De nos jours, l'industrie microélectronique utilise des fréquences de fonctionnement plus élevées dans les composants commercialisés. Ces fréquences entraînent des températures de fonctionnement plus élevées et limitent donc l'intégrité et la durée de vie des composants électroniques. Cependant, les besoins actuels nécessitent des dispositifs miniaturisés et de haute densité de puissance. De ce fait, la dissipation thermique dans les composants microélectroniques s’avère capitale. Ainsi, des drains thermiques sont utilisés pour évacuer la chaleur produite par le fonctionnement du composant. Les drains thermiques actuels sont composés de métaux, tels que le cuivre et l’aluminium, présentant des conductivités et des coefficients de dilatation thermiques élevés. Néanmoins, les coefficients de dilatation thermique des différents matériaux présents dans un circuit peuvent induire des contraintes thermo-mécaniques aux interfaces et engendrer une défaillance des composants après plusieurs cycles de fonctionnement. Dans ce contexte, nous proposons de remplacer ces drains métalliques par un système composite à matrice cuivre renforcée par du carbone, sur lequel est déposé un diffuseur thermique sous forme de diamant. Ces composites Cu/C présentent des propriétés thermo-mécaniques adaptatives pouvant palier aux contraintes induites durant l’utilisation des composants. Le transfert optimal des propriétés dans les MMC est souvent compromis par l'absence de liaison chimique interfaciale, en particulier dans les systèmes non réactifs telsque Cu/C. Cependant, pour un assemblage thermiquement efficace, l'interface devrait permettre un bon transfert de charges thermo-mécaniques entre les matériaux. L'objectif de cette étude est de combiner les propriétés exceptionnelles du diamant et les propriétés thermo-mécaniques adaptatives des MMC. Les composites à matrice de cuivre renforcés au carbone sont synthétisés à l'aide d'un processus dit semi-liquide pour obtenir des gradients de composition et des propriétés optimisées d'interface matrice - renfort. Par conséquent, des éléments d'alliage sont insérés dans le matériau pour former des interphases de carbure à l'interface Cu/C. Le film mince de diamant est obtenu par dépôt chimique en phase vapeur assisté par laser. Cette méthode de dépôt permet d’agir sur la qualité du film ainsi que sur l’adhésion avec le substrat composite. Finalement, une importance particulière est portée à l’influence des interfaces sur les propriétés thermiques tant au sein du matériau composite (interface matrice – renfort), qu’au sein de l’assemblage film diamant – MMC.Ces travaux ont été menés dans le cadre d’un accord franco-américain de cotutelle de thèse entre l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de l’Université de Bordeaux, en France, et le département d’Ingénierie Electrique de l’Université du Nebraska-Lincoln, aux Etats-Unis. Ils ont été financés, en France, par la Direction Générale de l’Armement (DGA), et par l’équivalent Américain aux Etats-Unis. / Today, the microelectronics industry uses higher functioning frequencies in commercialized components. These frequencies result in higher functioning temperatures and, therefore, limit a component’s integrity and lifetime. Until now, heat-sink materials were composed of metals which exhibit high thermal conductivities (TC). However, these metals often induce large coefficient of thermal expansion (CTE) mismatches between the heat sink and the nonmetallic components of the device. Such differences in CTEs cause thermomechanical stresses at the interfaces and result in component failure after several on/off cycles.To overcome this issue, we suggest replacing the metallic heat sink materials with a heat-spreader (diamond film) deposited on metal matrix composites (MMCs), specifically, carbon-reinforced copper matrices (Cu/C) which exhibit optimized thermomechanical properties. However, proper transfer of properties in MMCs is often compromised by the absence of effective interfaces, especially in nonreactive systems such as Cu/C. Therefore, the creation of a chemical bond is ever more relevant. The goal of this research was to combine the exceptional properties of diamond by means of a thin film and the adaptive thermomechanical properties of MMCs. Carbon-reinforced copper matrix composites were synthesized using an innovative solid-liquid coexistent phase process to achieve designed composition gradients and optimized matrix/reinforcement interface properties. In addition, the lack of chemical affinitybetween Cu and C results in poor thermal efficiency of the composites. Therefore, alloying elements were inserted into the material to form carbide interphases at the Cu/C interface. Their addition enabled the composite’s integrity to be optimized in order to obtain thermally efficient assemblies. The diamond, in the form of a thin layer, was obtained by laser-assisted chemical vapor deposition. This process allowed action on the film’s phase purity and adhesion to the substrate material. Of particular importance was the influence of the interfaces on thermal properties both within the composite material (matrix-reinforcement interface) and within the diamond film-MMC assembly. This work was carried out within the framework of a Franco-American agreement between the Institute of Condensed Matter Chemistry of the University of Bordeaux in France and the Department of Electrical Engineering at the University of Nebraska-Lincoln, in the United States. Funding, in France, was provided by the Direction Générale de l’Armement (DGA), and by the American equivalent in the United States.

