Le travail présenté ici porte sur la réalisation d’un matériau polymère piézoélectrique destiné à être l’élément sensible d’un capteur de déformation de tissus biologiques. Cela comprend notamment l’étude de l’assouplissement du copolymère P(VDF-TrFE) nécessaire pour se rapprocher des propriétés mécaniques d’une artère, sans dégrader son coefficient piézoélectrique. Des films de P(VDF-TrFE) plastifiés avec du phtalate de diéthyle (DEP) ont été réalisés selon différents protocoles incluant enduction ou spin-coating et polarisation sous haute tension pour activer les propriétés ferroélectriques. Selon les conditions d’élaboration, deux structures distinctes de films ont été obtenues avec des propriétés physiques propres à chacune. Dans le premier type de film, l’étude de la morphologie et des courbes d’hystérésis polarisation-champ électrique a permis de mettre en évidence une nouvelle structuration du matériau, avec la démixtion du plastifiant dans la matrice. Le champ coercitif est dans ce cas fortement abaissé ce qui permet une réduction de la haute tension de polarisation nécessaire allant jusqu’à 40%, même lorsque que le film ne contient plus que 50wt% de P(VDF-TrFE). Le second type de film, obtenu après recuit à plus basse température, présente au contraire une structure quasi homogène et des propriétés proches d’une loi de mélange. Le champ coercitif reste comparable à celui du P(VDF-TrFE) pur mais la flexibilité du matériau est fortement accrue. L’étude des propriétés mécaniques a montré que le plastifiant peut réduire le module de Young du copolymère à 40MPa avec 30wt% de DEP dans le film. De surcroit la polarisation rémanente et le coefficient piézoélectrique sont également renforcés. Des tests in vitro et in vivo, réalisés sur des artères, de capteurs basés sur ces derniers films ont démontré le haut potentiel du matériau à détecter des déformations de tissus mous et à fonctionner aux fréquences biologiques humaines / The work presented here focuses on the preparation of a piezoelectric polymer material aimed to be the sensitive element of a strain sensor of biological tissues. This includes the study of the softening of the copolymer P(VDF-TrFE) necessary to be close of the mechanical properties of an artery, without reducing the piezoelectric coefficient. Plasticized P(VDF-TrFE) films with diethyl phthalate (DEP) were made according to different protocols including doctor blade technique or spin-coating and polarization under high voltage to activate the ferroelectric properties. Depending on the preparation conditions, two distinct structures were obtained with physical properties specific to each of them. For the first type of film, the study of the morphology and the hysteresis loops polarization-electric field showed a new structure of the material, with a demixing of the plasticizer in the matrix. In this case, the coercive field is strongly reduced which allows a decrease of the required high polarization voltage up to 40%, even if the film only contains 50wt% of P(VDF-TrFE). The second type of film, obtained after an annealing at lower temperature, has an almost homogeneous structure and properties close to a mixing law. The coercive field remains comparable to that of the pure P(VDF-TrFE) but the flexibility of the material is greatly increased. The study of the mechanical properties showed that the plasticizer can reduce the Young modulus to 40MPa for 30wt% of DEP in the film. In addition, the remanent polarization and the piezoelectric coefficient are also reinforced. In vitro and in vivo experiments, performed on arteries, of sensors based on these films demonstrated the high potential of the material to detect the strain of soft tissues and to function at biologic human frequencies

