Die Entwicklung neuer Materialien und neuer Werkstoffe wird heute international als Schlüsseltechnologie mit Querschnittscharakter und Schrittmacherfunktion für viele industrielle Bereiche eingestuft. Die Wirtschaftskraft der hoch entwickelten Industriegesellschaften hängt zunehmend von Erfolgen in der Materialwissenschaft und der Werkstofftechnologie ab. Die Forschungsaktivitäten in der Profillinie 1 sind gekennzeichnet durch Interdisziplinarität und Vernetzung von Forschungsvorhaben. Von besonderer Bedeutung ist darüber hinaus die zusätzliche Verzahnung mit der Profillinie 6 der TU Chemnitz “Modellierung, Simulation, Hochleistungsrechnen“, um die Material- und Werkstoffforschung durch den intelligenten Einsatz leistungsstarker Rechentechnik weniger kostenintensiv gestalten zu können.

Ziel dieser Arbeit war es, neue Methoden in der Rasterkraftmikroskopie (SFM) zu entwickeln und an polymeren Materialien zu demonstrieren. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur voll automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von ~ 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens demonstriert. Die nasschemische Abtragung der Probe und das Entfernen der Ätzrückstände erfolgt dabei automatisch und in situ in einer Flüssigkeitszelle des Rasterkraftmikroskops. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe eines implementierten Kreuzkorrelations-Algorithmus korrigiert. Darüber hinaus wird durch Kombination der Nanotomographie mit dem bimodalen Messprinzip die laterale Auflösung dieser Methode am Beispiel von elastomerem Polypropylen deutlich gesteigert. Die mechanischen Oberflächeneigenschaften dieses Polymers wurden mit dynamischen Indentationsexperimenten mit dem Rasterkraftmikroskop bestimmt. Die Auftragung der dissipierten Energie zwischen Spitze und Oberfläche als Funktion der Schwingungsamplitude der Spitze ergibt für die amorphen und kristallinen Bereiche charakteristische Dissipationskurven. Diese lassen Rückschlüsse auf den Dissipationsmechanismus zwischen Messspitze und Oberfläche zu. Damit können zusätzliche Informationen über die mechanische Eigenschaften der Oberfläche des Polymers gewonnen werden. Darüber hinaus werden Erkenntnisse über die lateralen mechanischen Oberflächeneigenschaften von Polymeren durch den Einsatz des frequenzmodulierten Torsionsmodus der Rasterkraftmikroskopie erlangt.

Die Entwicklung neuer Materialien und neuer Werkstoffe wird heute international als Schlüsseltechnologie mit Querschnittscharakter und Schrittmacherfunktion für viele industrielle Bereiche eingestuft. Die Wirtschaftskraft der hoch entwickelten Industriegesellschaften hängt zunehmend von Erfolgen in der Materialwissenschaft und der Werkstofftechnologie ab. Die Forschungsaktivitäten in der Profillinie 1 sind gekennzeichnet durch Interdisziplinarität und Vernetzung von Forschungsvorhaben. Von besonderer Bedeutung ist darüber hinaus die zusätzliche Verzahnung mit der Profillinie 6 der TU Chemnitz “Modellierung, Simulation, Hochleistungsrechnen“, um die Material- und Werkstoffforschung durch den intelligenten Einsatz leistungsstarker Rechentechnik weniger kostenintensiv gestalten zu können.

Ziel dieser Arbeit war es, neue Methoden in der Rasterkraftmikroskopie (SFM) zu entwickeln und an polymeren Materialien zu demonstrieren. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur voll automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von ~ 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens demonstriert. Die nasschemische Abtragung der Probe und das Entfernen der Ätzrückstände erfolgt dabei automatisch und in situ in einer Flüssigkeitszelle des Rasterkraftmikroskops. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe eines implementierten Kreuzkorrelations-Algorithmus korrigiert. Darüber hinaus wird durch Kombination der Nanotomographie mit dem bimodalen Messprinzip die laterale Auflösung dieser Methode am Beispiel von elastomerem Polypropylen deutlich gesteigert. Die mechanischen Oberflächeneigenschaften dieses Polymers wurden mit dynamischen Indentationsexperimenten mit dem Rasterkraftmikroskop bestimmt. Die Auftragung der dissipierten Energie zwischen Spitze und Oberfläche als Funktion der Schwingungsamplitude der Spitze ergibt für die amorphen und kristallinen Bereiche charakteristische Dissipationskurven. Diese lassen Rückschlüsse auf den Dissipationsmechanismus zwischen Messspitze und Oberfläche zu. Damit können zusätzliche Informationen über die mechanische Eigenschaften der Oberfläche des Polymers gewonnen werden. Darüber hinaus werden Erkenntnisse über die lateralen mechanischen Oberflächeneigenschaften von Polymeren durch den Einsatz des frequenzmodulierten Torsionsmodus der Rasterkraftmikroskopie erlangt.

