L’étude présentée dans ce mémoire se focalise sur l’usinage de moules en matériaux composites, en considérant les problèmes d’état de surface et de gamme d’usinage. Les pièces de structure aéronautiques peuvent être obtenues par les procédés de fabrication de la famille LCM (Liquid Composite Molding). Ce procédé impose une température de fonctionnement élevée qui conduit à une dilatation du moule néfaste à la qualité de la pièce injectée. Pour remédier à ce problème, il est nécessaire de réaliser l’outillage dans un matériau à faible dilatation ou se comportant comme le matériau injecté. Pour cela, un matériau composite (Hextool™) est proposé en remplacement des moules métalliques conventionnels. L’étape d’usinage de forme est indispensable car elle donne les dimensions finales de l’outillage et conditionne le temps de polissage manuel nécessaire pour atteindre la rugosité arithmétique visée. Ce travail propose deux voies d’amélioration à travers l’étude micro-géométrique de l’opération de finition par outil coupant puis par outil abrasif. La première voie met en évidence l’existence d’une valeur minimale de rugosité accessible lors d’un usinage avec un outil coupant. L’analyse de ce phénomène permet de proposer une valeur de prise de passe radiale optimisant le ratio rugosité du moule / temps d’usinage. La deuxième conduit à la définition d’un outil abrasif utilisable sur un centre d’usinage. La faisabilité d’une telle opération et les capacités de cette technologie innovante sont discutées. Enfin, le choix des outils, des stratégies d’usinage et de la machine outil sont discutés et aboutissent à la proposition d’une gamme de référence pour l’usinage d’ébauche et de finition de moules en matériaux composites. / Presented research works deal with the milling of mold in composites materials, considering surface roughness and plan of procedure. Aeronautical structure parts could be produced by LCM (Liquid Composite Molding) processes. These processes induce high operating temperature for mold which is harmful for the dimensional quality of manufactured parts. In order to solve this problem, material with low heat elongation or with the same behavior as injected resin should be used for the mold. Thus, a composite material (Hextool ™) is proposed to replace conventional metallic molds. The milling operation produces the final dimensions of the tool and determines the time of manual polishing operation to reach the required arithmetic roughness. This work offers two ways of improvement through the study of micro-geometric surface finishing operation by cutting tool and then abrasive tool. The first way highlights the appearance of a minimum reachable value of roughness during machining with a cutting tool. The analysis of this phenomenon ensures to give an optimal value of radial depth of cut. Indeed, in this case, the best ratio surface quality / machining time is achieved. The second ensures to define an abrasive tool usable on a CNC machine tool. The feasibility of this operation and capabilities of this innovative technology are discussed. Finally, the choice of tools, machining strategy and machine tool are discussed and lead to the proposal of a reference process planning for composite molds roughing and finishing.

