The current state of the art with regards to the production of metallic foams is reviewed, with melt-based processes identified as the most promising for cost-effective large-scale production. The potential for metal carbonates as an alternative to currently-used titanium hydride foaming agents is explored, with calcium carbonate identified as the most suitable. The influence of a range of material and processing parameters on the stability of metallic foams in the molten state is discussed, and current methods of controlling melt viscosity and surface tension are reviewed. Characteristic features of the compressive deformation of metallic foams are described in the context of use as an impact-absorbing material, with a review of work in the literature linking the bulk mechanical properties to details of the cell structure. Calcium carbonate is found to be a highly effective foaming agent for aluminium. The foams obtained have notably finer cell structures than can be achieved in foams produced with titanium hydride, coupled with enhanced stability in the molten state. This is attributed to the presence of a thin continuous surface film of metallic oxide that counteracts the effect of surface tension. This film, combined with the finer cell structure of the calcium carbonate-based foams, is found to significantly reduce the rate of gravity drainage of the melt. The formation of the thin oxide film during foaming gives rise to a number of artefacts on the cell surface, including stretch marks and tear bands. A range of chemical and surface analysis techniques are used to identify the chemical composition and thickness of the oxide film. The distribution of refractory particles in the cell faces, which are commonly employed to stabilise molten foam structures, is found to be highly non-uniform in foams which undergo significant gravity drainage of liquid metal during the foaming process. Experiments in which the concentration of particles is varied demonstrate the importance of their effect on the melt viscosity in addition to their known role as a surface stabilising phase. The effect of alloy content and foaming gas on the stability of standing molten foams is also investigated in the context of other foaming processes. The formation of an oxide film on the surface of the cells is shown thermodynamically to be a necessary step in the production of low-density aluminium foams with a calcium carbonate foaming agent. A temperature-dependent upper limit on porosity is observed. It is established that this is the result of inhibition of the calcium carbonate decomposition reaction by its products as the thickness of the surface oxide film increases. The effect of varying cell size, porosity and chemical composition on the thickness of the surface oxide film is derived. The rate of thermal decomposition of calcium carbonate is found to be dominated by the partial pressure of carbon dioxide, with particle size and small impurity contents having only a small effect. Compressive mechanical properties of the foams produced are compared with those of foams produced with a titanium hydride foaming agent and theoretical predictions. A reduced cell size apparently minimises the influence of point defects on the properties of specimens of finite dimensions. A significant difference in the shape of the stress-strain curves of calcium carbonate- and titanium hydride-based foams is noted, with the latter marked by extensive serrations. This difference is demonstrated to be independent of differences in cell size. Microstructural analysis of foams in various stages of failure suggests that this is due to differences in the distribution of refractory particles in the two foams, which is in turn a consequence of the reduced extent of gravity drainage of liquid metal in the calcium carbonate-based foams.

La question du stockage de chaleur est non négligeable dans le contexte actuel. L’une des solutions est l’utilisation de matériaux à changement de phase (MCP). Cependant leurs propriétés thermiques restent inadaptées et il est absolument nécessaire d'utiliser un substrat conducteur afin de maximiser le rendement de ces systèmes.L’objectif de cette thèse est la compréhension et la caractérisation des phénomènes physiques mis en œuvre, et l’optimisation de structures architecturés dans de tels systèmes de stockage de chaleur. Une double démarche a été adoptée à la fois expérimentale et numérique sur des structures d’accueil du MCP relativement simples (ailettes) puis plus complexes (mousses ouvertes). Nous avons pu étudier des paramètres géométriques (longueur, porosité, espacement et épaisseur des ailettes, taille de cellules des mousses) de la structure d'accueil, de son matériau constitutif et de son orientation. Les résultats expérimentaux corroborent les simulations numériques menées ce qui a permis de réaliser une étude plus systématique sur les paramètres analysés et notamment d’identifier dans quel cas il fallait prendre en compte la convection naturelle. Enfin à partir de ces résultats nous avons développé un outil permettant d’optimiser des structures pour un cahier des charges défini. / The problematic of heat storage is important in the present context. One of the solutions is to use phase change materials (PCM). Nevertheless their thermal properties are poors and a conductive substracte must absolutely be used in order to maximise the yield of theses systems.The purposes of this PhD are the physics phenomena implementation understanding and characterization, and the optimization of architectured structures for heat storage systems. A dual approach was adopted both experimental and numerical on simple PCM reception structures (fins) and on more complex ones (open foams). We analyzed influences of geometrical parameters (system lenght and porosity, thickness and space betweens fins, cellfoam size) from reception structure, its constituent material and its orientation. Experimental results support well with numerical simulations. This permits to pursue a more systematical study about analyzed parameters, and notably to identify in which cases natural convection has to be taken into account. Finally, from these results, we developped a tool which permits to optimize architectured structures for a defined bill of specifications.

