Cette thèse a pour objectif la compréhension des phénomènes de transfert de chaleur parconduction et rayonnement, dans les isolants thermiques fibreux du bâtiment, en vue de leuroptimisation. Nous avons étudié trois matériaux fibreux très différents : la laine de verre(matériau minéral), la ouate polyester (matériau synthétique) et la laine de chanvre (matériauvégétal).Dans un premier temps, les propriétés radiatives ont été identifiées par la méthode inversebasée sur les mesures expérimentales de réflexion et transmission hémisphériques etbidirectionnelles. Des échantillons de laine de verre, d’ouate polyester et de chanvre ont étéétudiés en utilisant un spectromètre FTIR. La méthode inverse permet, par le biais d’unmodèle moindres carrés, de déterminer les propriétés radiatives du matériau fibreux : albédo,épaisseur optique et coefficients de la fonction de phase. La conductivité radiative de chaquematériau est déterminée par l’approximation de Rosseland.Ensuite, concernant les propriétés thermophysiques globales des matériaux, des mesuresfluxmétriques ont été réalisées à l’aide d’un dispositif développé au LGCgE de Béthune. Cesmesures ont été comparées aux résultats d’une modélisation numérique basée sur la résolutiondes équations couplées de transfert radiatif et de l’énergie. / This thesis aims to understand the phenomenon of heat transfer by radiation and conductionof thermal building insulators. Three insulating materials were studied in this work: glasswool (mineral material), the wadding polyester (synthetic material) and wool hemp (plantmaterial).At a first step, the radiative properties have been identified by the inverse method based onexperimental measurements of hemispherical reflectance and transmittance and bidirectional.Samples of glass wool, wadding polyester and wool hemp were studied using an FTIRspectrometer. The inverse method allows, by means of a model least squares, thedetermination of the radiative properties of the medium: albedo, optical thickness andcoefficients of the phase function. The radiative conductivity of each material is determinedby the Rosseland approximation.Then, on global thermophysical properties of materials, heat flux measurements wereperformed using a device developed at LGCgE of Bethune. These measurements werecompared with the results of numerical modeling based on solving the coupled equations ofradiative transfer and energy.

Résumé : Ce projet de recherche s'inscrit dans une démarche d'éco-conception de matériaux architecturés à fort potentiel acoustique. On s'intéresse en particulier dans ce travail de thèse à la description des phénomènes de dissipation et de propagation des ondes acoustiques dans un milieu fibreux par une approche multi-échelle et multi-physique. Dans cette étude, il s'agit de décrire les propriétés acoustiques du milieu fibreux à partir d'une description de la géométrie à l'échelle locale de milieux fibreux. Le milieu fibreux est constitué de fibres d'asclépiades, qui sont typiquement des fibres végétales adoptant la forme de longs cylindres. Pour traiter ce problème, la méthodologie employée consiste en quatre étapes principales : (i) caractérisation et modélisation de la géométrie du milieu fibreux; (ii) calcul des paramètres de transport et acoustiques du milieu fibreux reconstruit; (iii) validation expérimentale de propriétés de transport et acoustiques; (iv) évaluation des évolutions de propriétés de transport en fonction des paramètres de la géométrie à l'échelle locale de matériau. En particulier, un modèle isotrope spatialement stationnaire de lignes droites (processus de Poisson) et le tenseur d'orientation angulaire correspondant, constituent des outils de modélisation de la géométrie aléatoire du milieu fibreux permettant de représenter les principales caractéristiques susceptibles d'influencer ses propriétés de transport. Il s'agit ensuite de résoudre les principaux problèmes aux limites gouvernant le comportement acoustique à l'échelle supérieure en appliquant une technique classique d'homogénéisation numérique. On montre dans un premier temps que la méthode développée permet de prédire le comportement en absorption d'un milieu fibreux aléatoire en se basant uniquement sur la description des caractéristiques géométriques du matériau fibreux réel (porosité, rayon de fibres, distributions des orientations angulaires) sans coefficient d'ajustement, validations expérimentales à l'appui. Sur la base de ce travail de reconstruction tridimensionnel, on étudie ensuite systématiquement l'ensemble des phénomènes de transport d'intérêt sur une large gamme de porosité et d'orientations angulaires, de manière à produire des lois qui peuvent être appliquées par la suite