Les packagings d’électronique embarquée sont actuellement en alliages d’aluminium. A partir d’une étude de sélection des matériaux, complétée par une simulation numérique thermique,nous avons démontré qu’un matériau composite constitué d’une matrice aluminium et de fibres de carbone à forte conductivité thermique, représente un fort potentiel de gain de masse sur ces équipements. Cependant, le couplage de ces deux matériaux génère des problèmes d’élaboration en raison d’incompatibilités fortes parmi lesquelles un mouillage très faible du carbone par l’aluminium liquide et une réactivité chimique élevée qui conduit à la formation de carbures d’aluminium préjudiciables pour le matériau final. Deux voies d’élaboration distinctes ont été envisagées : Une voie liquide où l’utilisation d’un agent de mouillage (un sel fluoré) a permis d’obtenir la montée par capillarité du métal dans des mèches de fibres. Une voie solide basée sur une technique originale d’empilements de feuillets d’aluminium et de fibres de carbone avec le procédé de Spark Plasma Sintering (SPS). .La seconde technique s’est révélée prometteuse en permettant d’obtenir des échantillons multicouches sans porosités, un endommagement très limité des fibres et une architecture contrôlée.Notre étude a montré que la formation de carbures d’aluminium est limitée. De plus, une meilleure compréhension du SPS ou l’application d’un revêtement sur les fibres devraient permettre d’éviter la formation de ces carbures. Les tentatives de caractérisations mécanique et thermique effectuées sur ces échantillons donnent un premier aperçu de l’efficacité du renforcement de l’aluminium par les fibres de carbone. / Embedded electronic packagings are currently made of aluminum. A first study – basedupon a material selection method completed by numerical analysis – showed that a metal matrixcomposite made of aluminum and highly thermal conductive continuous carbon fibers represents ahigh potential upon weight savings for those equipments. Though, coupling these componentsrepresents numerous challenges due to their incompatibility such as a really low wetting of carbonliquidaluminum system and its unavoidable chemical reactivity that leads to the formation ofaluminum carbides that are harmful for the final material. Two manufacturing routes were considered: A liquid route using a wetting agent (fluorinated salts) led the metal to rise alongcarbon fibers by capillarity. A solid route based upon a novel technique of aluminum foils and carbon fibersstacking using the Spark Plasma Sintering (SPS) process.This second technique revealed to be very promising and allowed to obtain multilayer samples with noporosities, highly limited fiber damages and controlled composite architecture. Our study shows thataluminum carbides formation is limited. Moreover, a deeper comprehension of SPS process or thedeposit of fiber coatings would prevent this carbide formation. Attempts of mechanical and thermalcharacterization led upon such samples give a first overview of the efficiency of the aluminumreinforcement by carbon fibers.