Ce travail de thèse est consacré à la caractérisation des propriétés mécaniques de l’interphase pâte de ciment-granulat au cours de l’hydratation et au cours de la dégradation chimique par lixiviation. La microstructure de l'interphase entre la pâte de ciment et les granulats est caractérisée par une porosité supérieure à celle de la pâte de ciment. Cette zone constitue un point de fragilité dans le béton et ses propriétés affectent fortement le comportement mécanique du béton à l’échelle macroscopique et à l’échelle de la structure. Dans ce travail, la résistance de l’interphase pâte de ciment-granulat est analysée expérimentalement à l'échelle locale. Des essais expérimentaux sont réalisés sur des composites constitués de granulats liés par une pâte de ciment portland préparée avec un rapport Eau/Ciment de 0,5. Des dispositifs expérimentaux dédiés ont été conçus et réalisés de manière à être adaptés à la taille et à la forme des échantillons. La forme des échantillons utilisés et les outils expérimentaux développés permettent de solliciter directement l’interphase. A différents stades de l'hydratation, des échantillons de pâte de ciment seule et des composites sont soumis à des essais de compression, de traction et de cisaillement direct. L’étude des propriétés mécaniques de l’interphase pâte de ciment-granulat révèle une faiblesse de cette zone en termes de propriétés mécaniques..Le protocole expérimental mis au point a permis d’étudier les effets du mécanisme de lixiviation du calcium au niveau de l’interphase sur les propriétés mécaniques du béton à l’échelle locale. Compte tenu du temps caractéristique long du phénomène de lixiviation, la mise en situation expérimentale au laboratoire est accélérée en remplaçant l’eau par une solution de nitrate d'ammonium. Afin de quantifier le développement et la cinétique de dégradation au niveau de la liaison cimentée, les fronts de lixiviation du béton sont caractérisés à différents degrés de dégradation en utilisant la phénolphtaléine comme traceur. Des essais mécaniques locaux (compression, traction et cisaillement) sont réalisés sur les composites et sur la pâte de ciment à différents temps de dégradation. L’étude de l’effet de la lixiviation à l’échelle locale montre le rôle important de l’interphase pâte de ciment-granulat lors du processus de dégradation chimique sur les propriétés mécaniques du composite. / In this work, we presents an experimental study to characterize the mechanical properties at the local scale of the cement paste-aggregate interface during hydration and during chemical degradation by leaching.It is generally accepted that the microstructure of the interface between the aggregates and the cement paste is characterized by a higher porosity than that of cement paste. This makes this zone a weak point in the concrete. The particular properties of this zone strongly influence the mechanical behavior of concrete. In this work, the mechanical properties of the cement paste-aggregate composite, are experimentally studied. The experimental tests are performed on composites at classical aggregate scale (one centimeter of section). These composite are composed by and Portland cement paste and aggregate. The cement paste is prepared with a water/cement ratio of 0.5. The shape of the prepared composites makes them convenient for direct tensile and shear tests. At different stages of hydration, we performed direct tensile and shear tests on the composites by means of specific devices. The same tests were carried out on the cement paste in order to compare with composites results. The shape of the prepared composites makes them convenient to characterize the cement paste-aggregate interface. At different stages of hydration, the composites are subjected to compression tests, direct tensile tests or shear tests. The study of the mechanical properties of the cement-aggregates interface revealed that the cement paste-aggregate interface is the weakest zone in the composite.An experimental protocol was developed to study the effects of calcium leaching mechanism at the cement paste-aggregate interface on the mechanical properties of the concrete. As the process of leaching with the deionised water occurs very slowly, the experimental study in the laboratory is accelerated by replacing the water by ammonium nitrate solution. To quantify the development and kinetics of degradation at the cemented bond, the concrete leaching fronts are characterized at different levels of degradation by using phenolphthalein. Local mechanical tests (compression, tensile and shear) are performed on composite and cement paste at different stages of degradation. The experimental results show that there is a leaching effect on the alteration of the mechanical properties at the cement paste-aggregate interface.