Los materiales porosos están atrayendo mucha atención tanto en la Academia como en la industria por su amplia gama de aplicaciones y potenciales de desarrollo. Debido a sus superiores propiedades intrínsecas y funcionales, se han incrementado los esfuerzos para desarrollar materiales con diferente estructura, tamaño de poro y distribución, con el fin de satisfacer los requisitos en numerosas áreas de aplicación. Se pueden enunciar como ejemplos la gestión del calor, la biomedicina, la filtración, los procesos de separación, el catalizador o el soporte, el almacenamiento, el control acústico, el tratamiento del agua, entre otros. Sin embargo, una parte considerable de la investigación se ha centrado en materiales con una distribución uniforme del tamaño de los poros. No obstante, los estudios actuales sobre materiales multi-porosos indican que, con un diseño metodológico adecuado, es posible adaptar y controlar la microestructura en función de los fines de la aplicación y dar diferentes funciones a cada nivel de porosidad introduciendo diferentes tamaños de poros en la estructura unimodal. Dado que estos materiales multi-porosos bien diseñados (es decir, con distribución bimodal, trimodal y jerárquica) reducen las limitaciones debidas a la difusión con sus distintos niveles de porosidad, son excepcionalmente preferidos en aplicaciones en las que se requiere contener el flujo de fluidos y una elevada superficie. Aunque la atención en el diseño de estructuras multiporosas ha aumentado en los últimos años, los estudios sobre estos materiales multifuncionales ajustables han sido limitados. Esto se debe a que la relación entre la microestructura y las propiedades funcionales es difícil de comprender y controlar. Así pues, el diseño de materiales multi-porosos sigue siendo una tarea difícil en el mundo científico. Teniendo en cuenta la insuficiencia de estudios sobre la síntesis y caracterización de materiales multi-porosos en la literatura, se necesita especialmente la investigación más profunda y detallada de la influencia de los diferentes tamaños de poros en una misma estructura sobre las propiedades funcionales. De acuerdo con este propósito en esta tesis se sintetizaron materiales con porosidad única y múltiple siguiendo métodos de fabricación tanto novedosos como convencionales. Comparando el rendimiento de los materiales con porosidad simple y múltiple, se investigó la influencia de la microestructura en las propiedades y su relación desde diferentes perspectivas. En conclusión, los objetivos específicos de esta tesis son: i) diseñar dos nuevos enfoques experimentales para fabricar espumas metálicas de celdas-abiertas interconectadas multi-porosas utilizando metodologías conocidas y sus combinaciones. ii) demostrar el efecto de la multi-porosidad en un solo cuerpo sobre las propiedades de las espumas fabricadas y demostrar que superan, junto con los nuevos enfoques, a sus homólogos convencionales. iii) presentar nuevos hallazgos científicos y nuevos enfoques sobre la relación entre las propiedades funcionales y estructurales (porosidad, tamaño y distribución de los poros, etc.) mediante una amplia gama de caracterizaciones. iv) Ofrecer metodologías reproducibles de vanguardia para la síntesis de materiales multi-porosos que puedan aplicarse a diferentes tipos de materiales e inspirar futuros trabajos en la comunidad científica. Este estudio de tesis consta de 6 capítulos. El Capítulo 1 explica brevemente la motivación y los objetivos de la tesis. En este capítulo