Un composite à matrice métallique et à renfort particulaire de carbure de titane (25vol.%) produit par la société Mecachrome par métallurgie des poudres est l’objet de cette étude. Le process industriel suit trois étapes : broyage à haute énergie des poudres d’acier et de carbure de titane (TiC) ; consolidation de la poudre composite par extrusion ou consolidation isostatique à chaud (HIP) ; traitements thermiques d’austénitisation. Les principales évolutions concernent la taille de particule, la taille de cristallite, le paramètre de maille et la composition chimique du renfort TiC. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés uniquement sur l’évolution du renfort (les évolutions de la matrice sont développées dans le travail de M. Mourot). Afin de caractériser les particules de TiC à chaque étape du process, nous avons mis en place une procédure de dissolution chimique sélective de la matrice acier. Le TiC ainsi « extrait » de la matrice a ensuite été caractérisé de façon méthodique par microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique en transmission (MET), diffraction des rayons X (DRX) et analyse chimique élémentaire. Ces techniques ont permis de révéler des changements importants indiquant des interactions physico-chimiques durant les étapes d’élaboration du composite. Ces évolutions du renfort et l’étude thermodynamique des systèmes C-Fe-Ti et C-Fe-O-Ti ont permis de proposer les mécanismes réactionnels à prendre en compte lors de l’élaboration du composite acier/TiC / Steel metal matrix composites reinforced with titanium carbide particles (25 vol% ) can be industrially produced by a solid-state process including three main steps: mechanical alloying by high energy milling of steel and titanium carbide powders; consolidation of the powder mixture thus obtained by hot forging, hot extrusion or hot pressing at 1050-1250°C; heat treatment of the resulting composite material. During each of the three steps, the TiC reinforcing particles are submitted to severe mechanical shocks or stresses. Moreover, they can chemically react with impurities of the gas phase during milling or with the steel matrix during consolidation or further heat treatment. As a result, changes are likely to occur in the grain size, crystallite size, morphology and composition of the particles. The aim of this thesis was to point out and characterize these changes. For that purpose, a procedure was developed to selectively dissolve the metal matrix and extract the TiC particles from the starting powder mixture, from the consolidated composite material and from further heat-treated composite samples. The extracted TiC particles were characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), chemical microanalysis (CMA) and X-ray diffraction (XRD). This revealed important changes indicative of the physical and chemical interaction phenomena that successively proceed during processing of the steel/TiC composite

L'objectif de cette thèse de doctorat est d'étudier expérimentalement et numériquement le comportement thermique des mousses d'aluminium et des matériaux à changement de phase (MCP), présentés sous la forme d’un composite, afin de connaître le phénomène de stockage d’énergie thermique dans ces matériaux. Le procédé de fabrication de la mousse d'aluminium à cellules ouvertes est d’abord analysé numériquement dans le but de réduire les défauts formés durant la fabrication. Les caractéristiques de transfert de chaleur du MCP dans les mousses d'aluminium comportant différentes porosités sont ensuite étudiées en analysant les processus de fusion et la variation de températures dans ces composites. Deux modèles numériques pour la mousse d'aluminium à faible et à haute porosité sont établis afin d’évaluer la performance de stockage d'énergie des composites. Les résultats montrent que la mousse d'aluminium peut améliorer considérablement la performance de transfert de chaleur du MCP en raison de sa conductivité thermique élevée. La performance de stockage d'énergie dépend fortement de la porosité des mousses d'aluminium. Une porosité optimisée met en évidence cette performance et l’amélioration du comportement thermique. La dernière partie de la thèse porte sur une structure améliorée de la mousse par rapport à la structure uniforme: Association de l’ailette métallique et du gradient de porosité de la mousse. Cette nouvelle structure