Apprenant de la nature, les architectures spécifiques de certains organismes vivants sont devenues l'une des idées dominantes dans le développement de nouvelles générations de matériaux synthétiques. Dans cette optique, la structure lamellaire de la nacre peut servir de modèle pour la fabrication de nouveaux matériaux composites à matrices métalliques. Un nouveau procédé de métallurgie des poudres, appelée métallurgie des poudres « plaquettes » (FPM), a ainsi été développée pour fabriquer des matériaux composites à matrice métallique à structure lamellaire.L’objectif de ce travail de thèse est l'utilisation du procédé FPM (en utilisant le broyage mécanique (BM) et le frittage SPS), pour la fabrication de matériaux architecturés lamellaires et bioinspirés de structure nacre. Nous avons montré la possibilité de fabriquer, à partir de poudre plaquettes, des matériaux lamellaires anisotropes monolithiques à base de titane et d’alliages de titane ainsi que des matériaux composites Ti/C. Nous avons également montré les avantages de l'architecture multicouches sur l'amélioration des propriétés mécaniques (dureté) du Ti et de TA6V avec une anisotropie de la dureté entre les sections transversale et longitudinale. L’augmentation de la dureté de ces matériaux lamellaires, par rapport aux matériaux non-lamellaire, est liée principalement à l'épaisseur des "plaquettes" qui est contrôlée par le temps de BM, ainsi que par l’effet de la microstructure affinée et de l’écrouissage du matériau lamellaire.Nous avons également montré la possibilité de fabriquer des matériaux composites lamellaires in-situ Ti/TiC par BM (en présence d'acide stéarique) et frittage SPS, avec la possibilité de contrôler la teneur en TiC en jouant sur les conditions de BM (temps BM et taux d’acide stéarique). Ce matériau composite permet une amélioration de la dureté et du module de Young attribuée à la phase de TiC formée. / Learning from nature, biological design has become one of the prevailing ideas in developing new generations of synthetic materials. In the strengthening and toughening exploration of composite materials, nacre lamellar structure may serves as a model system of tremendous interest. A novel powder metallurgy (PM) strategy, called flake PM, was developed to fabricate bulk metal matrix composite materials with laminated structure.The aims of this thesis is the use of flakes PM (using ball milling and SPS sintering), for the fabrication of biomimetic titanium and titanium alloys nacre’s laminated structures and of titanium/carbon composite materials. This process showed the possibility of the fabrication of laminar material with anisotropic microstructure. We proved the advantages of the layer’s architecture on the improvement of Ti and TA6V mechanical properties (hardness) with hardness anisotropy between the cross section and the longitudinal one. The hardness of this material is related to the thickness of the "flakes" which is controlled by the time of BM. This strengthening was also attributed to the flake thickness, the refined microstructure and the hardening of the lamellar material.We showed also the possibility of fabrication of in-situ Ti/TiC laminated composite materials using BM (in the presence of stearic acid) and SPS sintering, with the possibility of the control of TiC content by controlling the BM conditions (BM time and stearic acid amount). This composite material exhibit improvement of the hardness and Young’s modulus, attributed to the TiC phase formed.

Les travaux présentés dans cette thèse s’appliquent à la caractérisation de propriétés mécaniques par la microscopie acoustique. Ils décrivent un capteur focalisé innovant qui autorise à la fois une topographie et une imagerie quantitative d’un matériau élastique. L’innovation consiste en la séparation des différents modes de propagation d’un matériau excité par une sonde focalisée multiélément. La mesure par temps de vol de la vitesse de propagation des modes de surfaces de matériaux élastiques et anisotropes offre une possibilité de quantification du module caractérisant l’élasticité : le module de Young. Le dimensionnement de la sonde multiélément qui est décrit ici est rendu possible grâce au développement d’un modèle de champs acoustiques permettant d’anticiper le champ rayonné par chaque élément. Un deuxième modèle traitant de l’étude temporel des signaux reçus par la sonde focalisée est aussi présenté pour vérifier le comportement discriminant de la sonde des différentes ondes pouvant se propager. La mesure de propriétés mécaniques par la sonde focalisée est appliquée à différents échantillons et propose des résultats cohérents avec une grande sensibilité. La possibilité de réaliser des images de propriétés mécaniques est ainsi démontrée. D’abord adaptée pour des fréquences de l’ordre de la trentaine de mégahertz, cette sonde possède un nombre limité d’éléments pour assurer une simplicité de conception et de fabrication permettant par la suite une miniaturisation du capteur pour atteindre des fréquences proches du gigahertz. / The work presented in this thesis is applied to the characterization of mechanical properties by acoustic microscopy. It describes an innovative focused sensor that enables both topography and quantitative imaging of an elastic material. The innovation consists in the separation of the different propagation modes of a material excited by a focused multielement probe. Measuring the surface mode propagation velocity of elastic and anisotropic materials thanks to their time of flight provides a possibility of quantifying the module characterizing the elasticity: the Young's modulus. The dimensions of the multielement probe are described here and rely on an acoustic field model developed to anticipate the field radiated by each element. A second model studies the temporal behaviour of the focused probe and also verifies the discrimination of the different waves that propagate. The measurement of mechanical properties by the multielement probe is applied to different samples and provides consistent results with high sensitivity. The ability to produce images of mechanical properties is thus demonstrated. First suitable for frequencies near thirty megahertz, this sensor has a limited number of elements to ensure a simplicity of design and manufacture for a subsequent miniaturization of the sensor to achieve frequencies near the gigahertz.