Afin de traiter les patients atteint de diabète de type 1, un pancréas bioartificiel permettant d’encapsuler des cellules produisant de l’insuline a été développé : il est constitué de membranes poreuses qui les isolent des anticorps du patient, tout en permettant le passage du glucose et de l’insuline. Avant sa mise sur le marché, il est nécessaire de vérifier que son comportement mécanique lui permet d’être implanté chez l’homme sans risque pour le patient. La résistance des membranes sous chargement mécanique est donc étudiée en particulier. Leur structure est d’abord mise en évidence par microscopie électronique à balayage et nanotomographie à rayons X. Des essais de traction sont ensuite effectués à l’échelle macroscopique et à l’échelle microscopique, l’utilisation de techniques de mesure de champs par corrélation d’images permettant de caractériser les déformations des membranes à chaque échelle. En parallèle, une modélisation numérique par éléments finis est développée en se basant sur les caractéristiques microstructurales et mécaniques des membranes. Une méthodologie de comparaison entre le comportement prédit par le modèle et le comportement expérimental des membranes est alors proposée et utilisée. Les résultats de cette étude sont finalement considérés pour juger de la possibilité d’utiliser ce dispositif en phase clinique. / In order to treat type 1 diabetics, a bioartificial pancreas has been developed. It consists in the encapsulation of insulin producing cells: it is made of porous membranes which isolate cells from patient antibodies, allowing the glucose and the insulin to pass through. Before its commercialization, it is necessary to verify that its mechanical behavior allows it to be implanted in a human body without any risk for the patient. The mechanical strength of the membranes under loading is therefore studied. Their structure is first obtained using scanning electron microscopy and X-ray nanotomography. Tensile tests are then done at both macroscopic and microscopic scales, digital image correlation techniques being used to characterize the membranes at each scale. At the same time, a numerical model using finite element method is built based on the microstructural and mechanical characteristics of the membranes experimentally identified. A methodology to compare the experimental and numerical results behavior of the membranes is proposed and used. The results of the study are finally considered to assess the possibility to use the device in clinic phase.

Ziel ist die räumliche Abbildung biologischer Materialien (Knochen, Kollagenfibrillen und Zähne) hinsichtlich deren Struktur auf der Nanometerskala mit Hilfe der Nanotomographie. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. Für die Nanotomographie wurden Ätzprotokolle an Zähnen, Kollagenfibrillen und Knochen entwickelt, die einen gleichmäßigen Abtrag bewirken. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe der manuellen Registrierung korrigiert und zu einem Volumenbild rekonstruiert. Ein zentrales Ergebnis sind dabei erste hochaufgelöste Volumenbilder einzelner Kollagenfibrillen im nativen Knochen. Neben der konventionellen Nanotomographie wird ein Ansatz zur automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens und Zahnes demonstriert. Mit Hilfe von mikroskopischen und elektronenmikroskopischen Techniken wurden die verschiedenen Strukturebenen des humanen Zahn und Knochens abgebildet und die räumlichen Strukturen der TM-AFM-Bilder auf der Mikro- und Nanometerskala eingeordnet. Darüber hinaus konnte mit Hilfe analytischer Messmethoden die chemische Zusammensetzung des kortikalen nativen Knochens erfasst werden und Änderungen durch das Ätzen detektiert werden.