se expone la información sobre los materiales multi-porosos que se pretenden fabricar y el alcance de la tesis. El Capítulo 2 ofrece una introducción a los materiales multi-porosos y sus métodos de fabricación en perspectiva. Se ha realizado un amplio estudio bibliográfico y desde el pasado hasta el presente se presentan los avances y trabajos recientes realizados en la fabricación de estos materiales. En este capítulo se ha prestado especial atención a la producción de espumas metálicas monomodales, bimodales y jerárquicas mediante métodos de replicación, dealeación, plantillas, sinterización y sus combinaciones. En el Capítulo 3 se explican todas las metodologías, montajes experimentales, materiales, parámetros de funcionamiento y maquinaria/dispositivos seguidos en esta tesis sobre la fabricación y caracterización de materiales y se presenta la información teórica relevante. El Capítulo 4, en primer lugar, resume la literatura necesaria sobre la fabricación de espumas metálicas, la infiltración con el método de replicación, las espumas de aluminio y sus áreas de aplicación, y los métodos de caracterización. También se presenta en este capítulo la extensa revisión de la literatura sobre la relación entre las características microestructurales y las propiedades funcionales de los materiales porosos. Se expone cómo, mediante el método de replicación, se fabricaron espumas de aluminio interconectadas de célula abierta con una distribución monomodal y bimodal del tamaño de los poros. Después de la fabricación, se caracterizaron en detalle las propiedades estructurales (densidad, porosidad, distribución del tamaño de los poros, etc.), el comportamiento del flujo de fluidos (caída de presión, permeabilidad, coeficiente de arrastre, regímenes de flujo, etc.) y el comportamiento térmico (coeficiente de transferencia de calor, conductividad térmica) de las espumas. (coeficiente de transferencia de calor, conductividad térmica) de las espumas. El Capítulo 5 presenta un método novedoso para fabricar espumas de plata con eficacia antibacteriana y distribución jerárquica del tamaño de los poros. Para ello, se ha utilizado la combinación de métodos de templado, replicación y dealeación. Con esta combinación y el diseño adecuado de las metodologías se introdujeron micro-, meso- y macroporos en las estructuras de las espumas. Para comparar las propiedades y el rendimiento de las espumas jerárquicas, se fabricaron espumas de plata con porosidad uniforme mediante el método de replicación y el proceso de sinterización, y espumas de plata con solamente nanoporos mediante el método de dealeación. Se llevaron a cabo estudios de caracterización para todas las espumas fabricadas en el sentido de la distribución del tamaño de los poros, la porosidad, la superficie específica, la eficacia antibacteriana, además de la modelización y la estimación de la superficie específica y la distribución del tamaño de los poros. Además de los pasos de las estrategias experimentales, se presentó una información de fondo detallada sobre los principios rectores de los métodos utilizados en este capítulo. En el Capítulo 6 se evaluaron todos los estudios realizados, se resumieron los resultados y las conclusiones, y se presentaron recomendaciones y estrategias para futuros estudios. / Financial support from the Spanish “Agencia Estatal de Investigación” (AEI) and European Union (FEDER funds) through grant MAT2016-77742-C2-2-P. “Santiago Grisolía” grant (GRISOLIA/2017/187) financed by Generalitat Valenciana.