par d'autres utilisateurs sur une large gamme de milieux fibreux réels. Finalement, on examine plus particulièrement l'hypothèse classique selon laquelle un milieu fibreux peut être décrit à partir de la moyenne arithmétique du diamètre de ses fibres, afin de cerner les limites de cette approche et ses conditions d'applicabilité lorsque le milieu fibreux présente une distribution étendue de diamètres de fibres ou bimodale. / Abstract : This thesis is concerned with in an eco-design approach for architectured porous materials (fibers made) with high acoustic potential. The project particularly focuses on asclepias (vegetal) fibers and on the description of dissipation and propagation phenomena of sound waves using homogellization techniques. One begins with the characterization of the fibrous medium by scanning electron microscope images from horizontal and vertical cross-sections of a slab of porous sample. Three-dimensional unit cells of the fibrous samples under study are reconstructed with an isotropic model of straight lines (Poisson processes) and by making use of the concept of angular orientation tensor from the previously identified microstructure characteristics (porosity, fiber radii, angular orientation distributions). The transports and acoustic properties are obtamed from numerical computations of unit cell problems (Stokes flow, potential flow and heat conduction) with the Finite Element Method. Validations with experimental data based on permeability and impedance tube measurements are proposed and show a good agreement with the predictive models. The dependence of the effective properties with the geometrical characteristics of the porous microstructure is then analyzed on a large range of porosity (0.75 ÷ 0.09) and explicit relations are provided between the effective acoustic coefficients and the microstructural parameters. The last part of this work is dedicated to the determination of acoustic properties of random fibrous media with bi- and poly dispersed fiber distribution radii. The results are compared with a corresponding mono- dispersed fibrous material (with a single effective fiber radius) which show no significant difference with the initial distributions when the effective radius is small enough. The results of this thesis also point out that an equivalent mono-dispersed fibrous material fails to represent accurately the transport properties of a random fibrous structure when the latter one is described by a fiber distribution radii tending towards a log normal distribution.

L’objectif de ce travail est d’élaborer et de caractériser pour des applications biomédicalesun matériau auto-enchevêtré à base d’une seule fibre d’alliage à mémoire deforme de type Nickel-Titane. Nous avons optimisé un procédé de fabrication consistantà enchevêtrer et figer un ressort par des traitements thermiques. Les échantillonsont été caractérisés en compression et traction, avec suivi par caméra optique ettomographie in-situ. Les structures obtenues sont homogènes, isotropes, superélastiquesà température ambiante jusqu’à des déformations d’au moins 30%, et peuventdevenir ferroélastiques avec un effet mémoire d’au moins 16% par un traitement thermiqueadditionnel. Leur comportement en compression est consolidant puis dilatantet en traction, légèrement auxétique. Une comparaison avec des milieux similairesconstitués de fils ductiles et viscoélastiques, ainsi qu’avec des simulations par élémentsdiscrets sur des milieux élastiques sans frottement, montre que les propriétésmécaniques des structures auto-enchevêtrées sont contrôlées par leur architecturesingulière, à mi-chemin entre milieux continus et discrets. / The aim of this work is to process and characterize for biomedical applications,self-entangled structures made of a single NiTi shape memory fiber. We have optimizeda processing route consisting in entangling and shape-setting a spring bythermomechanical treatments. The samples were characterized in compression andtension, using optical and x-ray tomographic observations. The structures thus obtainedare homogeneous, isotropic, superelastic at room temperature up to strains ofat least 30%, and can become ferroelastic with a shape memory effect up to at least16% strain by an additional heat treatment. The mechanical behavior in compressionis first consolidating and then dilating, while in tension, the samples are slightlyauxetic. A comparison with similar media made of ductile and viscoelastic fibers,as well as with discrete element simulations on friction-free elastic fibers, show thatthe mechanical properties of these self-entangled structures are controlled by theirunique architecture, in-between continuous and discrete media.