L’architecture des biomatériaux de comblement osseux à un réel impact sur l’activité cellulaire, la vascularisation et la diffusion de facteurs de croissance. Dans un premier temps, différentes membranes de polystyrène (PS) composées de fibres alignées ou aléatoires ont été étudiées. Elles sont non biodégradables et pourraient servir de supports pour la régénération de larges défauts osseux. Nous avons montré la cytocompatibilité in vitro des membranes en analysant l’adhésion, la prolifération et la différenciation cellulaire. Ensuite, des membranes de PS ont été enrichies de grains de β-TCP ou de nanoparticules d’or. Nous les avons implantées dans un modèle de défaut crânien de taille critique chez la souris. L’addition de β-TCP a stimulé la repousse osseuse grâce à la grande bioactivité des céramiques. Les membranes ont été biotolérées, les fibres ont été encapsulées dans l’os néoformé mais également dans un tissu conjonctif dense. Les nanoparticules d’or immobilisées sur des fibres ont migré dans l’os ou ont été phagocytées. Dans un second temps, différentes formulations de granules poreux de β-TCP ont été analysées par nanotomographie aux rayons X. L’architecture macroporeuse des granules varie inversement avec la concentration en β-TCP. Les faces internes montrent une grande hétérogénéité de minéralisation. Pour mimer les conditions d’utilisation en chirurgie maxillo-faciale, les granules ont été empilés dans des tubes. Nous avons montré que l’architecture des empilements de granules dépendait de leur forme. L’empilement de granules commerciaux (contenant12,5g de β-TCP) mime l’architecture naturelle et les propriétés physiques de l’os. / The architecture of bone filling biomaterials has a real impact on cellular activity, vascularization and diffusion of growth factors. As a first step, different polystyrene (PS) scaffolds composed of aligned or random fibers were studied. They were non-biodegradable and could be used as supports for regeneration of large bone defects. We showed the in vitro cytocompatibility of the scaffolds by analyzing cell adhesion, proliferation and differentiation. Then, polystyrene scaffolds were enriched with β-TCP grains or gold nanoparticles. We implanted them in a model of critical size defect in mouse calvaria. Addition of β-TCP stimulated bone regrowth due to the high bioactivity of the ceramics. Scaffolds were biotolerated, fibers were encapsulated in the newly formed bone and also in a dense connective tissue. The gold nanoparticles immobilized on fibers migrated into the bone or were phagocytized. As a second step, different formulations of porous granules of β-TCP were analyzed by X-ray nanotomography. The macroporous architecture of granules varies inversely with the concentration of β-TCP. The internal faces howed a great heterogeneity of mineralization. Tomimic the conditions in maxillofacial surgery, granules were stacked in tubes. We have shown that the architecture of the granules depends on their shape.The stacks of commercial granules (containing 12.5 g ofβ-TCP) mimicked the natural architecture and physical properties of bone.