Ce travail se concentre sur le développement d'une procédure expérimentale d’essai mécanique à haute vitesse de déformation de matériaux. La nouveauté de ce travail est l'utilisation de champs d’accélération mesurés comme cellule de force, évitant la nécessité des mesures des forces externes. Pour identifier les paramètres constitutifs des matériaux testés à partir des mesures de champs, la méthode champs virtuels (MCV) basé sur le principe des puissances virtuelles (PPV) est utilisée. En dynamique, avec la MCV, il est possible de définir des champs virtuels qui mettent à zéro les puissances virtuelles des forces externes. Au lieu de cela, l'accélération obtenue grâce à une double dérivation temporelle des déplacements peut être utilisée comme une cellule de force. Enfin, les paramètres élastiques peuvent être identifiés directement à partir d’un système linéaire qui se construit en réécrivant le PPV avec autant de champs virtuels indépendants que d’inconnues à identifier. Cette procédure est d'abord validée numériquement par des simulations éléments finis puis mise en œuvre expérimentalement en utilisant deux configurations d’impact différentes. Les résultats confirment que effets inertiels peuvent être utilisés pour identifier les paramètres des matériaux sans la nécessité de mesurer la force d’impact, et sans exigence de déformations uniformes comme dans les procédures actuelles basées sur le montage de barres d’Hopkinson. Ces nouveaux développement ont le potentiel de mener à de nouveaux essais standards en dynamique rapide / This work focuses on the development of a novel experimental procedure for high strain rate testing of materials. The underpinning novelty of this work is the use of the full-field acceleration maps as a volume distributed load cell, avoiding the need for impact force measurement. To identify the constitutive parameters of materials from the full-field data, the Virtual Fields Method (VFM) based on the principle of virtual work is used here. In dynamics, using the VFM, it is possible to define particular virtual fields which can zero out the virtual work of the external forces. Instead, the acceleration obtained through second order temporal differentiation from displacement can be used as a load cell. Finally, the elastic parameters can be identified directly from a linear system which is built up through rewriting the principle of virtual work with as many independent virtual fields as unknowns. Thus, external force measurement is avoided, which is highly beneficial as it is difficult to measure in dynamics. This procedure is first numerically validated through finite element simulations and then experimentally implemented using different impact setups. Both results confirm that inertial effects can be used to identify the material parameters without the need for impact force measurements, also relieving the usual requirements for uniform/uniaxial stress in SHPB like test configurations. This exciting development has the potential to lead to new standard testing techniques at high strain rates

Les superalliages à base de nickel sont très utilisés pour la réalisation des parties chaudes des turbomoteurs aéronautiques. Ainsi le superalliage Inconel 718 est utilisé pour la fabrication de pièces telles que les disques de turbines. Ce superalliage est fortement utilisé car il associe de bonnes propriétés mécaniques jusqu’à 650°C à un coût raisonnable. Au début des années 2000, ATI Allvac a développé un nouveau superalliage à base de nickel dans le but de concurrencer l’Inconel 718. Ce nouvel alliage, nommé ATI 718Plus, promet des propriétés mécaniques supérieures que celles de l’Inconel 718 pour une utilisation pouvant aller jusqu’à 700°C. Pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques jusqu’à 700°C, la composition chimique de l’alliage ATI 718Plus a été établi par ATI Allvac, de façon à obtenir la phase intragranulaire !’ comme phase durcissante, et la phase intergranulaire " comme dans l’Inconel 718. L’objectif de l’étude a été dans un premier temps de comprendre la microstructure de l’alliage. Pour cela des analyses en MEB et en MET ont été menées sur un grand nombre d’échantillons, traités à diverses températures et pour divers temps, de façon à identifier la nature cristallographique et chimique et la cinétique de précipitation des phases présentes dans l’alliage. Dans un second temps l’étude a consisté à caractériser la microstructure et les propriétés mécaniques en traction et en fluage de l’alliage ATI 718Plus traité selon neuf gammes de traitements thermomécaniques différentes. Ensuite l’étude a permis de tester trois gammes de traitements thermomécaniques dont nous avons défini les paramètres grâce aux résultats précédents de manière à optimiser la microstructure dans l’objectif d’améliorer les propriétés mécaniques de l’alliage. Les essais de traction réalisés sur une grande varieté de microstructures et pour différentes températures ont également permis de caractériser la sensibilité de l’alliage ATI 718Plus au phénomène de Portevin - Le Chatelier. / Nickel base superalloys are used to manufacture many high temperature parts of aeronautical turboengines like turbine disks. The Inconel 718 superalloy is commonly used because it associates good mechanical properties until 650°C with a moderate cost. In the beginning of the 2000’s, ATI Allvac has developed a new nickel base superalloy to compete with the Inconel 718. This new superalloy, called ATI 718Plus, promises better mechanical properties than those of Inconel 718 for a use up to 700°C. To obtain such good mechanical properties, the chemical composition of the alloy ATI 718Plus has been designed by ATI Allvac to obtain the !’ intragranular phase as the strengthening phase, and the " intergranular phase like in the Inconel 718. The objective of the study is first to understand the microstructure of the alloy. For that reason, SEM and TEM analyses were performed on a large number of samples, treated at various temperatures and for different times, to identify the crystallographic and chemical nature and the precipitation kinetic of the phases present in the alloy. In a second time, the study has consisted in characterizing the microstructure and the mechanical properties of the alloy ATI 718Plus, forged according to nine different thermomechanical treatments. Then, the study has permitted to test three thermomechanical treatments, wich parameters we have determined according to the previous results, to optimize the microstructure in order to improve alloy mechanical properties. Strength tests performed on various microstructures and several temperatures also permitted to characterize the alloy ATI 718Plus sensitivity to Portevin-Le Chatelier effect.

Les mousses de polyuréthane (PU) hautement poreuses sont largement utilisées dans différentes industries pour dissiper l’énergie des ondes sonores et vibratoires. La propagation des ondes acoustiques dans ces matériaux poroélastiques est décrite à partir d’un ensemble de paramètres physiques connus sous le nom de paramètres de Biot (pour les matériaux isotropes, ils sont composés de 5 paramètres non acoustiques et de 4 paramètres mécaniques). Il est bien connu que les propriétés macroscopiques dépendent intrinsèquement des propriétés de la microstructure de la mousse. Ainsi, une compréhension claire des corrélations entre la structure interne des mousses de PU et leurs paramètres de Biot ainsi que la contribution de chaque paramètre, soit microscopique ou macroscopique, sur l’indicateur vibroacoustique désiré est d’un intérêt majeur au stade précoce de la conception et de l’optimisation de ces matériaux poroélastiques. Le développement d’un modèle micromacro qui corrèle les propriétés de la microstructure aux paramètres macroscopiques de Biot est donc nécessaire. Récemment, un modèle qui corrèle les propriétés de la microstructure des mousses PU hautement poreuses à leurs propriétés non acoustiques a été présenté par Doutres et coll. [24, 25]. Dans cette étude, les propriétés de la microstructure (dimensions de la cellule et taux de réticulation) sont d’abord caractérisées par un microscope électronique à balayage (SEM). Ensuite, l’effet du taux de réticulation (mesurant le pourcentage de fenêtres ouvertes), de la taille des cellules et de la densité relative sur les propriétés mécaniques de la mousse de polyuréthane a été élucidé à l’aide d’un modèle numérique. Se basant sur ce modèle, un modelé analytique existant, qui corrèle les propriétés de la microstructure de mousses PU entièrement réticulées à ses propriétés mécaniques, a été revu et corrigé pour tenir compte de l’effet important du taux de réticulation. En combinant le modèle de Doutres avec le modèle mécanique développé dans cette thèse, un modèle micro-macro complet est ainsi obtenu. Utilisant ce modèle, l’impact de la variabilité de la microstructure et la contribution de chacun des paramètres microstructuraux à la réponse vibroacoustique ont été étudiés utilisant une méthode d’analyse de sensibilité globale (FAST). La méthode FAST a été utilisée pour identifier l’impact de la microstructure sur, premièrement, les paramètres de Biot-Allard et, deuxièmement, sur les indicateurs vibroacoustiques (absorption et perte par transmission) des mousses de polyuréthane poroélastiques. Une fois les modèles micro-macro et la contribution des propriétés de la microstructure connus, la performance vibroacoustique de la mousse a été optimisée. Ainsi nous avons testé numériquement la performance acoustique de mousses homogènes et de mousses graduellement structurées (variation de propriétés suivant l’épaisseur de la mousse). Cette étude ouvre ainsi de nouvelles portes pour concevoir des mousses PU innovantes avec une microstructure modifiée et des performances vibroacoustique améliorées. / Abstract : Highly porous polyurethane (PU) foams are widely used in different industries to dissipate the energy of sound and vibration waves. Propagation of acoustic waves in such poroelastic materials is explained based on a set of physical parameters known as the Biot's parameters (for isotropic materials these are comprised of 5 non-acoustical parameters and 4 mechanical parameters). These macroscopic properties are inherently dependent on the microstructure properties of the foam. Hence, a clear understanding of correlations between the internal structure of PU foams and their Biot's parameters and the contribution of each parameter, either microscopic or macroscopic, to classical vibro-acoustic indicators is of utmost interest at the early stage of design and optimization of such poroelastic materials. In consequence, a micro macro model that correlates microstructure properties to macroscopic