Les nanotubes de carbone de type monoparoi (C-SWNT) sont une classe récente de nanomatériaux qui ont fait leur apparition en 1991. L'intérêt qu'on leur accorde provient des nombreuses propriétés d'avant-plan qu'ils possèdent. Leur résistance mécanique serait des plus rigide, tout comme ils peuvent conduire l'électricité et la chaleur d'une manière inégalée. Non moins, les C-SWNT promettent de devenir une nouvelle classe de plateforme moléculaire, en servant de site d'attache pour des groupements réactifs. Les promesses de ce type particulier de nanomatériau sont nombreuses, la question aujourd'hui est de comment les réaliser. La technologie de synthèse par plasma inductif thermique se situe avantageusement pour la qualité de ses produits, sa productivité et les faibles coûts d'opération. Par contre, des recherches récentes ont permis de mettre en lumière des risques d'expositions reliées à l'utilisation du cobalt, comme catalyseur de synthèse; son élimination ou bien son remplacement est devenu une préoccupation importante. Quatre recettes alternatives ont été mises à l'essai afin de trouver une alternative plus sécuritaire à la recette de base; un mélange catalytique ternaire, composé de nickel, de cobalt et d'oxyde d'yttrium. La première consiste essentiellement à remplacer la proportion massique de cobalt par du nickel, qui était déjà présent dans la recette de base. Les trois options suivantes contiennent de nouveaux catalyseurs, en remplacement au Co, qui sont apparus dans plusieurs recherches scientifiques au courant des dernières années: le dioxyde de zircone (ZrO 2 ), dioxyde de manganèse (MnO2 ) et le molybdène (Mo). La méthode utilisée consiste à vaporiser la matière première, sous forme solide, dans un réacteur plasma à haute fréquence (3 MHz) à paroi refroidi. Après le passage dans le plasma, le système traverse une section dite de «croissance», isolée thermiquement à l'aide de graphite, afin de maintenir une certaine plage de température favorable à la synthèse de C-SWNT. Le produit final est par la suite récolté sur des filtres métalliques poreux, une fois le système mis à l'arrêt. Dans un premier temps, une analyse thermodynamique, calculée avec le logiciel Fact-Sage, a permis de mettre en lumière l'état des différentes produits et réactifs, tout au long de leur passage dans le système. Elle a permis de révéler la similitude de composition de la phase liquide du mélange catalytique ternaire de base, avec celui du mélange binaire, avec nickel et oxyde d'yttrium. Par la suite, une analyse du bilan d'énergie, à l'aide d'un système d'acquisition de données, a permis de déterminer que les conditions opératoires des cinq échantillons mis à l'essai étaient similaires. Au total, le produit final a été caractérisé à l'aide de six méthodes de caractérisations différentes : l'analyse thermogravimétrique, la diffraction de rayons X, la microscopie électronique à balayage à haute résolution (HRSEM), la microscopie électronique à transmission (MET), la spectroscopie RAMAN, ainsi que la mesure de la surface spécifique (BET). Les résultats de ces analyses ont permis de constater, de façon cohérente, que le mélange à base de molybdène était celui qui produisait la moins bonne qualité de produit. Ensuite, en ordre croissant, s'en suivait du mélange à base de MnO 2 et de ZrO2 . Le mélange de référence, à base de cobalt, est au deuxième rang en matière de qualité. La palme revient au mélange binaire, dont la proportion est double en nickel. Les résultats de ce travail de recherche permettent d'affirmer qu'il existe une alternative performante au cobalt pour effectuer la synthèse de nanotubes de carbone monoparoi, par plasma inductif thermique. Cette alternative est l'utilisation d'un mélange catalytique binaire à base de nickel et d'oxyde d'yttrium. Il est suggéré que les performances plus faibles des recettes alternatives, moins performantes, pourraient être expliquées par le profil thermique fixe du réacteur. Ceci pourrait favoriser certains mélanges, au détriment des autres, qui possèdent des propriétés thermodynamiques différentes. Le montage, l'équipement, ainsi que les paramètres d'opérations, pourraient être modifiés en fonction de ces catalyseurs afin d'optimiser la synthèse. [symboles non conformes]

