L'emploi des composites bois-plastique (WPC), combinaison de polymères plastiques et de fibres ligno-cellulosiques, se développe considérablement. Cependant, les effets du vieillissement, tels que l'altération de leur couleur ou la perte de résistance mécanique, limite leurs performances lors d'expositions/utilisations extérieures. Des composites produits en Iran, à base de polyéthylène haute densité et de bagasse de canne à sucre, ont été étudiés, notamment les effets de prétraitement des fibres (différents niveaux de délignification), de l'ajout de pigments et d'une finition transparente, ainsi que leurs effets combinés, sur le vieillissement et la biodégradation. Des observations chimiques (spectroscopie NIR, ESR, FTIR), physiques (couleur, rugosité, mouillabilité), mécaniques (vibration, flexion 3 points, indentation) et biologiques (résistance vis-à-vis des champignons et des termites) ont été réalisées sur des échantillons obtenus par extrusion. En général, la délignification réduit les propriétés mécaniques, bien que ne prévenant pas la dégradation ni le changement de couleur dû au vieillissement, excepté lorsqu'elle est combinée à l'addition de pigments auquel cas elle maintient la rigidité dans une certaine mesure. L'ajout d'une finition transparente a montré des résultats très prometteurs : la finition prévient le changement de couleur associé aux photo et biodégradations, et réduit la perte des propriétés mécaniques due au vieillissement. Bien que les champignons et les termites provoquent une dégradation de surface des échantillons vieillis étant donné l'accès plus aisé aux fibres, les composites ont montré une bonne durabilité biologique. Du point de vue méthodologique, la bonne corrélation entre les différents paramètres mécaniques suggère que l'utilisation de méthodes d'essai non destructives basées sur l'analyse modale ou l'indentation est adaptée pour la caractérisation in-situ des composites et pour l'évaluation de leur degré de dégradation.

Le fil conducteur de mon activité de recherche est l'étude des interactions entre le procédé de mise en œuvre, la microstructure et les propriétés des matériaux. Depuis 2004, je me suis concentré sur l'incorporation de nanoparticules inorganiques dans des matrices polymères et des matériaux composites composés d'une matrice et d'un renfort fibreux. Plusieurs mots-clés reviennent régulièrement tout le long de ce mémoire. Ils sont l'ossature de mon travail : * mesure de la morphologie et de la dispersion effectives des nanoparticules après mélange dans une matrice. Elles sont rarement prises en compte. En général on se contente de la taille des particules élémentaires sans tenir compte des phénomènes d'agrégation et d'agglomération durant la mise en œuvre. Les techniques d'analyse d'image peuvent apporter des informations micro et nano-scopiques pertinentes pour expliquer des comportements macroscopiques jugés au premier abord aberrants ; * modélisation des microstructures. L'augmentation des moyens de calcul permet d'envisager des simulations à grande échelle par dynamique moléculaire mais elles sont encore très couteuses. L'utilisation de la mécanique des milieux continus, à une échelle bien en-deçà des hypothèses fondatrices, est une solution alternative et pertinente du point de vue du ratio qualité/temps de calcul ; * comportement sous sollicitations mécaniques. Le but final de ces nouveaux matériaux est l'allègement des structures. Il est donc essentiel de connaître et d'être capable de prévoir leurs comportements sous sollicitations afin d'alimenter correctement les concepteurs de systèmes et de produits intégrant ces matériaux. Les essais mécaniques à l'échelle macroscopique restent aujourd'hui le meilleur moyen de déterminer ces lois de comportement. A ceci s'ajoute le développement d'essais mécaniques originaux nécessaires pour étudier ces matériaux aux structures et propriétés nouvelles.

