Le comportement mécanique du nickel polycristallin de haute pureté a été étudié en fonction de l'épaisseur et du nombre de grains dans l'épaisseur, à l'aide d'essais mécaniques et d'observations en microscopie électronique en transmission (MET). L'objectif principal est de caractériser l'effet d'une transition volume/surface des échantillons polycristallins métalliques en lien avec le microformage industriel. Le comportement mécanique a été examiné à l'aide de deux séries d'échantillons, une première dont l'épaisseur est fixée à 500 µm avec une taille de grains variable et une seconde dont la taille de grains est maintenue constante (100 µm) et dont l'épaisseur varie entre 12,5 µm et 6,4 mm. Ces deux séries d'échantillons, assurant la séparation des deux variables d'étude, possèdent une microstructure similaire caractérisée expérimentalement par diffraction des neutrons, EBSD et MET. Avec une réduction du nombre de grains dans l'épaisseur en dessous d'une valeur critique indépendante de la série d'échantillon, un fort adoucissement, une modification des caractéristiques du glissement plastique et une réduction des contraintes internes sont révélés. Cette valeur critique définit la borne inférieure du comportement mécanique polycristallin classique en dessous de laquelle le comportement multicristallin puis quasi-monocristallin apparaît. Cette transition semble due à l'existence d'effets de surface provoqués par la transition polycristal-monocristal.

L'objectif principal de cette thèse était de comprendre l'influence du revenu, de la vitesse de trempe et de la composition de l'alliage sur le compromis limite d'élasticité / ténacité dans les alliages de la série 7000, compromis critique pour une conception performante des ailes d'avion. Nous avons essayé de maîtriser ces effets en les associant à l'évolution des principaux paramètres de la microstructure à toutes les échelles. Pour cela nous avons utilisé une approche partant de la caractérisation de la microstructure et des mécanismes de rupture, afin de dégager les paramètres dominants.<br /><br />L'approche suivie était donc avant tout expérimentale. Nous avons caractérisé le comportement mécanique du matériau à partir d'essais classiques de traction mais aussi à partir d'essais de déchirement sur éprouvettes entaillées de type Kahn. Parallèlement les techniques de diffusion centrale de rayons X, de microscopie électronique à balayage et en transmission ont permis de caractériser les différentes familles de précipités se formant pendant les traitements thermiques.<br /><br />Ainsi à chaque effet du procédé de production sur le comportement en ténacité, nous avons pu associer une cause microstructurale : les précipités intergranulaires de revenu, les précipités intergranulaires et transgranulaires de trempe et les particules intermétalliques. Une fois identifiées, ces causes ont été traduites dans un modèle simple de résistance à l'entaille qui permet de rationaliser les grandes tendances.

Dans le cadre des développements technologiques réalisés au CEA, l'analyse du comportement mécanique des liaisons soudées hétérogènes Ta/TA6V est une préoccupation première. En effet, la soudure de ces deux matériaux qui se distinguent par leurs propriétés mécaniques et thermiques, induit de fortes hétérogénéités microstructurales au niveau de la zone fondue.<br />Afin de caractériser le comportement des joints, un essai de flexion quatre points sur éprouvette entaillée a été développé. Ce nouvel essai permet d'obtenir une réponse macroscopique mais également d'analyser plus finement, grâce à un moyen d'extensométrie optique, l'influence des hétérogénéités sur la déformation locale du joint soudé. La confrontation de ces résultats à une étude métallurgique permet de conclure quant à l'influence du gradient de composition sur la rupture.<br />En outre, des essais de nanoindentation permettent d'identifier certains paramètres locaux tels que le module d'élasticité dont la faible valeur est quantifiée.<br />Une base expérimentale variée, réalisée sur les matériaux de base, permet d'identifier un modèle élasto-viscoplastique avec écrouissages isotrope et multi-cinématique non linéaires couplé à l'endommagement. Ce modèle prend en compte l'anisotropie initiale et entre dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Une attention particulière est portée à la description de la viscosité, l'introduction de plusieurs couplages avec l'écrouissage isotrope et le traitement numérique de la contrainte plane.