Les objectifs de cette thèse consistent à identifier les morphologies adoptées par des mélanges d'élastomères chargés en noir de carbone, à étudier l'influence de l'introduction de charges sur ces morphologies mais aussi de détecter la localisation de la charge dans ces mélanges. Dans une dernière partie, l'impact de ces différentes structures sur les défauts d'extrusion est abordé. Ces travaux concernent l'étude des coupages caoutchouc naturel / styrene-butadiene rubber (NR / SBR) et polybutadiène / styrene-butadiene rubber (BR / SBR) non vulcanisés. Dans un premier temps, les morphologies adoptées par ces mélanges non chargés ont été identifiées grâce à plusieurs protocoles expérimentaux. L'influence de l'introduction de noir de carbone ainsi que l'étude de la localisation de la charge dans ces mélanges ont constitué une seconde étape dans ces travaux. Aucune localisation préférentielle de la charge n'a été détectée pour ces mélanges. Un système ségrégé a donc été réalisé par la suite. Enfin, le comportement en extrusion de ces mélanges a été simulé par rhéométrie capillaire et des observations de défauts d'aspect ont été faites. La ségrégation du noir de carbone ne semble pas entraîner la création de défauts d'aspect, sauf dans le cas d'une localisation dans la matrice

Pour la confection des matériaux polymères à base de caoutchouc, le noir de carbone (NC) reste la charge renforçante la plus utilisée. Sa caractérisation morphologique et nano structurale est essentielle dans la maitrise des propriétés physico-chimiques qu’il confère aux matériaux auxquels il est mélangé. Les analyses classiques ne permettent d’accéder que de façon indirecte et incomplète à ces propriétés. Cette thèse propose une méthode de caractérisation innovante par le couplage d’un détecteur STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) et d’une chaine d’analyse d’images complètement automatique pour identifier les types de NC. Une étude statistique approfondie d’une centaine de caractéristiques morphologiques et structurales des NC a été réalisée sur les 6000 images STEM acquises. Cette étude a permis d’introduire 7 nouveaux descripteurs et de sélectionner les 37 descripteurs les plus discriminants pour la création du modèle d’identification. Pour rendre le processus le plus automatique possible, un algorithme de segmentation non supervisé a été développé et évalué. Cinq classifieurs ont ensuite été entraînés et comparés sur une base de près de 65000 agrégats. Le modèle le plus adapté s’avère les réseaux de neurones avec une identification des NC avoisinant les 100%. L’identification étant réalisée à partir de projections 2D des agrégats via les images STEM, une confrontation statistique valide la capacité des descripteurs 2D à caractériser la structure tridimensionnelle des NC observée par tomographies électroniques. L'approche complète proposée, depuis le protocole de préparation des échantillons et l'acquisition d'images STEM jusqu'à leur classification en passant par les étapes d'analyse d'images, offre une nouvelle méthode de caractérisation fiable des NC (à l’état natif ou au sein de mélanges élastomères) exploitable en routine. / In the field of rubber material development, CB is the most commonly used reinforcing filler. The characterization of CB morphology and nanostructure is therefore crucial to understand the physicochemical properties induced by the introduction of CB in rubber materials. Classical analytical methods only allow indirect and incomplete access to these properties. This PhD offers an innovative method that allows the automatic identification of CB grades by coupling Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) detector and image processing chain. A thorough statistical investigation over a hundred of morphological and structural characteristics of CB was performed on a set of 6000 STEM images. This study has introduced 7 new features and selected the 37 most discriminating descriptors to create the final model. An unsupervised segmentation algorithm has been developed and evaluated in order to build an automatic process as efficient as possible. Then, five classifiers were trained and compared on a base of nearly 65,000 aggregates. It appears that the most suitable descriptor is the Neuron networks as it gives a perfect recognition. As the recognition model is based on 2D projections of CB aggregates, it is necessary to verify that the chosen descriptors are indeed able to correctly characterize the three dimensional structure of CB. The statistical comparison of the 2D descriptors with 3D descriptors extracted from electronic tomography images has been successful, and therefore demonstrates the relevance of the model. The proposed approach, starting from the sample preparation and STEM acquisitions to their classification and through the image analysis steps, offers a new and innovative method for the reliable characterization of CB. This method can be used routinely on raw CB or CB extracted from vulcanizes rubbers.