Biot's parameters is needed. Recently, a model that correlates the microstructure properties of highly porous PU foams to their non-acoustical properties was presented by~\citet{Doutres2011,Doutres2013}. In this study, micro-structure properties (strut length, strut thickness, and open pore content) are first characterized using a Scanning Electron Microscope (SEM). Then, a numerical study is performed to elucidate the effect of open pore content (known as reticulation rate), cell size, and relative density on the mechanical properties of polyurethane foam. Based on this study, an existing analytical model~\cite{Gong2005} that correlates fully reticulated unit cell microstructure properties of PU foams to its mechanical properties is corrected and updated to account for these important parameters. Combined with Doutres’ model, the proposed extension lead to a full micro-macro model for predicting the acoustic performance of PU foams from its microstructure. Using this model, the contribution of the unit cell parameters and effect of their variability on classical vibro-acoustic indicators (absorption and transmission loss) is investigated using a global sensitivity analysis method (FAST). The FAST method is used to identify the impact of microstructure role on, first, the Biot-Allard parameters and, second, on vibro-acoustical indicators of poroelastic polyurethane foams. Based on this sensitivity analysis study, the developed micro-macro model, is used to design both optimum homogeneous foam and functionally graded foams (properties optimally varnish along the thickness of the foam) targeting specific in absorption and/or transmission loss problems. This study opens thus a new door to design innovative PU foams with modified micro-structure and improved vibro-acoustical performance.

Fort d’une croissance annuelle de l’ordre de 6%, le secteur des matériaux composites est actuellement en pleine expansion et se doit de répondre aux exigences d’un marché en constante évolution. Dans le même temps, la raréfaction des ressources pétrolières et l’augmentation de la conscience environnementale, conduisent à une demande croissante en matériaux bio-composites. Le remplacement des fibres synthétiques (fibre de verre en particulier) par des fibres naturelles engendre un intérêt certain dont les motivations principales sont la réduction de l’impact environnemental, la diminution des coûts et l’obtention d’un matériau plus léger à volume égal. Néanmoins, la faible compatibilité existante entre les fibres de cellulose hydrophiles et les matrices polymères hydrophobes, est un des inconvénients majeurs qui nuit au bon développement de ces matériaux. L’objectif de cette thèse est de développer une alternative aux fibres de verre pour l’élaboration de matériaux composites à matrice thermoplastique. Pour ce faire, l’intégration de filaments de cellulose (FC), fournis par Kruger notre partenaire industriel, a été étudiée. En plus d’apporter un côté « vert » au matériau final, les FC permettent de réduire le poids des composites par rapport à leurs homologues synthétiques. Néanmoins, la faible compatibilité entre les filaments polaires et la matrice apolaire ainsi que la grande capacité d’absorption d’eau des FC nous a conduit à développer différentes stratégies de modification chimique des FC, afin d’en accroitre le caractère hydrophobe. Ces modifications ont permis de renforcer les matériaux composites grâce à l’amélioration de l’adhésion entre les FC et la matrice, le tout en minimisant la perte de résistance mécanique causée par l’absorption d’eau. Les résultats obtenus après acétylation, alkylation et encollage sont décrits dans ce manuscrit. / Over the past two decades, the increase of environmental concerns and shortage of petroleum resources have provoked a growing interest in the use of natural fibers as an alternative to synthetic fibers for the reinforcement of composites. Natural fibers possess desirable specific properties including biodegradability, renewability and low-cost. In addition, they have densities much lower than synthetic fibers, which makes them interesting for different applications ranging from automotive parts to packaging. Despite their benefits, certain drawbacks such as incompatibility with the hydrophobic polymer matrix, a tendency to form aggregates during processing and a poor resistance to moisture absorption, reduce the potential of these fibers to be used as a reinforcement of hydrophobic thermoplastic matrices.This thesis aims to substitute glass fibers by cellulose fibers for their use in fiber-reinforced composites. Reinforcement of LDPE composites with cellulose filaments (CF), supplied by our industrial partner Kruger, was studied. CF appear to an interesting alternative to glass fibers because they possess desirable specific properties including biodegradability, low density, high tensile strength and modulus as well as providing a low-cost and renewable option. However, the weak interfacial adhesion between CF and LDPE, and the high moisture absorption of CF led us to carry out several chemical modifications of CF in order to increase their hydrophobicity. Modified CF-composites exhibit higher mechanical properties and lower water uptake than unmodified CF-composites. Results obtained from acetylation, alkylation and paper sizing are described in this manuscript.