donne ainsi une performance de stockage d'énergie encore meilleure surtout dans le cas d’une source de chaleur isotherme / The objective of this Ph.D. thesis is to study the thermal behavior of the aluminum foam and phase change material (PCM) composite by both experimental and numerical methods in order to know the phenomena of storage of thermal energy in these materials. The manufacturing process of open-cell aluminum foam is firstly analyzed numerically to reduce the manufacturing defects in the samples. The heat transfer characteristics of PCM embedded in aluminum foams with different porosities are then investigated by analyzing the melting processes and the temperature variations in the composites. Two numerical models for low and high porosity aluminum foam are established to evaluate the energy storage performance of the composites. The results show that the aluminum foam can greatly improve the heat transfer performance in PCM due to its high thermal conductivity. The energy storage performance depends strongly on the porosity of the aluminum foam/PCM composite. An optimized porosity highlights this performance and improves the thermal behavior. The last part of this thesis proposes an improved structure of aluminum foam with respect to the uniform structure: Association of the metal fin and the foam with graded porosity. This new structure possesses a better energy storage performance especially in the case of the isothermal heat source

L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'optimiser le processus de fabrication des mousses métalliques et le comportement thermique du matériau de la mousse d'aluminium/matériau de changement de phase (MCP) par des méthodes expérimentales et numériques. Le processus d’élaboration de la mousse d’aluminium à pore ouvert est développé et optimisé pour contrôler précisément les paramètres de fabrication. Deux modèles de mousse d'aluminium à haute porosité (MAHP)/MCP composite et à faible porosité (MALP)/MCP composite sont établis pour la simulation numérique. En simulant le processus de fusion d'un système de stockage d'énergie, les composites MAHP/MCP et MALP/MCP sont comparés numériquement afin d'évaluer la performance de stockage d'énergie thermique. Les résultats montrent que la mousse d'aluminium améliore nettement le processus de transfert de chaleur dans MCP en raison de sa haute conductivité thermique. La porosité des mousses d'aluminium influence non seulement le processus de fusion du composite mais aussi la performance de stockage d'énergie thermique. Grâce à la collaboration avec EPF, une nouvelle méthode d’élaboration des mousses périodiques d'aluminium à pore ouvert est développée dans cette thèse sur la base d’impression 3D. Le comportement thermique des mousses d'aluminium périodiques à pore ouvert/MCP est analysé expérimentalement et numériquement / The objective of this thesis is to study and optimize the manufacturing process of metal foams and the thermal behavior of the aluminum foam/phase change material (PCM) composite by experimental and numerical methods. The manufacturing process of open-cell aluminum foam is developed and optimized to precisely control the parameters of mufacturing. Two pore-scale models of high porosity aluminum foams (HPAF)/PCM composite and low porosity aluminum foams (LPAF)/PCM composite are established for numerical simulation. By simulating the melting process of a layer energy storage system, the HPAF/PCM and LPAFS/PCM composite are compared numerically in order to evaluate the energy storage performance. The results show that aluminum foam improves greatly the heat transfer process in PCM due to its high thermal conductivity. The porosity of aluminum foams could not only influence the melting process of composite but also the energy storage performance. Thanks to the collaboration with EPF, a new manufacturing method of periodic open-cell aluminum foams is developed based on 3D rapid tooling. The thermal behavior of the periodic open-cell aluminum foams/PCM composite is experimentally and numerically analyzed