L'objectif de ce travail était d'améliorer l'amortissement d'un composite thermoplastique haute performance à matrice poly(éther cétone cétone) (PEKK). Pour cela, le concept d'amortissement vibratoire passif à base de particules piézoélectriques (niobate de sodium, NaNbO3) et de particules conductrices (graphène et noir de carbone) a été étudié. Les particules piézoélectriques assurent la transduction mécanique-électrique de la vibration. Les particules conductrices dissipent par effet Joule les charges électriques générées par les particules piézoélectriques au sein de la matrice polymère. La présence de ces deux types de particules favorise la dissipation de l'énergie mécanique par le phénomène de transduction-dissipation local. Ce film amortissant a ensuite été visco-contraint entre des plis composites. Les différentes contributions à la dissipation d'énergie ont été identifiées : la viscoélasticité du polymère, le stick-slip à l'interface particules/matrice, le cisaillement induit par les fibres de carbone et la transduction-dissipation locale. Ce dernier phénomène a été mis en évidence de manière significative à travers l'étude du comportement mécanique et de la réponse dynamique des empilements composites. Après l'étape de polarisation, l'aire sous le module de cisaillement dissipatif G'' du mode de relaxation mécanique α est augmentée de 18%, l'aire des boucles d'hystérésis de 16% à 34% et les amplitudes des modes de résonance sont diminuées, jusqu'à 54% pour le 2ème mode. / The aim of this work was to increase the damping in a high performance thermoplastic composite with the poly(ether ketone ketone) (PEKK) as polymer matrix. The passive vibration damping concept based on piezoelectric particles (sodium niobate, NaNbO3) and conductive particles (graphene and carbon black) was studied. Piezoelectric particles ensure the mechanic-electric transduction of the vibration. Conductive particles dissipate by Joule effect the electric charges generated by the piezoelectric particles within the polymer matrix. Presence of these two kinds of particles improves the dissipation of the mechanical energy by the local transduction-dissipation phenomena. This damping film was visco-constrained between composites plies. The different contributions of energy dissipation have been identified: the polymer viscoelasticity, the stick-slip at the particle/matrix interface, the shear induced by carbon fibers and the local transduction-dissipation. The latter phenomena has been demonstrated significantly through the study of mechanical behavior and dynamic response of the laminate composites. After the polarization step, the area under the dissipative shear modulus G'' of the mechanical relaxation mode α is increased by 18%, the hysteresis loop area from 16% to 34% and resonance mode amplitudes are decreased, up to 54% for the 2nd mode.

Récemment, les constructeurs automobiles se sont intéressés au développement des catalyseurs appelés quatre voies, destinés à diminuer simultanément les émissions polluantes des moteurs diesels par l'intermédiaire d'un seul monolithe catalytique. Dans cet objectif, plusieurs études ont montré que la capacité de stockage des NOx de ces catalyseurs est inhibée par la présence de suies. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans la compréhension des phénomènes en cause. Les résultats obtenus montrent que la présence de noir de carbone entraîne une diminution de la stabilité des nitrates adsorbés par les systèmes catalytiques étudiés et, ainsi, de leur capacité de stockage des NOx. Ce phénomène a été attribué à une réduction des espèces nitrates adsorbées à la surface des matériaux par les particules de carbone adjacentes. La présence d'une particule Pt à proximité d'un site de carbone favorise la formation de complexes oxygénés de surface, limitant l'effet réducteur du carbone envers les nitrates adsorbés. La perte de capacité d'adsorption des NOx des catalyseurs étudiés, observée lors de leur mise en contact avec du noir de carbone, s'est révélée irréversible à l'issue de l'oxydation du carbone. La caractérisation des matériaux par microscopie à transmission (MET) a révélé une modification importante de la structure des matériaux. Un frittage des particules de platine et une modification de la structure des particules de Ba entraînent en effet la perte irréversible de l'activité des matériaux vis-à-vis de l'adsorption des NOx. / Recently, car manufacturers have developed "4 way" catalytic converters in order to couple hydrocarbon and CO oxidation, soot combustion and DeNOx fonctions on a single monolith. Several studies showed that the NOx storage capacity of NSR catalysts is reduced in the presence of soot. The aim of this work is to investigate the effect of carbon­ NSR catalyst contact on the ability of the catalyst to store NOx. The results show that the presence of carbon black in the catalytic bed involves a decrease of adsorbed nitrates stability and of the NOx storage capacity of materials. It is proposed that the proximity of the carbon particles and NOx adsorbents sites leads to a reduction of the stored nitrates species. The decrease of the NOx storage capacity is Jess important when platinum is present in the catalytic material composition. In agreement with previous studies on the catalytic combustion of soot, it is suggested that platinum increases the number of surface-oxygen complexes -C(O), which thus led to a decrease in the reducing character of carbon. Our study reveals that the deactivation of the NOx storage activity due to carbon-catalyst contact is an irreversible phenomena, and thus even when all carbon is burnt. Characterization of materials by transmission electron microscopy (TEM) showed that sintering of the platinum particles and a structural modification of the barium particles occurs after that the catalysts was in contact with carbon. The decrease in the NOx storage activity of the materials is then assigned to a lesser proximity of the oxidizing sites (Pt) and adsorption sites (Al or Ba).