Les travaux réalisés dans cette thèse visent d’une part, à comprendre les évolutions structurales et microstructurales d’un composite à matrice titane et à renforts TiB au cours des différentes étapes d’élaboration par métallurgie des poudres et des traitements thermiques associés, et d’autre part, à établir des relations entre microstructures et propriétés mécaniques pour ce matériau. Les cinétiques de transformations des phases de la matrice et du renfort ont été caractérisées par DRX haute énergie in situ, au cours des différents traitements du cycle de fabrication. Des analyses de la microstructure par MEB, MEB EBSD et MET (EDX et EELS) complètent l’analyse par DRX. Il a été montré que les cinétiques de transformation de la matrice des composites sont fortement affectées (décalage d’environ 300°C vers les hautes températures de la température de transus ß) par le procédé de fabrication. Ce décalage a été associé à un enrichissement en éléments interstitiels dû au broyage mécanique des poudres et aux interstitiels présents dans les renforts TiB2 introduits pour former le TiB. L’étude in situ a aussi précisé la séquence de transformation du diborure de titane en borure TiB–B27 via la formation de la phase métastable TiB-Bf. Les analyses par MEB et MET ont permis d’atteindre et de discuter des évolutions morphologiques et spatiales des phases (matrice et borures) au cours des différents traitements, et de caractériser la composition chimique des borures. Une séquence de transformation du renfort est proposée. Enfin, des matériaux composites ont été élaborés et soumis à divers traitements thermomécaniques. Le lien entre les propriétés mécaniques statiques et les évolutions morphologiques des borures et de la matrice, comme de la texture des phases, a été abordé. Des traitements ont été proposés pour atteindre des propriétés optimales / The work done in this PhD thesis aims at the understanding of, on the one hand, the structural and microstructural evolutions of a TiB reinforced titanium matrix composite during the various steps and treatments of the powder metallurgy route used to produce it, and, on the other hand, the link between the microstructures and the mechanical properties for this material. The phase transformation kinetics, in the matrix and in the reinforcement, were characterised using in situ high energy XRD, during these treatments. Microstructural analysis, using SEM, SEM-EBSD and TEM (EDX and EELS) complete the XRD analysis. The matrix phase transformation kinetics were shown to be highly impacted by the processing route (a 300°C shift toward the high temperatures is found for the ß transus temperature). This shift has been linked with an increase in interstitial elements, coming from the powder mechanical alloying and from the interstitials in the TiB2 powder used to produce the TiB. The in situ study also helped in clarifying the transformation sequence of the TiB2 into TiB-27, via the formation of the metastable phase TiB-Bf. SEM and TEM analysis allowed to get access to and discuss the morphological and spatial evolutions of the phases (matrix and borides) during the various treatments and to characterise the chemical composition of the borides. A transformation sequence has been proposed. Finally, in a last part, composite materials were elaborated and submitted to defined heat treatments. The link between the static mechanical properties and the morphological and texture evolutions in the matrix and in the borides, was discussed. Some treatments were proposed to reach optimum mechanical properties

Cette étude porte sur la mise en œuvre par infusion d'une nouvelle génération de renfort spécialement dédiée aux procédés LCM (Liquid Composite Molding) pour la réalisation de pièces composites. Par l’expérimentation et la simulation numérique, l’objectif de ces travaux est de comprendre et maîtriser les paramètres de fabrication afin de définir des outils de modélisation et de simulation représentatifs voir prédictifs du procédé. La caractérisation des paramètres du procédé et de la santé matière finale des pièces ont ainsi permis de définir l'échelle de modélisation et les phénomènes physiques devant être simulés. La stratégie numérique adoptée repose sur un couplage fort entre les équations de Stokes et de Darcy dans un cadre de grandes transformations et où les interfaces sont représentées par des Level-Set. Ce couplage modélise l'écoulement dans la préforme fibreuse assimilée à un milieu poreux homogène équivalent (modèle de Darcy) et l'écoulement dans les drainants (modèle de Stokes). Un modèle de Terzaghi réalise le couplage fluide-solide en représentant l'action du fluide sur le renfort via sa pression hydrostatique. L’évolution du taux volumique de fibres et de la perméabilité du milieu sont ainsi actualisés dans les différents problèmes. La confrontation des simulations numériques aux caractérisations expérimentales mettent en évidence qu'un effort important doit être réalisé dans la compréhension, la définition et la caractérisation de la perméabilité. Sur les renforts de l'étude, la question même de la représentation et de l'homogénéisation d'écoulements locaux complexes à travers la seule notion de perméabilité est à poser. / This study deals with the manufacturing by infusion of a new high performance fibrous reinforcement solution developed for LCM (Liquid Composite Molding) composite materials manufacturing processes. Combining simulations with experimentations, the aim of this work is to understand and control the process parameters in order to develop accurate simulation tools. Involving specific experimental plan and protocols combined with in-situ monitoring technologies this study points out the physics and length scales challenging the process simulation. The numerical strategy considered in this works is based on a strong coupling between a Stokes and Darcy model undergoing large strains and where interfaces are represented and managed by a Level-Set method. At the process scale, the fluid mechanics problem describes the resin flow through the distribution medium and then through fibrous preforms assimilated to porous medium. A key feature of our approach is the fluid-solid interaction leading to couple a fluid/porous flow with a non-linear solid mechanic problem. The interaction phenomenon due to the resin flow in the orthotropic highly compressible preform is based on both Terzaghi’s law and explicit relations expressing permeability as function of porosity. Some numerical simulations are presented and compared to the experimental characterizations. The results point out the the first necessity to work on the permeability comprehension, definition and characterization. Applied to the specific reinforcements of the study, the representation of the complex local flows and their homogenization through this single permeability notion can also be questionable.