L’influence des renforts nanoparticules de TiB2 (6 wt.%) sur la précipitation interfaciale de la phase (Zn1.5Cu0.5)Mg, la résistance à la traction et la fissuration sous chargement de fatigue (fatigue crack growth-FCG) des composites à matrice de Al-Zn-Mg-Cu ont été étudiées. Des échantillons de composites ont été obtenus par réaction in-situ pendant le moulage suivi d’un FSP (friction stir processing) et une extrusion à chaud. Seuls les échantillons moulés et extrudés ont été utilisés pour étude de FCG à cause de la limitation de la taille après FSP. Des observations au microscope électronique à balayage (SEM), avec la diffraction des électrons rétrodiffusés (SEM/EBSD) et au microscope électronique en transmission à haute résolution (HRSTEM) ont été réalisées pour caractériser la microstructure.Des échantillons présentent une structure des grains équi-axiaux et des nanoparticules de TiB2 sont distribuées de façon homogène dans la matrice. En état de solution solide, l’interface TiB2/Al est de nature semi-cohérente et très propre. En état de vieillissementou ou sur vieillissement, la précipitation interfacaile hétérogène de la phase (Zn1.5Cu0.5)Mg a été observée. La cinétique de la précipitation interfaciale a été discutée. Les interfaces entre Al/(Zn1.5Cu0.5)Mg/TiB2 sont quasi cohérentes et l’interface TiB2/Al a été renforcée grâce à la réduction de l’énergie de l’interface. Ce mécanisme de précipitation interfaciale peut expliquer l’effet de renforcement de l’interface contribuant simultanement l’augmentation de la résistance et de l’élongation des échatillons de composite.La majorité de nanoparticules TiB2 tentent de s’agglomérer le long des joints de grains dans des échantillons sans FSP. La vitesse de croissance de fissure a été augmentée à l’intérieur des grains avec un facteur d’intensité (ΔK) intermédiaire ou important à cause de l’affinement de grains. Cependant, la vitesse de croissance de fissure a été diminuée aux joints de grains avec (ΔK) faible ou intermédiaire à cause de la présence des clusters de TiB2 tandis que cette vitesse augmente avec (ΔK) important à cause de la coalescence des micropores. / The influences of TiB2 reinforcement nanoparticles (6 wt.%) on the interfacial precipitation of (Zn1.5Cu0.5)Mg phase, the associated tensile and fatigue crack growth (FCG) properties of the Al-Zn-Mg-Cu matrix composites have been studied. The composite samples were produced by in-situ reaction during casting followed by friction stir processing (FSP) and hot extrusion, while only casted and extruded samples were used for evaluating FCG due to size limit of the nugget zone after FSP. Scanning electron microscopy (SEM), electron backscatter diffraction (EBSD) and high-resolution scanning transmission electron microscopy (HRSTEM) were employed for the microstructure characterization.The as-processed composite samples contain the fine equiaxed-grain structure, where TiB2 nanoparticles are homogenously distributed. At solid-solution state, the TiB2/Al interfaces are featured by the clean and semi-coherent nature. At the peak-aged and overaged states, the interface precipitate determined as (Zn1.5Cu0.5)Mg phase was formed, and the underlying heterogeneous interfacial precipitation kinetics was discussed. The Al/(Zn1.5Cu0.5)Mg/TiB2 multi-interfaces were revealed to be almost coherent, and the TiB2/Al interfaces were thus strengthened due to the greatly reduced coherency strains. This mechanism was proposed as precipitation assisted interface strengthening, which has contributed to the simultaneously enhanced tensile strength and uniform elongation of the as-processed composite.The majority of TiB2 nanoparticles tend to aggregate along grain boundaries (GBs) in the composite samples without FSP. The FCG rate is increased inside grains at intermediate and high stress intensity factor (ΔK) ranges due to the refined grain size. However, the FCG rate at the GBs is decreased at the low and intermediate ΔK ranges by fatigue crack deflection and trapping due to the presence of TiB2 clusters, while it increases at the high ΔK range due to microvoid coalescence.