La thèse est consacrée à la caractérisation mécanique des films minces à l'aide de mesures de déplacements par voie optique et traitements numériques. Les domaines d'études sont d'une part les contraintes résiduelles et d'autre part l'essai de traction. Les moyens de mesure employés sont la projection de franges et la photographie numérique de speckle.<br /><br />La projection de franges permet de mesurer la carte des déplacement hors-plan. Elle est adaptée à la mesure des contraintes résiduelles dans les films minces par analyses de courbure et/ou essais de gonflement. On montre suite à trois études expérimentales :<br />1. la précaution à prendre dans l'utilisation de la formule de Stoney même pour des bicouches libre-libre (SiO2/Si) ;<br />2. la présence de flambage dans les membranes bicouches comprimées encastré-encastré (SiO2/Si) ;<br />3. un parfait accord entre essais de gonflement et essais de nano-indentation pour des films tendus (polimiide).<br /><br />La photographie numérique de speckle permet de mesurer la carte des déplacements dans le plan. Elle est adaptée avec succès à un banc d'essais de traction conçu durant la thèse et spécialement dédié aux films minces. Un algorithme original de calcul a été développé pour obtenir une résolution subpixel. Les performances de l'algorithme sont comparées par des simulations et des expériences aux algorithmes classiques de corrélation. Sa rapidité et sa haute résolution permettent de calculer les cartes de déplacements en temps réel. Les déformations dans le plan en sont déduites et permettent le tracé des courbes contrainte/déformation puis le calcul du module d'Young E et du coefficient de Poisson v. Les matériaux choisis pour valider le banc d'essai sont le cuivre électrodéposé, matériaux ductile, puis le silicium monocristallin, matériaux fragile.