Les aubes de turboréacteurs sont aujourd’hui sujets à de nouvelles technologiques novatrices : les matériaux composites tissées 3D. Ces modifications matériaux permettent des réductions de masse significatives, et conduisent à des performances énergétiques et environnementales accrues. Ces structures tissées possèdent généralement des architectures complexes et requièrent une bonne caractérisation mécanique. Des outils de modélisation textile et d’homogénéisation ont été développés, la géométrie et les propriétés physiques de l’architecture tissée y sont analysées. Toutefois, il est important de prévoir les endommagements engendrés dans ces matériaux au niveau des zones de contact soumises à du fretting. En effet, les pieds d’aubes de turboréacteurs font face à des sollicitations de type fretting. Il en résulte deux types d’endommagements : l’amorçage et propagation de fissures et l’usure des surfaces en contact. Quantifier ces endommagements requiert une analyse fine du contact à partir d’un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Pour mener à bien cet objectif, un code semi-analytique permettant aujourd’hui de traiter des problèmes hétérogènes de contacts élasto-plastiques est développé. La méthode d’inclusion équivalente proposée au sens d’Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour décrire l’effet des hétérogénéités (cavités, inclusions, fibres ou torons). L’un des corps en contact peut contenir de multiples hétérogénéités de formes parallélépipédiques, ellipsoïdales, et ses formes dégénérées (ellipsoïde oblate, ellipsoïde prolate, sphère, cylindre, disque plat,...). Cette méthode est modifiée et améliorée afin de prendre en compte les influences mutuelles entre les inclusions hétérogènes voisines, et la décohésion à l’interface hétérogénéité/matrice. Un premier couplage avec un modèle de contact aube/disque Eléments Finis permet de prendre en compte les effets de structures. Cette méthode est analogue à un zoom structural lorsqu’un maillage fin est nécessaire dans des zones de contact à fort gradient de contraintes soumises à un endommagement de type fretting. Un second couplage avec le logiciel WiseTex permet de décrire la géométrie réelle du tissage du composite, les propriétés matériaux des fibres et de la matrice. Une segmentation fine du modèle permet de discrétiser les mèches en de multiples hétérogénéités ellipsoïdales équivalentes et d’appliquer la méthode d’inclusion équivalente modifiée. A partir de cette mise en donnée d’un matériau composite tissé revêtu, des calculs de contact tridimensionnel multiéchelle en situation de fretting sont réalisés avec succès. / New baseline turbofan engines feature advanced blade technology made of 3D woven composites for a significant reduction in weight and an increase in energy and environmental performance. Woven structures generally have complex architectures wich require high level of mechanical model. Modeling textile and homogenization tools have been developed to provide precisely the geometry and physical properties of the woven architecture. However, it is important to predict the damage mode under contact zone which are subjected to fretting. Indeed, the blade roots of turbofan engines are damaged by fretting phenomenon. Fretting modes generate two kinds of damage : (i) the initiation and propagation cracks, (ii) wear on contact surfaces. Quantify these two kinds of damage requires a detailed contact analysis from a robust and fast contact solver. In order to reach this goal, a semi-analytical solver allows to solve heterogeneous elasto-plastic contact problems. Equivalent inclusion method in the sense of Eshelby allows to describe accurately the effect of inhomogeneities (cavities, inclusions, fibers or strands). Only one of contact bodies contains multiple heterogeneous of cuboïdal and ellipsoidal shapes, and their degenerated forms (oblate spheroid, prolate ellipsoid, sphere, cylinder, flat disk,...). This method is modified and improved in order to take into account the mutual influence between neighboring heterogeneous inclusions and decohesion at the interface heterogeneity/matrix. A first coupling with a finite element model of blade/disk contact allows to take into account the effects of structure. This method is analogous to a structural zoom when structural fine mesh is necessary within areas of high contact stress gradient subjected to fretting. A second coupling with the software WiseTex allows to describe the geometry of the actual weaving of the composite, the material properties of the fibers and the matrix. A fine segmentation of the numerical model allows to discretize reinforcements to multiple equivalent ellipsoidal heterogeneities and to apply the modified equivalent inclusion method. Three-dimensional simulation of frictional contact model are successfully completed from these data of a coating woven composite.