L’objectif de ce travail est d’élaborer et de caractériser pour des applications biomédicalesun matériau auto-enchevêtré à base d’une seule fibre d’alliage à mémoire deforme de type Nickel-Titane. Nous avons optimisé un procédé de fabrication consistantà enchevêtrer et figer un ressort par des traitements thermiques. Les échantillonsont été caractérisés en compression et traction, avec suivi par caméra optique ettomographie in-situ. Les structures obtenues sont homogènes, isotropes, superélastiquesà température ambiante jusqu’à des déformations d’au moins 30%, et peuventdevenir ferroélastiques avec un effet mémoire d’au moins 16% par un traitement thermiqueadditionnel. Leur comportement en compression est consolidant puis dilatantet en traction, légèrement auxétique. Une comparaison avec des milieux similairesconstitués de fils ductiles et viscoélastiques, ainsi qu’avec des simulations par élémentsdiscrets sur des milieux élastiques sans frottement, montre que les propriétésmécaniques des structures auto-enchevêtrées sont contrôlées par leur architecturesingulière, à mi-chemin entre milieux continus et discrets. / The aim of this work is to process and characterize for biomedical applications,self-entangled structures made of a single NiTi shape memory fiber. We have optimizeda processing route consisting in entangling and shape-setting a spring bythermomechanical treatments. The samples were characterized in compression andtension, using optical and x-ray tomographic observations. The structures thus obtainedare homogeneous, isotropic, superelastic at room temperature up to strains ofat least 30%, and can become ferroelastic with a shape memory effect up to at least16% strain by an additional heat treatment. The mechanical behavior in compressionis first consolidating and then dilating, while in tension, the samples are slightlyauxetic. A comparison with similar media made of ductile and viscoelastic fibers,as well as with discrete element simulations on friction-free elastic fibers, show thatthe mechanical properties of these self-entangled structures are controlled by theirunique architecture, in-between continuous and discrete media.

Cette thèse se situe à l'interface de plusieurs disciplines, dans le cadre du programme de recherche Silent Wall qui a pour vocation d'élaborer un système isolant acoustique et thermique pour le bâtiment, à base de matériaux fibreux. La problématique d'isolation acoustique étant le fil rouge de ce travail, différents domaines de recherche sont abordés dans l'étude des propriétés microstructurales de ces matériaux. Un matériau fibreux de référence, le Thermisorel, élaboré par procédé papetier à base de fibres de bois, est retenu par le consortium Silent Wall pour ses bonnes propriétés d'isolation phonique et thermique. Des images 3D de ce matériau, réalisées par microtomographie aux rayons X, sont analysées par morphologie mathématique afin de caractériser la microstructure de ses phases fibreuse et porale. Un modèle booléen de cylindres aléatoires permet de simuler un tel matériau fibreux. L'adéquation des mesures morphologiques des milieux ainsi simulés, avec celles du Thermisorel valident ce modèle morphologique. Enfin, les propriétés thermo-acoustiques de cellules périodiques élémentaires microscopiques de milieux fibreux 3D simplifiés et composés de fibres parallèles, sont estimées par éléments finis, afin de relier leurs performances en absorption acoustique, à la taille des fibres et à l'épaisseur de l'échantillon. Après comparaison, les coefficients d'absorption acoustique des milieux fibreux simulés sont en adéquation avec les valeurs expérimentales mesurées sur des échantillons de Thermisorel. Ainsi, notre démarche globale de caractérisation, et de modélisations morphologique et thermo-acoustique à l'échelle de la microstructure, est validée par les propriétés morphologiques et acoustiques de panneaux de Thermisorel, et ouvre la voie à l'optimisation des performances acoustiques macroscopiques de tels matériaux fibreux par modification de leur microstructure.