L’allègement des structures, et notamment des câbles électriques, est un enjeu majeur pour les industries aéronautique et ferroviaire, grandes consommatrices en ressources énergétiques. L’utilisation de nanotubes de carbone (NTC) comme renforts dans l’élaboration de matériaux composites à matrice aluminium est une solution prometteuse pour obtenir un matériau à propriétés améliorées. L’élaboration par métallurgie liquide en four à induction d’un matériau Al-NTC fait face à des challenges tels que l’intégration et la dispersion des NTC dans l’aluminium liquide. Une démarche par intégration d’échelles a été mise en œuvre avec des fibres et des nanofibres de fibres de carbone (NFC), et a permis d’identifier que la présence d’une interface cuivrée à la surface des renforts et un brassage mécanique sont les points clés pour favoriser le mouillage et la dispersion des NTC. Un matériau Al-NFC à propriétés mécaniques améliorées a été élaboré et la contribution du cuivre apporté par l’interface a pu être quantifiée. La contribution des NFC sur l’amélioration de la résistance élastique par rapport à l’aluminium de référence est de +44% avec des paramètres d’élaboration optimisés.Le comportement des NTC avec et sans interface cuivre dans l’aluminium liquide a été étudié selon des considérations thermodynamiques et cinétiques. Un modèle de croissance de carbures d’aluminium a ainsi pu être établi théoriquement et calibré expérimentalement avec une méthode de corrélation par intégration d’images. L’influence des NTC sur la germination hétérogène de l’aluminium a également été étudiée et une méthode permettant d’obtenir des éprouvettes à structure équiaxe fine a été déterminée. / The lightening of structures, including electrical cables, is a major issue for aviation and rail industries, major consumers of energy resources. The use of carbon nanotubes (CNTs) as reinforcements in the preparation of composite materials with aluminum matrix is a promising solution to achieve improved properties in the material. The preparation by liquid metallurgy of an Al-CNT material with induction furnace processing is facing challenges such as the integration and dispersion of CNTs in liquid aluminum.A scales integration method has been implemented with fiber and carbon fiber nanofibres (NFC). It has allowed to identify that the presence of a copper interface at the surface of reinforcements and mechanical stirring are the key points to promote wetting and dispersion of CNTs. An Al-NFC composite material with improved mechanical properties was developed and the copper contribution provided by the interface could be quantified. NFC contribution to improving the elastic strength relative to the reference aluminum is + 44% with optimized elaboration parameters.The behavior of CNTs with and without copper interface in liquid aluminum has been studied using thermodynamic and kinetic considerations. An analytic model for aluminum carbide growth has been established theoretically and was experimentally calibrated with an integrate-pictures correlated method. The influence of CNTs on the heterogeneous nucleation of aluminum has also been studied and a method to obtain fine equiaxed structure has been determined.