Les matériaux composites prennent une place de plus en plus importante dans la conception et la fabrication des moyens de transport et notamment dans le domaine naval où ils sont particulièrement privilégiés. En effet, ces matériaux sont utilisés pour leur légèreté, insensibilité à la corrosion et leurs caractéristiques mécaniques. Dans le domaine militaire, où l'optimisation des moyens de communication et de protection électromagnétique est primordiale, le développement de matériaux composites dotés de propriétés de reconfigurabilité sous commande(s) externe(s), présente un atout opérationnel majeur pour les parois structurales exploitant ces matériaux. Afin d'explorer cette voie, DCNS et l'Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes (IETR, UMR-6164) se sont associés. Les travaux de thèse engagés ont pour objectif d'étudier et de développer des matériaux composites présentant des fonctions de reconfigurabilité applicables aux systèmes navals tels que les radômes, les antennes et exploitables pour répondre aux problématiques de furtivité (SER). Une première étude a permis d'explorer les matériaux à base de carbone, présentant une potentielle agilité de leurs caractéristiques diélectriques sous actuateur électrique. Ces matériaux présentent également un fort pouvoir absorbant électromagnétique, tributaire des propriétés diélectriques, elles-mêmes potentiellement reconfigurables. La seconde étude engagée a étudié l'impact des matériaux ferroélectriques, c'est-à-dire des matériaux reconfigurables sous champ électrique, lorsqu'ils sont intégrés comme charge dans une résine d'imprégnation. Ce nouveau matériau composite présente alors une reconfigurabilité de ses caractéristiques diélectriques, rendant commandable en fréquence sa structure hôte. Une troisième étude, exploitant aussi le matériau ferroélectrique a permis l'obtention d'une reconfigurabilité des caractéristiques de réflectivité de panneaux composites grâce au développement de surfaces sélectives en fréquence reconfigurables. De nouvelles propriétés ont ainsi été mises en évidence en hyperfréquences. Enfin, les matériaux d'âmes et spécifiquement les nids d'abeilles diélectriques ont fait l'étude d'une fonctionnalisation pour des applications DC et hyperfréquences. / Composite materials are used for their lightness, high resistance to corrosion and high mechanical properties over large application areas, such as naval, ground and aerial. Collaboration between DCNS group and the Institute of Electronics and Telecommunications of Rennes (IETR, UMR-6164) has been initiated to develop smart composite materials with tunable properties at microwaves. Three different routes have been investigated during the thesis work. The first one is based on carbon composite material, its electromagnetic absorbing ability and its potential dielectric tunability. For this, we develop composite materials loaded with various carbon particles (carbon nanotube, graphene, black carbon). Next, to elaborate smart composite materials, a ferroelectric material has been used as filler. The dielectric characteristics of such materials can be tuned under external biasing for example. Thus we develop an active composite material under various external actuators for naval application, and especially for new reconfigurable frequency selective surface (RFSS). Finally dielectric honeycomb materials have been specifically elaborated and studied to develop smart properties for DC and microwave applications. During this work, three different prototypes improving composite materials in naval area have been performed: reconfigurable radome, RCS reduction, and antenna isolation.

