Les matériaux polymères sont de plus en plus utilisés pour remplacer d’autres types de matériaux tels que la céramique ou le métal. Cependant, la majorité des polymères ont un désavantage : ils doivent être ignifugés. Néanmoins, grâce à la recherche dans le domaine des matériaux, des polymères haute performance qui résistent à la chaleur et aux scénarios feu ont été conçus. Malgré l’avantage technique qu’apportent ces matériaux, ils sont extrêmement chers. Le but de ce travail est de comprendre la réaction au feu des matériaux hautes performances afin de concevoir des retardateurs de flamme qui réagiraient comme ces polymères hautes performances quand ils sont soumis à des températures élevées ou dans un scénario feu. Dans cette optique, le comportement à haute température et la réaction au feu de trois matériaux hautes performances ont été étudiés : polyetheretherketone (PEEK), polyimide (PI), et polybenzoxazole (PBO). Les mécanismes de décomposition de ces matériaux ont été évalués à travers différentes méthodes analytique telles que le pyrolyseur GCMS et l’ATG-FTIR. La cinétique de décomposition de ces matériaux a aussi été évaluée en utilisant l’ATG dynamique sous différentes atmosphères (azote, 2% oxygène, et air). Cela nous a permis d’acquérir du recul par rapport aux comportements thermiques de ces matériaux hautes performances, que nous avons pu exploiter pour définir des nouveaux retardateurs de feu. Ainsi, une série de retardateurs de flamme ont été synthétisés. Ces retardateurs de flamme font partie de la famille de bases de Schiff et comprennent le salen et ses dérivées, ainsi que certains de leurs complexes métalliques. Le comportement thermique et réaction au feu de ses retardateurs de flamme ont été évalués dans deux polymères : le polyuréthane thermoplastique, et le polyamide 6. Bien qu’une partie de ces retardateurs de feu aient montré peu d’effet au feu, certains ont montré une amélioration importante en termes de chaleur dégagée. Cette nouvelle approche vers la conception de charges ignifugeantes est prometteuse et peut être utilisée comme une méthode complémentaire pour la conception de matériaux haute performance à bas cout. / Polymeric materials have been increasingly used as replacement for other types of materials such as ceramics or metals. However, most polymers have a serious drawback: they need to be fire retarded. Nevertheless, thanks to advanced research in the field, high performance materials that resist high temperatures and fire scenarios have been developed. While these materials have extremely enviable properties, they are also very expensive. The aim of this PhD is to understand the fire behavior of high-performance polymers and design fire retardants that would mimic these high-performance materials under extreme heat or fire. To do so, the thermal and fire behavior of three high performance materials were studied: polyetheretherketone (PEEK), polyimide (PI), and polybenzoxazole (PBO). Their thermal decomposition pathways were evaluated thanks to high temperature analytical techniques like pyrolysis-GC/MS and TGA-FTIR. Model based kinetics of the thermal decomposition of these polymeric materials were also elucidated by using dynamic TGA under three different atmospheres (nitrogen, 2% oxygen, and air). These provided insight regarding the thermal behavior high performance polymers, which were used to conceptualize novel potential fire retardants. Therefore, a series of fire retardants that have demonstrated similar behaviors as high performance polymers in fire scenarios were synthesized. These fire retardants include a Schiff base: salen and its derivatives, as well as some of their metal complexes. The thermal behavior and fire performances of these fire retardants were evaluated in two polymeric materials using a relatively low loading (< 10 wt%): thermoplastic polyurethane, and polyamide 6. While some of the fire retardants had little effect, in terms of fire retardancy, some candidates showed a significant improvement in terms of peak of heat release rate. This reverse approach towards designing fire retardants has shown some promise and can be used as a complementary method for the design of high-performance materials at lower cost.

Les assemblages multicouches polymère-métal, combinant la faible densité du polymère à la résistance du métal, se présentent comme une solution à fort potentiel pour répondre aux problématiques d’allégement de structure dans le secteur des transports. Plus particulièrement, ces travaux s’intéressent à l’élaboration de multicouches basés sur l’utilisation de polymères thermoplastiques thermostables associés à un alliage d’aluminium via un procédé de la métallurgie des poudres appelé « Spark Plasma Sintering » (SPS). Dans un premier temps, la mise en forme par SPS du polymère seul a été étudiée. Les influences des paramètres SPS tels que la température, la pression appliquée et le temps de maintien sur les caractéristiques structurales et les propriétés mécaniques du polyétheréthercétone (PEEK) ont été déterminées au moyen d’un plan d’expérience. Cette étude a permis de proposer des mécanismes de frittage et de mettre en évidence le rôle complexe joué par la pression sur la structure cristalline. Ensuite, le développement des assemblages, sans colle, d’un polyimide ou PEEK associé avec l’aluminium a été considéré. Une approche expérimentale a été mise en place, dans le but d’améliorer l’adhésion entre les deux matériaux. Des traitements de surface appliqués à l’aluminium visant à augmenter l’ancrage mécanique et la compatibilité chimique ont été testés. Le renforcement du polymère afin de limiter sa dilatation thermique a également été abordé. Les contributions de chacun des facteurs sont discutées sur la base de mesures d’adhérence et de caractérisations microstructurales. Cette stratégie a permis d’obtenir des multicouches avec une forte résistance à l’interface. / Polymer/metal multilayer assemblies, combining the low density of the polymer with the strength of the metal, are considered to be of great interest for high-demand engineering applications, especially in the transportation industries where the lightweighting issues are predominant. Keeping this in mind, the present study deals with the development of this kind of assembly, using thermostable thermoplastic polymers associated with an aluminum alloy by means of a powder metallurgy process: the “Spark Plasma Sintering” (SPS) technology. As the first part of this work, the sintering of the polymer was considered. The effects of SPS parameters such as temperature, pressure, and dwell time on mechanical properties of a PolyEtherEtherKetone (PEEK) were investigated thanks to a design of experiment. This study allowed to determine the mechanisms of polymer’s consolidation and the intricate role of pressure on the PEEK crystallinity was examined with particular attention. Then, the development of the assembly, without adhesive part, composed of both polymer (polyimide or PEEK) and aluminum alloy was considered. An approach was set up to improve the compliance between these dissimilar materials comprising: surface treatments on aluminum in order to enhance their mechanical anchoring and their chemical compatibility, as well as polymer reinforcement with the aim of reducing its thermal expansion. The efficiency of each solution is discussed based on microstructural and mechanical characterizations. This approach enabled to process multilayer assemblies with a significant strength at the interface.