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / La fabrication additive (impression 3D) par fusion sélective au laser (FSL) permet de concevoir des pièces de géométries complexes en utilisant une large gamme de poudres métalliques. Cependant, la performance mécanique de ces pièces est affectée par trois facteurs : les porosités, l'anisotropie de la microstructure et les contraintes résiduelles (CR). À ce jour, l'inspection aux ultrasons pour le contrôle immédiat de la qualité des pièces n'a pas fait l'objet d'une étude systématique et complète. Ce projet de recherche a permis de développer des méthodologies aux ultrasons permettant de révéler et de quantifier la présence de défauts dans les pièces métalliques produites par fusion sélective au laser. D'abord, des échantillons d'acier (316L) et de titane (Ti-6Al-4V) de différentes densités, tailles de porosité et orientations granulaires ont été fabriqués en variant la vitesse et l'espacement entre les passes du laser. Ensuite, des échantillons porteurs de différents niveaux de contraintes internes ont été fabriqués en faisant varier la température du lit de déposition. Finalement, tous les échantillons ont été analysés aux ultrasons (vélocité, atténuation et fréquence de référence), ont fait l'objet d'une étude métallographique complète et ont été analysés par rayons X (niveau de CR). Les résultats de ces travaux ont démontré que l'analyse par ultrasons des pièces imprimées par FSL en acier et en titane était possible, et ce avec des fréquences ultrasonores allant de 5 MHz à 20 MHz. L'approche systématique utilisée a permis d'identifier et de quantifier les caractéristiques ultrasonores qui sont modifiées par les défauts métallurgiques présents dans des pièces issues de FSL. De plus, une corrélation a été établie entre les signatures ultrasonores et la masse volumique des échantillons. Cette étude permet de confirmer l'intérêt d'intégrer des pièces étalons issues de la fabrication additive dans le processus d'inspection aux ultrasons de pièces d'acier inoxydable et de titane issues elles aussi de procédés de fabrication additive. / The process of additive manufacturing (3D printing) by selective laser melting (SLM) enables the design of geometrically complex parts from a wide variety of alloys. However, their mechanical performance is impacted by the three following factors: porosity, microstructure anisotropy, and residual stress. Today, ultrasonic inspection for in-situ quality control of 3D-printed parts has not been subject to a systematic and comprehensive study. This project allows the development of a methodology using ultrasounds that reveals and quantifies metallurgic flaws inside parts manufactured by SLM. At first, samples of steel (316L) and titanium (Ti-6Al-4V) were produced by SLM at various densities, pore sizes, and grain orientations. These characteristics were obtained by varying the manufacturing speed and space between each path of the laser. Then, samples with different residual stress levels were produced by varying the build platform temperature. Finally, all the samples were analyzed with ultrasounds (velocity, attenuation, frequency), and were subject to a complete metallographic and X-ray study (residual stress). The results showed that the ultrasonic inspection of steel and titanium SLM parts was possible by using inspection frequencies between 5 MHz and 20 MHz. This systematic method revealed and quantified the ultrasonic characteristics affected by the metallurgic flaws contained in the SLM samples. Correlations between ultrasonic signature and density of samples were revealed. Overall, this study confirms the relevance of preliminary studies with standards made of metal parts produced by additive manufacturing, for the development of ultrasound-based nondestructive inspection procedures adapted to 3D-printed metal parts.

L’étude a pour objectif l’amélioration de la fiabilité des assemblages électroniques à travers la mise en œuvre de drains composites aluminium/fibres de carbone. Le travail a consisté à 1) modéliser, par la méthode des éléments finis, l’influence des propriétés thermiques et mécaniques du matériau de semelle sur l’assemblage életronique ; 2) élaborer (par frittage sous charge uniaxiale, frittage flash et extrusion à chaud) des matériaux composites aluminium/fibres de carbone ; et 3) lier les microstructures observées aux paramètres des procédés d’élaboration ainsi qu’aux propriétés thermiques et mécaniques mesurées. / This study has been done in order to improve power electronic devices reliability using aluminium/carbon fibres composites. This work has consisted in 1) determining, using finite elements method, the thermal and mechanical influence of the electronic base plate material; 2) elaborating (using hot pressing, spark plasma sintering and hot extrusion) aluminium/carbon fibres composites; and 3) linking the microstructures observed to the elaboration parameters and to the thermomechanical properties measured.