La raréfaction des ressources fossiles non renouvelables et le dérèglement climatique font de la question énergétique un enjeu d’envergure mondiale. L’exploitation de nouvelles sources d’énergie renouvelable devient alors un objectif de première importance. L’énergie produite à partir des courants marins suscite depuis quelques années un intérêt particulier. Le concept de turbine sous-marine, appelée hydrolienne, désigne le dispositif permettant de convertir l’énergie cinétique des courants marins en énergie électrique. Ce travail de recherche traite les problématiques que pose la conception des hydroliennes à axe horizontal. Il sera mis en évidence que le monde des hélices marines présente une piste intéressante pour l’étude du comportement hydrodynamique des hydroliennes. Certains concepteurs d’hydroliennes avancent que l’ajout d’un système de carénage est favorable pour améliorer le rendement hydrodynamique. L’étude du gain hydrodynamique à encombrement constant que pourrait procurer l’ajout d’un carénage a donc été choisie comme point de départ de ce travail de recherche. Pour répondre au besoin des industriels lié à une problématique de gain de masse, les matériaux composites présentent un atout considérable en raison de leurs excellents rapports «masse/résistance» et «masse/rigidité». Une réalisation d’un carénage en matériaux composites présentant le meilleur ratio «puissance/masse» a été obtenue. Un carénage d’hydrolienne est de par sa position particulièrement confronté à des chocs. Ceci peut s’avérer très délicat car la structure composite en question est soumise à des sollicitations sévères liées à l’environnement marin. L’impact sur un carénage d’hydrolienne a été traité en détail dans ce travail de recherche. / Against the backdrop of the increasing scarcity of non-renewable fossil resources and climate change, the energy problem has become a worldwide issue. Hence, the exploitation of new renewable energy sources becomes a worldwide goal of primary importance. The concept of the underwater turbine, called tidal current turbine, designates the device which allows the conversion of the kinetic energy produced by marine currents in electric energy. This research study examines the problems related to the design of horizontal axis tidal current turbines. The present study shows that the world of marine propellers, sometimes entirely left out by the designers of tidal current turbines, presents an interesting avenue of research with regard to the hydrodynamic behaviour of tidal current turbines. Certain designers of tidal current turbines use a duct and hold that the addition of the duct contributes to the improvement of the hydrodynamic performance. Therefore, the study of the hydrodynamic benefits of ducted turbine using a constant overall cross-section than the bare turbine was the starting point of the present research work. In order to meet the needs of the manufacturers of tidal current turbines, which is generally linked to a problem of mass gain, composite materials present a considerable asset on account of their excellent «mass/resistance» and «mass/rigidity» relations. A structural design of ducted tidal current turbines using composite materials has therefore been examined. Hence, the design of a composite duct which yields the best «power/mass» ratio has been proposed. The duct of the tidal current turbine is especially confronted by the impacts due to its particular position. The impact damage aspect has also been examined in detail in the present research study.