Les campagnes de recherche - comprenant la conception de nouveaux matériaux, la prospection, la réalisation de composites et leur caractérisation - sont longues. Pour l'ingénieur ou le chercheur, relier la microstructure et les propriétés physiques macroscopiques des matériaux le plus en amont, permet de réduire la durée et le coût de ces études. Nous nous intéressons aux propriétés diélectriques d'un composite particulier, formé d'une matrice époxy contenant des inclusions d'agrégats de noir de carbone. Nous détaillons le processus global, de la réalisation du composite à sa modélisation. Des échantillons de composite sont réalisés en faisant varier des paramètres de préparation. Des mesures diélectriques, électriques et d'autres mesures physiques situent le niveau des propriétés macroscopiques des échantillons. L'observation du composite par microscopie électronique à transmission à plusieurs grandissement permet d'appréhender sa morphologie. Les micrographies sont traitées par analyse d'images pour caractériser la géométrie du composite en quelques grandeurs. Les lois statistiques de changement d'échelle permettent, à partir de données sur la microstructure, d'obtenir un encadrement de la permittivité de composites. Les lois statistiques de changement d'échelle sont une méthode de modélisation récente, elles permettent en particulier :

En mécanique des matériaux, la volonté actuelle est de chercher à mieux comprendre certains phénomènes macroscopiques en étudiant la microstructure et les phénomènes physiques à l'échelle microscopique. Cette approche est rendue possible par les nombreux développements dans les techniques d'homogénéisation en mécanique multi-échelles. Dans la présente thèse, on travaille sur les élastomères chargés pour lesquels de nombreuses propriétés mécaniques sont étroitement liées à l'arrangement des particules et agrégats de noir de carbone dans la matrice élastomère, à l'échelle microscopique. La démarche adoptée s'articule autour de deux objectifs principaux. Le premier consiste à modéliser la morphologie de la microstructure du matériau. Pour cela, on met en place un modèle aléatoire de morphologie mathématique décrivant chaque échelle de la microstructure. On propose une méthode d'identification de ce modèle à partir de l'exploitation d'images de microscopie à transmission. Cette méthode trouve son originalité dans le fait d'optimiser le modèle en simulant des images de microscopie à transmission, sur lesquelles on mesure les moments statistiques d'ordre deux et trois que l'on compare aux moments expérimentaux. Cette méthode permet finalement de simuler des microstructures dont la morphologie est très proche de celle du matériau réel. Le second objectif consiste, à partir des microstructures ainsi simulées, à déterminer les propriétés effectives du matériau par le calcul par éléments finis à travers la notion de Volume Elémentaire Représentatif (VER). L'idée est de déterminer la taille du VER par une méthode numérique et statistique en cherchant à estimer les propriétés effectives par une approche de type Monte-Carlo, pour des simulations de microstructures de tailles croissantes. La détermination du VER porte sur les modules élastiques et la conductitivité électrique. De nombreux outils tels que le maillage par éléments finis ou encore le calcul parallèle appliqué aux matériaux présentant un fort contraste sur les propriétés entre les phases, ont été explorés afin de mener à bien ce dernier objectif.

Les élastomères renforcés sont des matériaux nanocomposites constitués d'une matrice élastomère renforcée par des particules minérales ou agrégats nanométriques. Un des intérêts majeurs de ces systèmes est leurs propriétés mécaniques remarquables, tant du point de vue industriel que fondamental : renforcement, comportement non-linéaire, irréversibilité, très grande résistance à la rupture et au déchirement.Les élastomères renforcés d'intérêt pratique contiennent très souvent des agrégats de noir de carbone présentant une structure plus ou moins étalée et ténue. Nous présentons quelques résultats expérimentaux apportant des explications sur les processus microscopiques responsables du comportement mécanique de ces systèmes. En corrélant des expériences de RMN du deutérium et des mesures de force à forte élongation, nous montrons que l'énergie élastique stockée dans le système à l'échelle des chaînes polymères dépend essentiellement de la structure des agrégats de noir de carbone.La plasticité est un aspect important du comportement des élastomères renforcés. Son origine demeure controversée et suscite un vif intérêt de la part des industriels. Elle peut être interprété en lien avec deux phénomènes majeurs pouvant conduire à des irréversibilités à l'échelle microscopique : la présence d'une couche rigide de polymères au voisinage immédiat des particules renforçantes et/ou des déformations non affines du réseau de particules solides/agrégats, à une échelle qui reste à définir. La diffusion des rayons X aux très petits angles nous a permis de mettre en évidence ces déformations non affines sous l'effet de fortes contraintes à l'échelle des agrégats de noir de carbone.