Les aciers inoxydables lean duplex sont une famille d'aciers austéno-ferritiques allégés en nickel et en molybdène, qui s'est développée à la fin des années 1990. Le compromis propriétés mécaniques, propriétés de résistance à la corrosion et coût de matière première place cette famille comme une alternative intéressante aux aciers austénitiques standards, et en particulier aux 304/304L qui représentent actuellement les deux tiers de la production d'acier inoxydable. Cependant, cette famille étant relativement récente, la stabilité en température des aciers lean duplex a été relativement peu étudiée, en particulier lors de maintiens prolongés en température. Dans le cadre de cette thèse, l'évolution microstructurale d'un acier lean duplex 2101 a été étudiée, lors de vieillissements isothermes à des températures comprises entre 20 °C et 850 °C, pour des temps s'échelonnant de quelques minutes à plusieurs mois. Les cinétiques de vieillissement ont été suivies par mesures de pouvoir thermoéléctrique (PTE), à partir desquelles des états vieillis ont été sélectionnés pour être caractérisés par microscopie électronique et par sonde atomique tomographique. A des températures intermédiaires de 350 – 450 °C, la ferrite de l'acier lean duplex 2101 est sujette à la démixtion Fe-Cr et à la formation d'amas enrichis en Ni-Mn-Si-Al-Cu, malgré les faibles teneurs en nickel de cette nuance. Ces phénomènes sont détectés par une forte augmentation du PTE. Pour des températures plus élevées, à 700 °C environ, une approche multi-techniques et multi-échelles a permis de décrire précisément les mécanismes qui régissent les différentes évolutions microstructurales : la germination et la croissance de M23C6 et de Cr2N, observés dès quelques minutes de vieillissement aux joints de phases, la précipitation de la phase σ pour des temps de vieillissement plus importants qui s'accompagne d'une transformation de la ferrite δ en austénite secondaire γ2, et la transformation partielle de l'austénite en martensite lors du refroidissement des échantillons vieillis. L'effet des différentes phases sur le PTE de l'acier lean duplex peut être décrit qualitativement lors du vieillissement par une loi des mélanges. / Lean duplex stainless steels are austeno-ferritic steels with lower nickel and molybdenum contents, developed in the late 90's. Considering mechanical properties, corrosion resistance and cost of raw material, this family is an interesting alternative to standard austenitic stainless steels, which currently represent two thirds of stainless steel production. However, lean duplex steels are relatively recent and their thermal stability has been relatively little studied, especially during long term aging. In this study, the microstructural evolution of a lean duplex steel 2101 was studied during isothermal aging at temperatures between 20 °C and 850 °C, from few minutes to several months. Aging kinetics were followed by thermoelectric power measurements (TEP), from which aged states were selected to be characterized by electron microscopy and atom probe tomography. At intermediate temperatures of 350 - 450 °C, Fe-Cr demixing and precipitation of Ni-Mn-Al-Si-Cu occur in the ferrite despite the low nickel content of this grade, leading to an increase in the TEP. For higher temperatures, at about 700 °C, the mechanisms which govern the different microstructural evolutions have been described by a multi-scale approach: the nucleation and growth of M23C6 and Cr2N, observed from few minutes of aging and the σ phase precipitation, observed for longer aging time. The latter is accompanied by a transformation of δ ferrite in γ2 secondary austenite, and by the partial transformation of austenite into martensite during cooling. The effect of different phases on the TEP of the lean duplex steel can be qualitatively described during aging by a rule of mixture.