Les anciennes peintures sur bois représentent une part importante du patrimoine culturel européen. Depuis longtemps, il est connu que les conditions de stockage peuvent entraîner des dégradations et endommagements des panneaux. Une bonne compréhension de l'état actuel des peintures sur bois ainsi que la prédiction de leur comportement dans diverses conditions climatiques est essentielle pour mieux les conserver et les restaurer. De telles analyses peuvent être faites par le biais de la modélisation numérique. Cependant, la modélisation numérique n'est efficace que si les paramètres des matériaux sont proches de la réalité. Dans ce travail, les modifications mécaniques, physiques et chimiques qui se produisent au cours du vieillissement naturel ont été étudiées pour le bois et les couches picturales. La possibilité d'accélérer le vieillissement par des traitements thermo-hydrique a été appliquée avec succès au bois. Une loi de vieillissement du bois a été trouvée pour la résistance radiale et la clarté de la couleur. Malheureusement, une telle loi n'a pas été obtenue pour les couches picturales. Ensuite, un modèle numérique tridimensionnel de comportement hygromécanique des panneaux peints a été développé. La comparaison entre ce modèle et des expériences donne un bon accord. Finalement, une analyse de risques sur une ancienne peinture a montré que des fluctuations normales d'humidité relative ne devraient pas provoquer de dommages dans le support en bois, mais la fissuration de la couche picturale est possible.

Cette thèse porte sur l'adaptation d'essais d'autoéchauffement et d'une méthode de détermination rapide de la limite d'endurance à des stratifiés à matrice époxy renforcée de fibres de carbone haute résistance. L'intérêt pour cette méthode a débuté il y a une vingtaine d'années, mais son utilisation est restée cantonnée essentiellement aux matériaux métalliques. Elle est fondée sur la mesure de la température moyenne en surface d'éprouvette pendant une série de blocs de chargement cyclique d'amplitude croissante. Ces mesures thermiques permettent de déterminer rapidement la limite d'endurance du matériau. Des essais d'auto-échauffement ont été réalisés sur des stratifiés carbone/époxy sous des conditions de chargement de traction/traction et la limite d'endurance de chacun des stratifiés testés a été déterminée en 3 heures à partir des courbes de température. Ces limites d'endurance sont cohérentes avec les résultats de fatigue classique obtenus sur les mêmes stratifiés. L'objectif de cette étude est principalement de comprendre le lien entre l'endommagement d'un stratifié sous un chargement cyclique de quelques milliers de cycles et celui d'un stratifié dont la durée du chargement dépasse plusieurs millions de cycle. L'étude de l'endommagement a été réalisé à l'échelle du stratifié, par le suivi d'indicateurs macroscopiques comme la perte de rigidité ou la déformation résiduelle, mais également à l'échelle du pli élémentaire grâce à des analyses tomographiques. Les mécanismes d'endommagement activés durant les essais d'autoéchauffement sont identiques à ceux que l'on peut observer dans des stratifiés chargés en fatigue.

Le rotomoulage est une technique de transformation des polymères thermoplastiques qui souffre encore aujourd'hui d'un certain empirisme. Depuis de nombreuses années, la simulation du procédé de rotomoulage est considérée comme une nécessité à l'introduction de nouveaux matériaux et à l'élargissement de ses domaines applications. Ces travaux s'inscrivent à la suite de nombreuses études visant à développer un logiciel de simulation permettant de prédire le comportement de la matière en condition de mise en œuvre.L'objectif de cette thèse est de s'intéresser plus particulièrement à la simulation de la phase de refroidissement. Pour cela, il est nécessaire de mettre au point un modèle décrivant la cinétique de cristallisation et pouvant tenir compte des contraintes liées aux conditions thermiques extrêmes dans lequel se déroule le procédé (température, présence d'oxygène, temps de cycle long), lesquelles peuvent avoir une influence sur la thermostabilité du polymère. Dans le cadre de cette étude, le choix s'est porté sur le Polylactide (PLA). Le PLA présente une faible stabilité thermique et une cinétique de cristallisation lente, ce qui facilite l'observation de ces deux phénomènes. Dans un premier temps, la thermodégradation du PLA a été étudiée et un modèle visant à décrire son évolution dans des conditions proches de celles du procédé, a été mis en place. Puis, une étude de cristallisation considérant l'influence de la masse moléculaire et du polymorphisme du PLA, a été réalisée afin de modéliser sa cinétique. Enfin, un couplage des deux modèles a été envisagé dans l'optique de les intégrer à une simulation globale des transferts thermiques impliqués dans le procédé de rotomoulage.