L’utilisation des matériaux composites devient de plus en plus importante dans les structures aéronautiques de nouvelle génération. Le gain de masse engendré, et donc de carburant, pousse les constructeurs aéronautiques à les employer de façon optimale. Néanmoins, ces matériaux se dégradent rapidement lorsqu’ils sont soumis à des flux de chaleur importants, entraînant une perte de leur résistance mécanique. Ce problème peut être dramatique pour la sécurité des passagers car la tenue de ces nouvelles structures peut ne plus être assurée dans le cas d’un incendie. Les méthodes actuelles de certification de la tenue au feu des matériaux composites aéronautiques reposent principalement sur l’utilisation de moyens expérimentaux, dont les résultats ne sont représentatifs que des conditions particulières dans lesquelles les essais ont été réalisés. La compréhension des différents phénomènes thermiques, chimiques et mécaniques intervenant lors de la dégradation de ces matériaux, avec l’appui de simulations numériques et d’expériences, peut permettre d’améliorer les méthodes existantes et donc d’optimiser les futures structures aéronautiques dès la phase de conception.Cette étude s’est attachée à développer et valider un modèle thermo-chimique de dégradation des matériaux composites multi-dimensionnel et multi-constituants. Ce modèle permet de traiter des cinétiques de dégradation complexes suivant plusieurs réactions de décompositions et de prendre en compte le transport des gaz produits depuis leur formation jusqu’à leur évacuation hors du matériau. L’utilisation de lois d’homogénéisation avancées est proposée afin de rendre compte des effets des transformations sur les transferts de chaleur et de masse se produisant au sein du matériau. L’application du modèle thermo-chimique à un cas de dégradation sous flux thermique connu mais non-uniforme dans un environnement contrôlé permet de confronter les résultats de simulation aux mesures expérimentales et ainsi de valider l’approche multi-constituants adoptée. Enfin, l’étude numérique de la dégradation d’un composite soumis à une flamme met en avant l’effet des gaz de décomposition éjectés à l’interface sur le flux thermique pariétal échangé. / Composite materials are increasingly used in new generation aircraft structures. Mass and as a consequence fuel savingsencourage aircraft manufacturers to use them optimally. However, these materials can degrade quickly when exposed tosignificant heat fluxes, resulting in a loss of mechanical strength. This problem can be dramatic for passenger safety asmechanical resistance of such innovative structures can not be ensured in case of fire events. Current certification methodsof fire resistance of aeronautical composite materials are mainly based on experiments, that are only representative of thespecific conditions under which they were carried out. The understanding of thermal, chemical and mechanical phenomenaoccurring during the decomposition of these materials, with the support of numerical simulations and experiments, can helpimproving existing methods and optimizing the future aeronautical structures from the design chain. This study deals withthe development and validation of a multi-components and multi-dimensional thermo-chemical model of decomposing compositematerials. It can deal with complex degradations following several decomposition reactions as well as transport ofpyrolysis gases from their formation up to their ejection out of the material. The use of advanced homogenization laws isproposed to account for the chemical transformations on heat and mass transfers occurring in the material. The applicationof the thermo-chemical model to a laser degradation study under known but non-uniform heat flux in a controlled environmentallows to confront the simulation results with experimental measurements and thus validate the multi-componentsapproach. Finally, the numerical analysis of a decomposing composite material submitted to a flame highlights the effectof emitted decomposition gases on the exchanged parietal heat flux.

Dans les systèmes des télécommunications, beaucoup d’études ont été entreprises pour intégrer des composants passifs non réciproques. Le bon fonctionnement des circulateurs exige souvent des aimants volumineux et lourds qui assurent une orientation uniforme des moments magnétiques du matériau ferrite. Pour tendre vers l’intégration et la miniaturisation des circulateurs, les nanotechnologies peuvent offrir des solutions intéressantes. L’objectif de cette thèse a été de développer un circulateur coplanaire auto-polarisé. L'approche choisie est fondée sur la réalisation de substrats composites à «nano-fil ferrimagnétiques». Elle consiste à faire un dépôt par magnétophorèse ou dip-coating de nanoparticules de ferrite de cobalt dans des membranes d’alumine poreuses et de les orienter sous champ magnétique de manière