Le but de ce travail est d'étudier l'influence de la microstructure de roches poreuses hétérogènes sur le comportement à l'échelle macroscopique. Ainsi, nous avons caractérisé la microstructure et les propriétés micromécaniques (grâce à des tests de nano-indentation) de deux roches oolithiques poreuses (calcaire de Lavoux et minerai de fer) pour calculer leurs propriétés mécaniques et thermiques effectives. Les roches oolithiques sont constituées d'un assemblage de grains poreux (oolithes), de pores et de cristaux intergranulaires. La microscopie électronique à balayage et la tomographie 3D aux rayons X ont été utilisées pour identifier les différents composants de ces roches. Une attention particulière a été accordée à la tomographie aux rayons X car cette méthode analytique permet de caractériser le réseau poreux (taille, distribution spatiale et fraction volumique), ainsi que la forme des oolithes et des cristaux inter-oolithiques. La nouveauté de ce travail réside dans la prise en compte de la forme 3D réelle des pores. Par conséquent, nous avons approximé les oolites poreuses par des sphères et les pores de forme irrégulière par des ellipsoïdes. Cette approximation a été réalisée grâce à l'analyse en composantes principales (ACP), qui fournit les propriétés géométriques telles que la longueur des demi-axes et l'orientation des ellipsoïdes résultants. La sphéricité des oolites approximées a été calculée et les valeurs proches de 1 nous ont permis de considérer les oolithes comme des sphères. Pour vérifier l'approximation dans le cas des pores, nous avons évalué la contribution de ces pores tridimensionnels de forme irrégulière aux propriétés élastiques et thermiques effectives. Ainsi, les tenseurs de contribution de souplesse pour les pores irréguliers 3D et leurs approximations ellipsoïdales ont été calculés en utilisant la méthode des éléments finis (FEM). Ces tenseurs ont été comparés et une erreur relative a été estimée pour évaluer la précision de l'approximation. Cette erreur produit une distance maximale de 4,5% entre les deux solutions pour les pores et les ellipsoïdes, ce qui vérifie la procédure d'approximation proposée basée sur ACP. La méthode numérique FEM a été vérifiée en comparant la solution numérique des tenseurs de contribution des ellipsoïdes à la solution analytique basée sur la théorie d'Eshelby. La différence entre ces deux solutions ne dépasse pas 3%. La même méthode numérique a été utilisée pour calculer les tenseurs de contribution de résistivité thermique. Les tenseurs de souplesse et de résistivité calculés ont été utilisés pour évaluer les propriétés élastiques effectives (module élastique et coefficient de cisaillement) et la conductivité thermique effective en considérant le schéma d'homogénéisation de Maxwell en deux étapes. Les résultats ont montré une influence importante de la porosité sur les propriétés effectives. Enfin, les résultats obtenus pour les pores irréguliers ont été comparés à ceux des ellipsoïdes et ils ont montré un bon accord avec un écart maximal de 4% ce qui vérifie l'approximation des pores de forme irrégulière par des ellipsoïdes triaxiaux / The aim of this work is to study the influence of the microstructure of heterogeneous porous rocks on the behavior at the macroscopic scale. Thus, we characterized the microstructure and micromechanical properties (thanks to nano-indentation tests) of two porous oolitic rocks (Lavoux limestone and iron ore) to calculate their effective mechanical and thermal properties. Oolitic rocks are constituted by an assemblage of porous grains (oolites), pores and inter-granular crystals. Scanning electron microscopy and X-ray 3D Computed Tomography were used to identify the different components of these rocks. Particular attention was given to X-Ray computed tomography since this analytical method allows the characterization of the porous network (size, spatial distribution, and volume fraction), and the shapes of oolites and inter-oolitic crystals. The novelty of this work lies in taking into account the 3D real shape of pores. Hence, we approximated porous oolites by spheres and irregularly shaped pores by ellipsoids. This approximation was performed thanks to the principal component analysis (PCA), which provides the geometrical properties such as length of semi-axes and orientation of resulting ellipsoids. The sphericity of the approximated oolites was calculated and the values close to 1 allowed us to consider oolites as spheres. To verify the approximation in the case of pores, we evaluated the contribution of these irregularly shaped three-dimensional pores to the overall elastic properties. Thus, compliance contribution tensors for 3D irregular pores and their ellipsoidal approximations were calculated using the finite element method (FEM). These tensors were compared and a relative error was estimated to evaluate the accuracy of the approximation. This error produces a maximum discrepancy of 4.5% between the two solutions for pores and ellipsoids which verifies the proposed approximation procedure based on PCA. The FEM numerical method was verified by comparing the numerical solution for compliance contribution tensors of ellipsoids to the analytical solution based on Eshelby’s theory. The difference between these two solutions does not exceed 3%. The same numerical method was used to calculate thermal resistivity contribution tensors. Calculated compliance and resistivity contribution tensors were used to evaluate effective elastic properties (bulk modulus and shear coefficient) and effective thermal conductivity by considering the two-step Maxwell homogenization scheme. The results showed an important influence of the porosity on effective properties. Finally, the results obtained for irregular pores were compared to those for ellipsoidal ones and they showed a good agreement with a maximum deviation of 4% which verifies once again the approximation of irregularly shaped pores by tri-axial ellipsoids

Ziel ist die räumliche Abbildung biologischer Materialien (Knochen, Kollagenfibrillen und Zähne) hinsichtlich deren Struktur auf der Nanometerskala mit Hilfe der Nanotomographie. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. Für die Nanotomographie wurden Ätzprotokolle an Zähnen, Kollagenfibrillen und Knochen entwickelt, die einen gleichmäßigen Abtrag bewirken. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe der manuellen Registrierung korrigiert und zu einem Volumenbild rekonstruiert. Ein zentrales Ergebnis sind dabei erste hochaufgelöste Volumenbilder einzelner Kollagenfibrillen im nativen Knochen. Neben der konventionellen Nanotomographie wird ein Ansatz zur automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens und Zahnes demonstriert. Mit Hilfe von mikroskopischen und elektronenmikroskopischen Techniken wurden die verschiedenen Strukturebenen des humanen Zahn und Knochens abgebildet und die räumlichen Strukturen der TM-AFM-Bilder auf der Mikro- und Nanometerskala eingeordnet. Darüber hinaus konnte mit Hilfe analytischer Messmethoden die chemische Zusammensetzung des kortikalen nativen Knochens erfasst werden und Änderungen durch das Ätzen detektiert werden.