Depuis de nombreuses années, la société est de plus en plus consommatrice d’énergie. Cette augmentation va de pair avec les progrès d’accès à l’énergie, une croissance démographique mondiale continue, l’amélioration de la qualité de vie et le développement de nouvelles technologies. D’après l’agence internationale de l’énergie, une hausse de cette consommation de l’ordre de 30% est prévue d’ici 2040. Près de 40% de cette consommation additionnelle pourrait être satisfaite par l’électricité ; ce qui aura un fort impact sur la distribution d’énergie. Pour la société Schneider Electric, spécialiste mondial de la gestion de l’énergie et des automatismes, la distribution d’énergie électrique est principalement assurée par des barres et des fils en cuivre. Ce métal est très largement utilisé pour de nombreux organes de raccordement, appelés objets 2D, qui servent à connecter et déconnecter les appareils. Le principal problème de ces éléments est leur dissipation d’énergie par effet Joule lors du passage du courant électrique. Ce travail de thèse a ainsi consisté à l’élaboration et l’étude d’une nouvelle génération de conducteur électrique et/ou thermique plan (2D) dans l’objectif de palier à ce problème. Pour cela, une nouvelle méthodologie de fabrication de matériaux composites Cu/C 2D a été développée. Elle est composée d’une étape de pré-traitement des poudres, d’une nouvelle technique de mélange et d’une mise en forme du matériau par compression uniaxial à chaud. Différents types de poudres métalliques (cuivre dendritique et cuivre plaquette) et poudres carbonées (graphite, graphène multi-couches, oxyde de graphène) ont été étudiés. L’orientation du renfort au sein de la matrice métallique et l’interface entre ces deux composants ont été optimisées. Cette méthodologie, associée aux caractérisations physico-chimiques des matériaux et à des modèles théoriques, a permis de mieux comprendre les paramètres clés pour l’obtention d’un matériau possédant des propriétés physiques améliorées. Ainsi, les matériaux Cu/C 2D élaborés au cours de cette thèse présentent, suivant le type renfort, une augmentation des propriétés mécaniques (allant de 36% à 120% pour la dureté Vickers), une amélioration de la conductivité thermique (variant de 8% à 56%) et une résistivité électrique cohérente en regard des propriétés du cuivre, matériau de référence. / Since several years, society has become more and more energy-consuming. This increase goes hand in hand with the progress of access to energy, continuous world population growth, the improvement of life quality and the development of new technologies. According to the International Energy Agency, an increase of this consumption of the order of 30 % is planned before 2040. About 40 % of this additional consumption could be satisfied by electricity; what will have a strong impact on the distribution of energy. For the company Schneider Electric, world specialist of the management of energy and automatisms, the distribution of electrical energy is mainly assured by copper bars and wires. This metal is widely used for many connecting organs, called 2D objects, which are used to connect and disconnect devices. The main problem of these elements is their dissipation of energy by Joule effect when passing electric current. Thus, this thesis work consisted in the elaboration and study of a new generation of electrical and/or thermal plane (2D) conductor in the objective to overcome this problem. To this end, a new methodology for manufacturing Cu/2D C composite materials has been developed. It consists of a powders pre-treatment step, a new mixing technique and a shaping of the material by uniaxial hot compression. Various types of metal powders (dendritic copper and copper platelet) and carbonaceous powders (graphite, multi-layer graphene, graphene oxide) were studied. The orientation of reinforcement within the metal matrix and the interface between these two components have been optimized. This methodology, combined with physico-chemical characterizations of materials and theoretical models, provided a better understanding of the key parameters for obtaining a material with improved physical properties. Thus, the Cu/2D C materials developed during this thesis show, depending on the type of reinforcement, an increase in mechanical properties (from 36% to 120% for the Vickers hardness), an improvement in thermal conductivity (from 8% to 56%) and an electrical resistivity consistent with the properties of copper, the reference material.