Les nanocomposites noir de carbone sont obtenus par la dispersion de charge de noir de carbone dans une matrice. En fonction des conditions de mélange, l'arrangement spatial de ces charges peut présenter des hétérogénéités à plusieurs échelles. Dans le but de prédire les propriétés effectives de ce type de composites (comme la permittivité diélectrique), il est nécessaire de connaître les propriétés des deux constituants (la charge et la matrice) ainsi que leur arrangement spatial. Pour mener à bien ce projet, nous avons développé une méthodologie générale en plusieurs étapes: la morphologie est modélisée par des modèles aléatoires multi-échelles permettant de tenir compte des hétérogénéités de la distribution des agrégats. L'identification du modèle est réalisée à l'aide de l'analyse d'images d'observation de coupes minces. Dans un deuxième temps, des simulations tridimensionnelles du modèle sont réalisées pour estimer le seuil de percolation des nanocomposites (chargés en noir de carbone ou en nanotubes de carbone), et pour prédire la permittivité diélectrique effective par homogénéisation numérique. Les fluctuations statistiques de la permittivité à petite échelle sont utilisées pour accéder à la notion de V.E.R. (Volume Elémentaire Représentatif). Cette approche morphologique est une première étape menant à l'optimisation des propriétés diélectriques effectives de nanocomposites [Jeulin et Moreaud, 2006e]. La démarche a été appliquée à deux types de matériaux pour l'aéronautique utilisés par E.A.D.S.. Une étude portant sur la morphologie de catalyseurs à support de silice mésoporeux et nanoparticules de cérine a aussi été réalisée. Le but de cette étude est de comprendre et améliorer le procédé d'obtention de ces matériaux.

Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude de nouveaux matériaux pour l’absorption électromagnétique en chambre anéchoïque. Ce sujet a été imaginé à partir de l’étude d’une nouvelle matrice jusqu’alors jamais utilisée pour les absorbants électromagnétiques : la mousse époxy. Cette dernière présente en effet de nombreux avantages par rapport aux matrices habituellement utilisées dans le commerce : possibilité de réaliser des formes complexes, piégeage de la charge au cœur du matériau… Nous avons associé cette matrice avec différentes charges carbonées (noir de carbone, graphite et des fibres longues de carbone). L’association de la mousse époxy avec des fibres de carbone millimétriques a montré d’excellentes performances d’absorption pour un taux de charge très faibles : 0,5 %wt (S11 ≈ -40 dB entre 4 et 18 GHz en incidences normale et oblique). En variant la longueur des fibres de carbone, nous avons mis en évidence qu’il était possible d’améliorer les performances d’absorption en basses fréquences en utilisant des fibres plus longues. Enfin, nous avons dirigé nos recherches sur la réalisation d’un matériau absorbant ‘Vert’ à partir d’une matrice de liège. Ces nouveaux matériaux, réalisés à partir de matières biosourcées, ont montré de meilleures performances d’absorption qu’un absorbant du commerce de mêmes dimensions en incidence normale (S11 = -53 dB et S11 = - 27 dB respectivement à 4,2 GHz) et en incidence oblique (S11 = -50 dB et S11 = -30 dB respectivement à 4,2 GHz) et constituent donc des candidats potentiels pour le remplacement des matériaux absorbants du commerce actuels. / This thesis work focused on the study of new materials for electromagnetic absorption in anechoic chambers. This subject arose from the study of a new matrix which was never used for electromagnetic absorbers until then: the epoxy foam. This foam has many advantages compared to the matrices usually used in the trade like the possibility of cutting complex shapes out of them or trapping the charge in the core of the absorber...This matrix was associated to different carbonaceous load (carbon black, graphite and carbon fibers). The combination of epoxy foam with millimeter carbon fibers has shown better absorption performance at very low loading rates: 0.5 %wt (S11 ≈ -40 dB between 4 and 18 GHz under normal and oblique incidences). The use of different fiber lengths showed that it is possible to improve absorption performance at low frequencies using long carbon fibers. Finally, we directed our work on the creation of an absorbent material from a cork matrix. These new materials, made from bio-based materials, have shown better absorption performance than a commercial absorber, with the same dimensions in normal incidence (S11 = -54 dB and S11 = - 27 dB respectively at 4.26 GHz) and oblique incidence (S11 = -51 dB and S11 = -30 dB respectively at 4.26 GHz) and are therefore potential candidates for the replacement of existing commercial absorbent materials.