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In many events affecting our civil infrastructure, such as contamination or weathering, it is likely that only the surfaces of the affected building materials will be available for non-destructive measurements. In this work, we describe and analyze surface gas permeability measurements on a variety of natural and engineered building materials using two types of relatively new, non-destructive surface permeameters. It is shown that the surface gas permeability measurements correlate well with each other and could provide rapid estimates of macroscopic gas permeability and degradation of materials due to weathering. It is hypothesized that surface permeability can be used to predict macroscopic wicking of water. The results indicated that macroscopic wicking correlated reasonably well with surface permeability measurements of uniform materials with low permeabilities such as sandstones and clay brick.

In low dimensional systems, electron correlation effects can often be enhanced. This can be vital since these effects not only play an important role in the study of many-electron physics, but are also useful in designing new materials for various applications. Since its isolation from graphite in 2004, graphene, a two dimensional sheet of carbon atoms, has drawn considerable interest due to its remarkable properties. In the past few years, research has moved on from single to bi-, dual- and multi-layer graphene systems, each displaying their own multitudes of intriguing properties. In particular, multi-layer systems that are electronically decoupled, but still coupled via the long-range Coulomb interaction, are very fascinating as they provide an opportunities to study phenomena like excitonic condensates, non-zero band gaps and van der Waals (vdW) interactions. In this thesis, I shall discuss our recent work on two different physical aspects of dual- layer graphene systems under uniaxial strain. Firstly, I shall present results on the vdW correlation energy evaluated, within the Random Phase Approximation, at zero temperature between two undoped graphene layers separated by a finite distance. The correlation energy is obtained for three anisotropic models with variations in the strength of the effective coupling constant. We find that the vdW interaction energy increases with increasing anisotropy and the many-body contributions to the correlation energy are non-negligible. In the second part, I shall talk about the formation of inter-layer electron-hole (excitonic) pairings, caused by the inter-layer Coulomb interaction between two uniaxially strained graphene sheets which are appropriately doped with electrons/holes and our studies of the dependence of strain on the effective interaction. We find that strain, in combination with precise control of the initial momentum can effectively overcome the suppression due to inter-layer screening effects.

Flexible thermal protection systems are of interest due to their necessity for the success of future atmospheric entry vehicles. Current non-ablative flexible designs incorporate a two-dimensional woven fabric on the leading surface of the vehicle. The focus of this research investigation was to characterize the aerothermal performance of silicon carbide fabric using the 30 kW Inductively Coupled Plasma Torch located at the University of Vermont. Experimental results have shown that SiC fabric test coupons achieving surface temperatures between 1000°C and 1500°C formed an amorphous silicon dioxide layer within seconds after insertion into air plasmas. The transient morphological changes that occurred during oxidation caused a time dependence in the gas / surface interactions which may detrimentally affect the in-flight performance. Room temperature tensile tests of the SiC coupons have shown a rapid strength loss for durations less than 240 seconds due to oxidation. Catastrophic failure and temperature spikes were observed on almost all SiC coupons when exposed to air plasmas at heat fluxes above 80 W/cm2. Interestingly, simulation of entry into the Mars atmosphere using a carbon dioxide plasma caused a material response that was vastly different than the predictable silica layer observed during air plasma exposure.

Σ3{111} coherent twin boundary (CTB) in face-centered-cubic (FCC) metals and alloys have been regarded as an efficient way to simultaneously increase strength and ductility at the nanoscale. Extensive study of dislocation-CTB interaction has been carried out by a combination of computer simulations, experiments and continuum theory. Most of them, however, are based on the perfect CTB assumption. A recent study [Wang YM, Sansoz F, LaGrange T, et al. Defective twin boundaries in nanotwinned metals. Nat Mater. 2013;12(8):697-702.] has revealed the existence of intrinsic kink-like defects in CTBs of nanotwinned copper through nanodiffraction mapping technique, and has confirmed the effect of these defects on deformation mechanisms and mechanical behavior. One of the deformation mechanisms proposed therein, i.e. general hard dislocation slip intersecting with kink line is studied here in detail by molecular dynamics (MD) simulation. Simulations are performed using copper bicrystal models with a particular focus on the interaction of a screw dislocation with 0 degree and 60 degree kinked CTBs. It is found that kink-like defects have a profound impact on screw dislocation - CTB interaction mechanisms, resulting in significant strengthening or softening effects.