<p>Understanding the behavior of materials with nanoscale features is important because of both the  size  of  engineering  devices  and  the  internal  microstructure  of  more  bulk  materials.  Many electronic  components  have  been  miniaturized  in  recent  years  to  attend  the  high  demand  of technology development. Similarly, new stronger bulk metallic materials use nm-scale grain sizes or  precipitates  to  increase  their  strength  over  more  conventionally  processed  alloys.  Nanoscale testing   also   offers   a   route   for   mechanical   behavior   understanding   at   the   microscale. Nanoindentation  has  been  used  to  find  structure-properties  relationships  of  nanostructured materials due to its high load-depth resolution and versatility of the test. Nanoindentation can be used  to  find  hardness  and  modulus  of  the  materials,  important  characteristics  to  evaluate mechanical  performance.  An  introduction  to  strengthening  mechanism  and  generalities  of nanoindentation is shown in Chapter 1.</p> <p>This thesis explores how traditional strengthening mechanisms for bulk materials, can be  applied  to  nanomaterials  and  how  the  microstructure  could  be  tailored  to  achieve  the  desired outcomes on the specific materials studied. The first one is the study of mechanical properties of Nanometallic  Foams  (NMF)  and  its  relationship  with  the  nanostructure.  NMFs  of  pure  copper, CuNi and CuZn alloys were fabricated and tested to find the predominant structural and chemical parameters  of  the  mechanical  properties.  Research  on  how  to  control  and  tailor  the  structural parameters of NMF with viscosity of the precursors is shown in Chapter 2. The relative density was  the  most  predominant  parameter  among  the  structural  parameters  studied.  However,  when relative density parameter is isolated, NMF  are more susceptible to strengthen by second phase precipitation instead of solid solution. The solid solution strengthening mechanism was validated with  MD  simulation  and  agrees  with  the  experimental  findings  that  showed  the  addition  of  Ni atoms to Cu have a moderate effect on the mechanical properties. Chapter 3 presents these findings The  second  example  presented  shows  the  strengthening  effect  of  precipitates  in  nanometallic multilayer. The precipitation was achieved by aging treatment. High temperature nanomechanical testing is also presented in Chapter 4. The third and final example, presented in chapter 5, shows how  the  second  phase  precipitation  and  dispersion  strengthening  of  lead-free  solder  SAC  305 compares  between  samples  aged  for  nine  years  at  body  temperature  and  an  accelerated  aging treatments.</p>

Ce travail concerne l’étude acoustique théorique et expérimentale des matériaux poreux à squelette métallique, macroscopiquement homogènes et inhomogènes ainsi que l’étude de leurs propriétés mécaniques de comportement au choc pour comparaison. Le modèle acoustique de Johnson -Champoux - Allard s’est montré adapté pour la modélisation acoustique. Ce modèle associé à une approche proposée récemment et utilisant le concept de matrices de transfert en parallèle a permis, dans une nouvelle approche basée sur les “mélanges de matériaux”, d’étudier les matériaux poreux macroscopiquement inhomogènes. Par ailleurs, une étude paramétrique du coefficient d’absorption en fonction de la porosité et de la fréquence a été proposée. Les maxima d’absorption ainsi que l’enveloppe des courbes d’absorption en fonction de la porosité ont été étudiés. En premier lieu, un matériau théorique à propriétés indépendantes a été étudié. Les matériaux réels à propriétés interdépendantes ont ensuite été abordés à l’aide d’un modèle reliant leurs propriétés à la porosité. Enfin, une comparaison entre les propriétés acoustiques et les propriétés mécaniques de comportement à l’impact a été initiée en vue de déterminer un critère objectif permettant de proposer un compromis entre les deux domaines. / This work is concerned with the theoretical and experimental study of the acoustical properties of macroscopically homogenous and inhomogeneous porous media as well as their mechanical response to impacts. The model of Johnson - Champoux - Allard appeared adapted for the acoustical modeling. This model, associated with a recently developed approach involving the concept of parallel transfer matrices has lead to a new approach of macroscopically inhomogeneous porous materials based on “mixtures of materials”. Furthermore, a parametric study of the absorption coefficient as a function of porosity and frequency has been proposed. The maximums of absorption as well as the envelop of the absorption curves have been studied as functions of porosity. First, a theoretical material with independent parameters has been studied. Real materials with nonindependent parameters were then investigated with the help of a model relating their properties to the porosity. Finally, a comparison between the acoustical and mechanical properties has been initiated in view of determining an objective criterion that will allow to propose a trade off between the two fields.