Les matériaux granulaires sont utilisés dans de nombreux domaines tels que la pharmacie, la chimie, la métallurgie, l'agroalimentaire. Ils font l'objet de nombreuses recherches théoriques et expérimentales. La compression en matrice fermée est un procédé économique et facile à automatiser, ce qui explique qu'elle soit très répandue dans les industries qui utilisent des milieux granulaires. Dans le domaine pharmaceutique, le comprimé reste la forme la plus présente sur le marché. Bien que simple en apparence, la compression est un processus dynamique irréversible d'une grande complexité. Dans le cas d'un comprimé pharmaceutique, il faut garder à l'esprit que celui ci doit répondre à la fois à des contraintes technologiques, à des contraintes thérapeutiques et à des contraintes réglementaires très strictes. Pour répondre à ces différentes contraintes, les comprimés pharmaceutiques sont obtenus par la compression de mélanges souvent complexes d'excipients et d'une substance active. Bien que des progrès aient été fait dans la quantification des propriétés mécaniques des systèmes simples, le comportement mécanique des systèmes de poudres plus complexes a été moins étudié. L'idéal pour le formulateur serait de disposer des propriétés de chaque constituant du mélange et de sa contribution au comportement de l'ensemble du système pour pouvoir prédire le comportement des constituants en mélange. L'expérience semble montrer que ce n'est pas aussi simple. Or, comprendre le comportement d'un mélange en fonction des propriétés de ces constituants de base, c'est non seulement pouvoir prédire le comportement du mélange, mais également pouvoir développer de nouvelles formules.<br /><br /> L'objectif de ce travail de recherche est d'évaluer les propriétés de mélanges granulaires compactés. Etant donnée la complexité du problème et la difficulté d'interprétation lorsque l'on s'intéresse à des mélanges d'excipients, les études doivent être réalisées sur des systèmes simples (mélanges binaires faisant intervenir des systèmes monodisperses). Il a donc été nécessaire d'étudier de la façon la plus complète possible les systèmes simples choisis avant de pouvoir passer à l'étude de leurs mélanges binaires.<br />Les excipients étudiés (A TAB®, Fast Flo®, Vivapur 12®) sont représentatifs des excipients utilisés dans le domaine pharmaceutique. Les données de la littérature ont également mis en évidence des comportements en compression très différenciés. <br /><br />Le premier objectif de ce travail a donc été de caractériser de la manière la plus exhaustive possible le comportement sous pression des trois excipients ainsi que les propriétés mécaniques de ces systèmes compactés.<br />Les résultats obtenus sur la compressibilité des trois excipients (énergies mises en jeu au cours de la compression, consommation de la porosité, modélisation de Heckel et seuil moyen d'écoulement plastique) ont confirmé des aptitudes à la compression très différentes.<br />En complément, la technique de microtomographie X a été utilisée pour caractériser la fraction solide des comprimés de Vivapur 12®. Cette technique est une technique émergente dans l'étude des comprimés pharmaceutiques. Il a donc été nécessaire au préalable de la valider dans le domaine d'application dans lequel nous voulions la mettre en oeuvre (vérification de la loi de Beer-Lambert). Après une étape de calibration, une hétérogénéité au niveau de la répartition de la masse volumique a été mise en évidence au sein des comprimés, avec une différence importante entre la surface (surdensifiée) et le centre du comprimé. A la vue de ces observations, il apparaît donc que la différence entre les propriétés du volume (résistance à la rupture, module de Young, ...) et les propriétés de surface (dureté en indentation, ...) doit être faite.<br />Concernant les propriétés mécaniques des systèmes simples compactés (résistance à la rupture, module de Young, ténacité, dureté Brinell), des différences ont été observées entre les trois excipients pour une même propriété. De plus, pour un même excipient, des variations marquées entre les propriétés mécaniques caractéristiques du volume du compact et les propriétés mécaniques caractéristiques de la surface ont été mises en évidence.<br />Le modèle de la percolation qui est de plus en plus rencontré dans le domaine de la compression de composés pharmaceutiques a été appliqué aux trois systèmes étudiés. Les résultats de nos essais de modélisation semble montrer que ce modèle présente des limites. L'exposant critique ne semble pas universel pour une propriété donnée et les seuils de densité critique obtenus restent difficile à interpréter.<br /><br />La deuxième partie de ce travail est consacrée à l'étude des mélanges binaires formés à partir des trois excipients étudiés dans la première partie.<br />Le suivi de l'évolution de la porosité des mélanges (à une contrainte de compression donnée) en fonction de la composition massique du mélange a permis de mettre en évidence une relation linéaire Porosité/Composition. Cette relation permet de déterminer la porosité d'un mélange compacté sous une pression donnée à partir des données recueillies au cours de l'étude des systèmes simples. Par contre, le seuil moyen d'écoulement plastique des mélanges n'évolue pas linéairement avec la composition massique du mélange. Mais en raison de la relation précédemment obtenue, une méthode de calcul indirect du seuil moyen d'écoulement plastique est possible. Cette méthode prédictive permet une bonne approximation des propriétés de densification et de déformation d'un mélange binaire quelle que soit sa composition.<br />Pour toutes les propriétés mécaniques étudiées, les lois de proportionnalités simples classiquement utilisées en mécanique ne sont pas applicables. Dans la majorité des cas, une déviation négative est même observée par rapport à ces lois simples.<br />Dans le cas particulier des propriétés mécaniques qui caractérisent la surface des compacts, il est apparu qu'elles étaient régies par le composé le plus plastique du mélange dès que sa proportion massique est égale à environ 30 à 20 %.<br />Pour s'inscrire dans une optique d'aide à la formulation, un modèle a été proposé pour décrire l'évolution du module de Young et de la résistance à la rupture en fonction de la composition du mélange. Après ajustement, une approche basée sur des interactions triangulaires et sur la probabilité de présence de ces interactions semble la plus adaptée.<br />Pour compléter l'étude des systèmes binaires, des essais de microtomographie X ont également été menés sur des mélanges Vivapur 12®/A TAB® compactés. Les représentations obtenues ont permis de mettre en évidence le Vivapur 12® au niveau des surfaces des compacts qui ont été en contact avec les pièces mécaniques. Ces observations confirment les résultats obtenus en microindentation sur ce mélange. Les seuils de percolation des deux excipients ont également été mis en évidence.

Document de synthèse des travaux de Recherche. Ces travaux concernent deux domaines en particulier : - Les matériaux ultraporeux type " aérogels " : ce sont principalement les aérigels de silice qui sont étudiés d'un point de vue textural et structural - Les matériaux hybrides organiques-inorganiques, principalement sous forme de couches, au travers de l'évolution de leurs propriétés mécaniques ainsi que leurs applications à l'optique guidée.