uniforme. Des substrats composites magnétiques ont été fabriqués à partir de nanoparticules CoFe2O4 dispersées dans une matrice sol-gel de silice en utilisant la technique de Dip-coating avec et sans un champ magnétique appliqué. De nombreuses études ont été faites afin d'étudier le comportement magnétique et diélectrique de ces substrats : VSM, polarimétrie spectrale, MFM et autres. Les cycles d'hystérésis montrent une forte différence des valeurs des champs coercitifs (μ0Hc) et rémanents (Mr/Ms) si, durant la fabrication, un champ magnétique est appliqué ou non, démontrant ainsi l'orientation (ou non) des nanoparticules. Ce nano-composite est un candidat intéressant pour la fabrication de circulateurs même si la concentration et l’orientation des particules sont insuffisantes. Des circulateurs ont été conçus, modélisés et simulés à l'aide du logiciel HFSS. Suite à des résultats de simulation intéressants; un premier prototype a été fabriqué et caractérisé en hautes fréquences. Les résultats de mesure ont montré un phénomène de circulation, qui reste très faible en raison du faible pourcentage de nanoparticules magnétiques dans le composite et de leur orientation imparfaite. Les verrous technologiques ont été clairement identifiés et ne permettent pas, pour l’instant, de réaliser un circulateur opérationnel / In telecommunications systems, many studies have been undertaken to integrate non-reciprocal passive components. The proper functioning of circulators often requires large and heavy magnets that ensure a uniform orientation of the magnetic moments of the ferrite material. To work towards the integration and miniaturization of circulators, nanotechnology can offer interesting solutions. The aim of this thesis was to develop a self-biased coplanar circulator. The approach is based on the production of composite substrates "ferrimagnetic nanowire." It consists in a magnetophoresis or a dip-coating deposition of cobalt ferrite nanoparticles in porous alumina membranes and orienting them in a magnetic field uniformly. Magnetic composite substrates were made from CoFe2O4 nanoparticles dispersed in a matrix of silica sol-gel using the dip-coating technique with and without an applied magnetic field. Many studies have been made to study the magnetic and dielectric behavior of these substrates: VSM, spectral polarimetry, MFM and others. The hysteresis loops show a strong difference in the values of coercive fields (μ0Hc) and persistent (Mr / Ms) if, during the fabrication, a magnetic field is applied or not, therefore showing the orientation (or not) of nanoparticles. This nano-composite is an interesting candidate for the fabrication of circulators even if the concentration and the particle orientation are insufficient. Circulators were designed, modeled and simulated using the HFSS software. Following the interesting results of simulation; a first prototype was fabricated and characterized at high frequencies. The measurement results showed a circulation phenomenon, which is very low due to the small percentage of magnetic nanoparticles in the composite and their imperfect orientation. Technological barriers have been clearly identified and do not allow for the time to achieve an operational circulator

L'emploi de matériaux composites dans le domaine du Génie Electrique est actuellement un sujet de recherche en plein essor, notamment pour des considérations d’économie d'énergie. Les composites magnétiques doux (SMC - Soft Magnetic Composites) intègrent les propriétés de leurs différents constituants. Ils sont conçus pour présenter une perméabilité élevée et avoir une faible densité de pertes par courants de Foucault (EC - Eddy Current) par comparaison aux structures plus classiques comme l'acier laminé. Néanmoins, la détermination des propriétés électromagnétiques des SMC n’est pas aisée. Une approche classique est d’appliquer les outils numériques tels que la méthode des éléments finis (FEM - Finite Element Method) pour obtenir une description complète du SMC. Cependant, la microstructure doit être finement maillée, ce qui représente un fardeau numérique significatif et des instabilités dans l'approche par FEM. Pour surmonter cette restriction, les méthodes d'homogénéisation semi-analytiques sont appliquées. Ce travail consiste d'abord à développer un modèle de perméabilité complexe pour SMC. La perméabilité magnétique et les pertes EC sont intégrées respectivement comme les parties réelle et imaginaire de la perméabilité complexe. La perméabilité magnétique effective macroscopique peut s’obtenir par des estimations classiques en homogénéisation. Une détermination correcte de la perméabilité effective, i.e. la partie réelle de la perméabilité complexe, est cruciale pour une estimation précise de pertes EC. Les formules de pertes EC sont dérivées pour des SMC à microstructure périodique dans les cas 2D et 3D. En outre, différentes