fabrication procedure. Two types of materials produced by different fabricating routes are studied in this manuscript. On the one hand, two ERG foams with different cell sizes were chosen to study the effect of the presence of intermetallic particles on the plasticity and damage. Micro-tensile tests and nanoindentation experiment were also performed on the struts extracted from the foam to determine their micro elastoplastic behaviour. On the other hand, two structures with the same shape and repetitive pattern but different struts and nodes thicknesses were produced by selective laser melting manufacturing route to study the effect of porosity on plasticity and damage. This PhD-work aimed at developing a generic image-based finite element procedure to take into account the effect of the local porosity and the presence of intermetallic particles into the finite element simulations of the cellular materials. The initial state of the samples was pictured by performing high resolution "local" tomography and "stitching" methods. The 3D geometries were meshed and the local porosity and elastic-plastic properties of each element were directly informed according to high-resolution 3D images. The deformation and fracture procedures of the samples were pictured by performing in-situ/ex-situ experiments coupled with low-resolution tomography scanning. 3D image-based finite element models were developed for the simulation of the tension/compression tests. The microstructurally informed FE models better capture the mechanical behaviour of the cellular structures, especially for the prediction of the fracture. The study also aimed at determining the thermal conductivity of a highly porous ERG foam using image-based finite element calculations. The results were verified by comparing with the measured thermal conductivity from guarded hot plates experiments.