La Direction des Applications Militaires du Commissariat à l’Énergie Atomique ayant choisi l’APX4 pour la fabrication d’un sous-ensemble à haute résistance mécanique, cette thèse se développe suivant trois grands axes. Premièrement, elle synthétise les connaissances antérieures concernant cet acier ainsi que des nuances voisines. Par ailleurs, elle établit une caractérisation précise de la matière effectivement utilisée pour la fabrication industrielle. Enfin, ce travail à forte connotation expérimentale s’attache à observer et interpréter les conséquences microstructurales et mécaniques de cycles thermiques appliqués à l’APX4. Les traitements thermiques étudiés sont l’austénitisation, la trempe, le chauffage interrompu à température variable (sans maintien avant refroidissement) et le revenu de durée et température variables. Grâce à des techniques d’analyse in situ (dilatométrie, calorimétrie, diffraction de rayons X...), on a pu enregistrer un certain nombre de signaux révélateurs des phénomènes se produisant pendant les phases de chauffage et de refroidissement des cycles thermiques. D’autre part, après refroidissement, d’autres moyens nous ont permis de caractériser à température ambiante les échantillons traités (essais mécaniques, observations microscopiques, DRX, pouvoir thermoélectrique...). L’interprétation des évolutions complexes de l’APX4 au cours des cycles thermiques s’appuie sur le croisement multi-technique et multi-échelle des informations acquises expérimentalement et tirées de l’analyse bibliographique. Ce mémoire constitue pour le CEA DAM une base de travail solide et étendue, qui servira de point d’ancrage à des études futures, plus ciblées sur des problématiques de fabrication, de fonctionnement et de vieillissement. Bénéficiant d’un large panel de techniques expérimentales, la thèse a été rendue possible par une collaboration entre les centres CEA de Valduc et de Saclay ainsi que l’Université de Bourgogne. Elle a été préparée au Laboratoire Expertise et Caractérisation Métallurgiques du Service Études de Métallurgie Physique, au Département Recherche sur les Matériaux Nucléaires, du centre CEA de Valduc, avec le concours du Service Recherche en Métallurgie Appliquée de la Direction de l’Énergie Nucléaire au CEA de Saclay et du Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne de l’Université de Bourgogne à Dijon. / The Direction des Applications Militaires at the Commissariat à l’Énergie Atomique, a French government-funded technological research organisation, selected a low carbon chromium rich martensitic stainless steel (APX4) to manufacture components with high yield strength and ultimate tensile strength. As such, this thesis is developed around three main axes. Firstly, the thesis summarizes the existing bibliography on this steel as well as its neighboring nuances. Secondly, it engages in a precise characterization of the material that is currently used for industrial manufacturing. Finally, this highly experimental work undertakes to observe and interpret the micro-structural and mechanical consequences of thermal cycles applied to APX4. The following thermal treatments are examined: normalization, quenching, interrupted heating at variable temperatures and tempering at variable temperatures and for variable durations. Thanks to in situ analysis techniques (including dilatometry, calorimetry, X ray diffraction), we were able to record a certain number of indicators of the phenomena that occur in the heating and cooling phases of the thermal cycles. Furthermore, after cooling, other means enabled us to characterize the mechanical tests at room temperature (mechanical tests, microscopic observations, XRD, thermo-electrical power). The complex evolutions in the APX4 are interpreted through the thermal cycles via multi-technical and multi-scale crossing of the information acquired experimentally and drawn from the bibliographical analysis. This thesis constitutes a wide, solid basis of work for the CEA, which will serve as the reference point for future studies that will focus more specifically on manufacturing, operational and ageing issues. The thesis has benefited from a wide range of experimental techniques and has been made possible by a collaboration between the CEA centres in Valduc and Saclay and the Université de Bourgogne. It was prepared in the Laboratoire Expertise et Caractérisation Métallurgiques Laboratory of the Service Études de Métallurgie Physique, in the Département Recherche sur les Matériaux Nucléaires at the CEA centre in Valduc, with the aid of the Service Recherche en Métallurgie Appliquée of the Direction de l’Énergie Nucléaire in the CEA Saclay centre and the Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne and the Université de Bourgogne in Dijon.