approches s’appuyant sur différentes moyennes du champ magnétique permettent d’obtenir des limites inférieures et supérieures pour l’estimation des pertes EC dans les SMC. La perméabilité complexe ainsi obtenue est ensuite appliquée à une structure de transformateur. Le champ magnétique et la répartition des pertes EC peuvent être obtenus sur le transformateur équivalent (homogénéisé). Les résultats sont comparés aux calculs en champ complet du transformateur hétérogène. Un bon accord est observé. Enfin, on étudie l'effet des contraintes mécaniques sur la perméabilité magnétique et les pertes EC des SMC, ce qui conduit à une formule couplée de la densité de pertes EC en fonction de la contrainte macroscopique et du champ magnétique. / Composite materials have been widely used in Electrical Engineering, and they have stimulated a growing number of scientific research, especially when it comes to energy savings. Soft Magnetic Composites (SMC) incorporate the attributes of different constituents. They can be designed to exhibit high permeability and to dissipate low Eddy Current (EC) losses compared to more conventional structures such as laminated steel. Nevertheless, electromagnetic properties of SMC are not easily determined. Numerical tools such as finite element method (FEM) are usually employed to provide a full-field description of SMC. As the microstructure has to be finely meshed, it brings significant numerical burden and instabilities. To overcome this restriction, semi-analytical homogenization methods are adapted and applied here. They consist in developing a complex permeability model. In the complex permeability model for SMC, the static magnetic permeability and EC losses are integrated respectively as the real and imaginary part of the complex permeability. Classical estimates are applied to determine the macroscopic effective magnetic permeability. A correct determination of the effective permeability, i.e. the real part of the complex permeability, is crucial for the estimate of EC losses. EC losses formulas are derived for SMC with periodic microstructure in 2D and 3D cases. Furthermore, different approaches of field averaging are employed to obtain lower and upper bounds on the EC losses in SMC. The complex permeability model is then applied to analyze a transformer structure. The magnetic field and EC losses distribution can be obtained on the equivalent homogenized transformer. The results are compared to the full-field calculations on the heterogeneous transformer. A good consistency is observed. Finally, the effect of mechanical stress on the magnetic permeability and loss property of SMC is studied, which leads to a coupled formula of EC loss density as a function of macroscopic stress and magnetic field.

L'objectif de cette recherche est d'établir des mécanismes de formation de la structure des systèmes hybrides organique-inorganique à base des oligomères uréthane et silicates en fonction de la réactivité de la composant organique, d'identifier l'impact de l'organisation structurelle du OIS obtenue sur leurs propriétés électriques et thermomécaniques, de sorption et de l'activité du capteur. La signification pratique des résultats est la détermination de l'impact de la réactivité composant organique sur la structure des systèmes hybrides polymère organique-inorganique avec la possibilité d'obtenir des matériaux avec des propriétés spéciales prévisibles. Les résultats peuvent être utilisés comme base scientifique pour comprendre l'interconnexion de la structure, les propriétés et les moyens de leur régulation en direction de systèmes hybrides polymère organique-inorganique. La sensibilité très élevée pour les différents types de solvants, qui, combiné avec une haute sélectivité, a été révélé pour les systèmes de synthèse, la possibilité de leur utilisation pratique en tant que matières capteur existe. / The aim of the research is to establish mechanisms of structure formation of hybrid organic-inorganic systems based on urethane oligomers and silicates, depending on reactivity of organic component, to identify the impact of structural organization of OIS obtained on their electrophysical and thermomechanical properties, sorption and sensor activity.The practical significance of the results is the determination of the impact of organic component reactivity on the structure of hybrid organic-inorganic polymer systems with the possibility of obtaining of the materials with predictable special properties. The results can be used as scientific basis for understanding the interconnection of structure, properties and ways of their directional regulation of hybrid organic-inorganic polymer systems. Whereas, the extremely high sensitivity to different types of solvents, which combined with the high selectivity, was revealed for the synthesized systems, the possibility of their practical use as sensor materials exists.