Les composites à matrice métallique ont été développés dans les années 60 initialement pour les besoins de l’industrie aérospatiale. De nos jours, les alliages d’Aluminium à durcissement structural sont souvent combinés à des particules céramiques afin d’atteindre des propriétés de résistance élevées, maintenues à haute température, tout en conservant la légèreté de l’alliage, pour un coût faible. Cependant, l’utilisation de ces alliages nécessite une bonne connaissance des transformations microstructurales ayant lieu lorsqu’ils sont soumis à certaines conditions de température puisque des phénomènes de précipitation ont lieu et impactent les propriétés de résistance mécanique du matériau. De plus, la présence du renfort, induit des modifications microstructurales majeures et notamment lors des phénomènes de précipitation de la matrice. Ainsi, ces travaux de thèse portent sur un alliage d’Aluminium à durcissement structural de la série 6xxx qui, durant son utilisation, peut être confronté à des températures comprises entre 100°C et 350°C, et ayant une séquence de précipitation complexifiée par la présence de Silicium en excès et de particules de renfort céramiques. Les objectifs visés par ces travaux sont alors : 1) De décrire l’évolution microstructurale de l’alliage d’AlMgSi à excès de Silicium étudié, avec et sans particules céramiques. Ensuite, l’évolution de la résistance mécanique a été caractérisée à partir d’un état T6 lors de traitements isothermes, 2) De prédire ces évolutions microstructurales et les propriétés mécaniques qui en découlent par des modèles à base physique. La précipitation des principales phases de l'alliage étudié a pu être prédite grâce un modèle à champ moyen basé sur des lois classiques de germination-croissance et par une approche par classes de type KWN, en tenant compte : 1) de la compétition entre la phase cohérente et semi-cohérente, 2) d'une morphologie en bâtonnet avec un rapport de forme variable et propre à la phase modélisée. Ce modèle a permis, de tracer le diagramme Temps-Température-Transformation de l’alliage et du composite tout en tenant compte de l'accélération des cinétiques de précipitation en présence de renfort et attribuée à la forte densité de dislocations. Pour finir, 2 méthodes de prédiction des propriétés mécaniques ont été confrontées : 1) Une approche empirique de type JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov), 2) une approche à base physique. Malgré une prédiction proche des résultats expérimentaux par l'approche JMAK, cette méthode ne permet pas de remonter aux mécanismes physiques à l’origine des variations observées. Ainsi, l'approche à base physique basée sur le modèle de prédiction de la microstructure constitue une alternative prometteuse pour une prédiction plus précise des évolutions de propriétés de résistance mécaniques de ces matériaux même si de nombreuses adaptations restent à faire dans le cas du composite. / Precipitation-strengthened alloys as Al-Mg-Si alloys reinforced with ceramic particles are an appropriate alternative for industrial applications. The precipitation sequence in Al-Mg-Si alloys is particularly complex when Silicon is in excess with respect to the Mg2Si composition and it is expected to be modified by the presence of the ceramic reinforcement. This is why, for industrial applications, under certain use conditions, it is fundamental to be able to predict the evolution of the microstructure in the alloy and the consequences on mechanical properties. The present work is devoted to the study of an age-hardenable Al-Mg-Si aluminium alloy which, can be facing temperatures between 100°C and 350°C in use conditions. This material is characterized by a complex precipitation sequence due to Silicon-excess and ceramic particles. The main objectives of the work are the following: 1) To describe how the microstructure evolves in the Al-Mg-Si alloy with silicon excess studied, with or without reinforcement, during a long storage period at a temperature between 100°C and 350°C. Then, it appeared necessary to describe the evolution of the mechanical properties in the same conditions but starting from a T6 state (corresponding to peak aged conditions). 2) To predict these evolutions (microstructure and strength) using an appropriate model. It was highlighted that the high silicon excess in the studied alloy leads to a simultaneous precipitation of several semi-coherent phases. Their precipitation has been predicted thanks to a KWN-type model based on classical nucleation-growth theories, validated by the experiments, and implemented considering: 1) the competitive precipitation between coherent et semi-coherent phases, 2) the rod-shape morphology of precipitates with a variable aspect ratio. This model has been used for the prediction of the Time-Temperature-Transformation diagram of the alloys and its composite considering the acceleration of the precipitation kinetics observed and attributed to the high dislocation density resulting from the presence of ceramic particles. Finally, 2 methods for the mechanical properties prediction have been compared: 1) a JMAK-type empirical approach 2) a physically based approach. The JMAK approach allowed us a quicker and easier prediction of the loss of hardness from the T6 state, for alloy and composite, during isothermal and non-isothermal treatment. Despite a prediction close to the experimental results, this approach cannot give us information about the physical mechanisms responsible for the observed mechanical variations. Then, a physically based approach taking into account the predictions of the precipitation model was used for the yield stress estimation during aging with a micromechanical model. This approach gave encouraging results and could be a powerful tool for the prediction of the strength during industrial use conditions.