Ce travail est dédié á l'étude de l'influence de nano-particules de alumina (Al2O3) et de di-borure de titane (TiB2) sur la solidification, la microstructure et les propriétés thermiques et mécaniques de l'alliage d'aluminium renforcés, Al-Si9Cu3Fe1. Les matériaux ont été obtenus par un procédé de fonderie à haute pression en coulant les alliages dans les mêmes conditions que les alliages non renforcés correspondants.On a constaté que les particules de Al2O3 et de TiB2 ont une influence directe sur les caractéristiques de l'alliage telles que la microstructure, la précipitation des phases pendant la solidification et les propriétés mécaniques et électriques. On a ainsi montré que les particules de Al2O3 et de TiB2 peuvent être utilisées pour ajuster les caractéristiques des alliages et obtenir des propriétés spécifiques pour des applications dans les secteurs de matériaux légers.

Nous avons synthétisé des composites nanostructurés de nanotubes de carbone (CNT) par deux approches différentes. La première approche se base sur la dispersion dans une matrice d'intérêt d'un masterbatch de polymère fortement chargé en CNT optimisé pour d'une part aider à la dispersion des CNT et d'autre part pour induire une nanostructuration de la matrice. Un masterbatch de poly(styrene-b-butadiene-b-methyl methacrylate) et de CNT re-dispersé dans une matrice de polymère fluoré a permis d'obtenir des composites chargés et néanmoins ductiles. Nous avons aussi utilisé un masterbatch réactif à base de polyamide-6 (PA6). La morphologie co-continue réalisée après ajout de polyéthylène maléisé (PE*) permet d'obtenir des composites cumulant : rigidité, ductilité, résistance aux solvants et conductivité. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous avons démontré une interaction spécifique entre la phase PA6 et les CNT de composites à matrice PE*/PA6 nanostructurée. Le PA6 s'adsorbe sur les CNT ce qui conduit (au dessus d'un seuil de percolation) à des composites possédant comme microstructure un réseau de nanotubes consolidé à ses jonctions par du PA6. Ce réseau " brasé " permet d'obtenir des composites avec des propriétés uniques de tenue haute température. De manière surprenante, nous avons démontré qu'après extraction de la matrice PE* le réseau de nanotubes consolidé se comporte comme un gel. Ces gels originaux peuvent être gonflés par différents solvants de manière parfaitement réversible et possèdent des propriétés électriques dépendantes de leurs taux de gonflement.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la problématique de la préparation et l'intégration des matériaux diélectriques poreux à très faible permittivité (ULK) dans les interconnexions des puces microélectroniques. Cette étude porte sur le développement de couches minces hydrophobes ULK à porosité organisée et isolée, préparées par voies sol-gel et PECVD. Elle vise une amélioration des propriétés mécaniques et une diminution de la diffusion de polluants au coeur des films. Des matériaux hydrophobes mésostructurés et ULK (k < 2,2) ont ainsi été obtenus par voie sol-gel, après retrait d'un porogène par traitement thermique, ou pour la première fois, par traitement thermique sous UV. Les caractéristiques mésostructurales et microstructurales des couches ont été reliées aux caractéristiques de porosité et aux propriétés mécaniques. Les mesures électriques et de perméation de gaz de ces matériaux sont également discutées en vue de leurs applications en tant que matériaux ULK ou comme membranes de séparation de gaz. En PECVD, des matériaux polymère plasma à base de styrène ont été synthétisés et également caractérisés en termes de propriétés mécaniques et de séparation de gaz.

Ce travail étudie comment la mesure des forces hydrodynamiques exercées par un liquide confiné entre une sphère et une surface d'intérêt permet de sonder à distance et sans contact les propriétés mécaniques de cette surface. Nous présentons tout d'abord le principe de cette technique originale de sonde fluide et la machine à forces de surface dynamique que nous utilisons pour mettre en oeuvre ces expériences de nano-rhéologie. Puis nous nous intéressons à deux applications que nous avons plus particulièrement étudiées. D'une part, l'étude des propriétés de friction des bicouches lipidiques. Nous mettons en évidence une très faible friction mesurée sur certaines bicouches fluides et son potentiel rôle pour la bio-lubrification. D'autre part l'étude des propriétés élastiques de couche mince d'élastomère. Nous développons pour cela une théorie de l'élasto-hydrodynamique à géométrie sphère-plan en mode dynamique et présentons des résultats expérimentaux en très bon accord. Nous sommes capables de mesurer le module d'Young de films mince de PDMS d'épaisseur allant jusqu'à 600~nm. Enfin, nous présentons les développements instrumentaux réalisés pour optimiser les performances de la machine à forces de surfaces comme sonde fluide.