L’objectif principal de ce travail est de produire des pièces massives nanostructurées à partir des nanomatériauxd’alliages anisotropes à base des éléments de transition 3d (Co et Ni). Afin d’utiliser ces nanomatériaux àl’échelle industrielle, nous avons extrapolé la méthode de synthèse de l’échelle du laboratoire (procédé polyol) àl’échelle pilote. Tout d’abord, nous avons montré qu’en variant les paramètres de synthèse à l’échelle delaboratoire, nous pouvons contrôler non seulement la morphologie mais aussi la taille et la distribution de tailledes nanoparticules. En effet, des sphères de diamètre 10 nm et des nanofils de longueur 260 nm et de diamètre 7nm ont été obtenus pour la stoechiométrie Co80Ni20. Les paramètres clés de cette étude sont la concentration dela soude, le taux de l'agent nucléant, la vitesse d’agitation et le champ magnétique externe appliqué. Le choix dusystème de mélange approprié pour une géométrie du réacteur donnée a également un rôle important dans lecontrôle et la maîtrise de la taille et la forme des nanofils. Avec une turbine Rushton à six pâles droites, nousavons obtenu des nanofils plus courts avec de plus petites têtes coniques et une forte coercitivité. Par ailleurs, larésolution numérique des équations de Navier-Stocks qui gouvernent le transport de matière et de la quantité demouvement dans un fluide agité a permis d’obtenir une corrélation entre les profils d’énergie turbulente dissipéeet la taille des nanoparticules mesurée expérimentalement. Les études magnétiques montrent que les propriétésmagnétiques des nanofils sont intimement liées à leur forme et à leur taille. La synthèse à grande échelle apermis de produire 25 grammes de nanofils de cobalt-nickel par batch. Grâce au procédé de frittage SPS, nousavons élaboré avec succès des matériaux massifs nanostructurés à partir de la poudre formée des nanofils. Alorsque les nanofils présentent des champs coercitifs élevés et des aimantations relativement faibles, les matériauxdenses consolidés par SPS possèdent les caractéristiques d’un ferromagnétisme doux (faible champ coercitif)mais une aimantation à saturation élevée proche de celle attendue. Des champs coercitifs meilleurs sont obtenusavec le matériau dense nanostructuré élaboré en présence d’un champ magnétique permanent. Ce champmagnétique a permis un meilleur alignement des nanofils au cours du frittage. Le comportement mécanique desmatériaux nanostructurés dépend essentiellement de la taille des grains. La dureté et la résistance mécaniqueaugmentent quand la taille des grains diminue conformément à la relation de Hall-Petch. / The main objective of this PhD work is to produce nanostructured bulk from anisotropic nanomaterials alloysbased on 3d transition elements (Co and Ni). For using these nanomaterials on an industrial scale, we haveextrapolated the synthesis method (polyol process) from laboratory scale to pilot scale. First, we showed that byvarying the parameters synthesis in laboratory scale we can control not only the morphology but also the size andthe size distribution of the nanoparticles. Indeed, spheres with diameter of 10 nm and nanowires with meanlength of 260 nm and a diameter of 7 nm were obtained for a stoichiometry Co80Ni20. The key parameters of thissynthesis are the concentration of the sodium hydroxide, the nucleation rate, the agitation and the appliedexternal magnetic field. The choice of suitable mixing system for a given geometry of the reactor also has animportant role for the control of the size and shape of the nanowires. When a six-bladed Rushton turbine wasused, shorter nanowires with unconventional small conical-shaped heads and a higher coercive field wereobtained, confirming a strong relationship between flow patterns and nanowire growth. Moreover, numericalresolution of Navier-Stocks equations that govern the transport of matter and quantity of movement in anagitated fluid allowed us to obtain a correlation between turbulent energy dissipation profiles and nanoparticlesize measured experimentally. Magnetic studies revealed a narrow relationship between the magnetic propertiesand the shape of nano-objects. The large-scale synthesis has produced 25 grams of cobalt-nickel nanowires perbatch. Thanks to the SPS sintering process, we have successfully elaborated nanostructured bulk materials.Whereas nanofils show high coercive field and low saturation magnetization, dense materials produced at hightemperatures behave as soft ferromagnetic materials (low coercivity) but show high saturation magnetizationvery close to that expected. The best coercivities are obtained with the bulk nanostructured material using SPSassisted by a permanent magnetic field. This magnetic field succeeded to align the nanowires during sintering.The mechanical behavior of the nanostructured materials depends mainly on the grain size. Hardness andmechanical resistance increase when the grain size decreases in agreement with the Hall-Petch relationship.