Les mousses métalliques ont connu un essor important durant les dernières décennies. Leur capacité à supporter de très larges niveaux de déformation tout en transmettant de faibles contraintes les rend particulièrement adaptés à des solutions d'absorption d'énergie ou de protection contre des sollicitations intenses.Le comportement dynamique de ce type de matériau peut être influencé par les effets inertiels au niveau des parois ou des ligaments constituant son squelette (micro-inertie). Un modèle de comportement à base micromécanique a été développé pour prendre en compte les effets micro-inertiels sur le comportement macroscopique de mousses à porosités fermées. Le modèle proposé repose sur la procédure d'homogénéisation dynamique introduite par Molinari et Mercier (2001). Par cette approche, les effets micro-inertiels apparaissent sous la forme d'un terme supplémentaire dans le tenseur des contraintes, appelé contrainte dynamique. À partir de comparaisons avec des données extraites de la littérature, il est ainsi démontré qu'inclure les effets micro-inertiels permet d'obtenir une meilleure description de la réponse des mousses sous choc.L'influence d'une épaisseur de mousse localisée entre un explosif et une enveloppe cylindrique a ensuite été étudiée en suivant deux approches. La première, qui s'appuie sur les travaux de Gurney (1943), repose sur des considérations énergétiques. La seconde méthode permet d'aboutir à une description plus détaillée des tailles et vitesses de fragments. Elle repose sur la combinaison d'un modèle éléments finis pour décrire la propagation de l'onde de choc dans la mousse et l'expansion de l'enveloppe et d'un modèle de fragmentation de type Mott (1947). / Metallic foams have known a growing interest in the last decades. Their ability to undergo very large strains while transmitting only reasonable stress levels makes them particularly suitable for energy absorption applications and protection against intense solicitations. The dynamic behavior of metal foams is linked to inertial effects appearing at the walls and ligaments of the material microstructure (micro-inertia). A constitutive model has been developed to take micro-inertial effects into account when describing the macroscopic behavior of closed-cell foams submitted to dynamic loadings. The proposed approach was developed using the dynamic homogenization procedure introduced by Molinari and Mercier (2001). Within this framework, micro-inertial effects appear as an additional stress term, called dynamic stress. Comparisons with data from literature have showed that including micro-inertia effects allows one to achieve a better description of the foam response under shock loading.The influence of a foam layer placed between an explosive and a cylindrical casing has been investigated by following two approaches. The first one is based on energetic considerations, following the work of Gurney (1943). The second method allows one to obtain a more detailed description of fragment sizes and velocities. It relies on the combined use of a finite element model and a description of the shell fragmentation based on the work of Mott (1947).

Cellular materials like aluminum foam which is the subject of interest here are generally characterized by high energy absorption capacity per unit weight. Materials of this category can be ideal for applications such as packaging and vehicle body structures for enhanced impact safety. A particularly well-known variety of closed-cell aluminum foam is designated as Alporas, which is studied here. From a viewpoint of mechanical behavior, the foam being considered can be represented using either a detailed cellular approach capturing the voids present in foam structure or a phenomenological approach in which experimental stress-strain response is assigned a-priori to solid elements filling up the space occupied by a foam geometry. Both modeling approaches are studied in the present work. It has been shown for the first time that stress-strain behavior under compression including densification can be predicted well with a Kelvin cell-based model, although scope for further improvement exists. Based on a novel combination of compression tests at low strain rates in a UTM and medium strain rates in low velocity impact tests, a relation between foam strength and strain rate has been proposed. This effect of strain rate on strength is captured in a finite element model for analysis using an explicit code with contact simulation capabilities and the predictions for projectile impact tests at higher strain rates using a gas gun-based device have been found to match commendably with results obtained from the said tests.