De nos jours, la complexité des pièces mécaniques est de plus en plus grande dans de nombreux secteurs industriels de pointes tels que l’aéronautique, l’aérospatiale ou bien encore le domaine médical. Pour répondre à ces nouvelles exigences, notamment en termes de géométrie, de nouvelles techniques de conception et de fabrication automatisées intègrant également une meilleure traçabilité des pièces, sont mises en place. Ce travail de thèse s’est inscrit dans un projet partenarial entre le Laboratoire Génie de Production de l’ENIT et la société EXAMECA, spécialiste de pièces chaudronnées pour l’aéronautique. L’étude a porté plus précisément sur l’assemblage permanent de pièces en superalliages par soudage LASER pour la réalisation d’une nouvelle chambre de combustion de turbomachine. Les assemblages des différentes parties de la chambre de combustion sont actuellement réalisés par procédé TIG (Tungsten Inert Gas), encore appelé procédé GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), de manière manuelle ou semi-automatique avec fil d’apport de la même nuance que le superalliage base nickel. Même si cette technique industrielle est éprouvée, elle peut générer encore des problèmes de non-conformité car elle requière une grande dextérité des opérateurs pour éviter notamment les déformations importantes des pièces chaudronnées. L’étude avait donc pour objectif d’évaluer la pertinence du procédé de soudage LASER Yb : YAG pour l’assemblage homogène et hétérogène des superalliages Hastelloy X et Haynes 188 sans métal d’apport. Le procédé de soudage autogène à l’aide d’une source LASER disque Yb : YAG est encore relativement récent dans l’industrie même s’il semble offrir de nouvelles perspectives intéressantes. Une première partie de l’étude a permis de caractériser la caustique du faisceau LASER afin de déterminer des paramètres clés lors du soudage que sont par exemple la forme et la taille du spot LASER, la répartition de la densité de puissance à la surface de la pièce ou au point focal par exemple. Cette étape finalisée, les domaines de soudabilité des assemblages homogènes des superalliages Hastelloy X et Haynes 188 et des assemblages hétérogènes Hastelloy X - Haynes 188 ont été déterminés. L’influence des principaux paramètres de soudage sur la géométrie (forme et taille) et la tenue mécanique des cordons a pu être identifiée. Des conditions optimales de soudage ont été établies pour les différentes conditions de soudage. Une étude métallurgique des cordons optimisés, obtenus pour les différentes configurations, a été menée à différentes échelles. Elle a permis de déterminer des relations entre d’une part, les paramètres et les modes de soudage (conduction ou keyhole) et d’autre part, entre les modes de soudage et les microstructures des différentes zones des cordons qui conditionnement leurs propriétés mécaniques. / Nowadays, the complexity of mechanical parts is becoming more and more important in numerous cutting-edge insdustries such as aeronautics, aerospace or the medical field. To meet such new requirements, particulary in terms of geometry, innovative conception and automated manufacturing techniques, integrating as well a better traceability of parts, are implemented. This thesis is in partnership with The LGP (Laboratoire Génie de Production) of the National Engineering School of Tarbes (ENIT) and EXAMECA, a company specialized in boiler making for aerospace applications. The study essentially focused on permanent assembly of superalloy parts by LASER welding, in order to develop a new turbomachinery combustion chamber. Assembly of different parts of the combustion chamber are presently performed by TIG (Tungsten Inert Gas) process, or GTAW (USA : Gas Tungsten Arc Welding) process. This manufacturing phase is realized in a manual mode with semi-automatic equipment providing the wire with a similar grade as the nickel base superalloy. Even though this industrial process has been proven, it can still cause noncompliance issues because it requires great dexterity from operators to avoid important deformations of welded parts. Therefore, this study aimed at evaluating the relevance of LASER Yb : YAG welding process, for homogeneous and heterogeneous assembly of Hastelloy X and Haynes 188 superalloys, without filler metal. Autogeneous welding process associated with LASER Yb : YAG disc source is still relatively new in the industry even though it seems to offer very promising perspectives. A first part of the study is dedicated to LASER beam’s caustic characterization, in order to determine key parameters for welding, including shape and size of LASER spot, power density distribution on the surface or at focal point. Once this phase was completed, fields of weldability of homogeneous assemblies of Hastelloy X and Haynes 188 superalloys as well as heterogeneous assemblies of Hastelloy X / Haynes 188 have been determined. Impact of main welding parameters on geometry (shape and size) and mechanical strength beads were identifed. Optimal welding conditions have been established for different welding conditions. A metallurgical study on optimized beads, obtained for different configurations, has been carried out at different scales. It allowed determining relationships between parameters and welding modes (conduction or keyhole), but also between welding modes and microstructures of different beads areas that condition mechanical properties.

Au cours de cette thèse nous avons utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité et les calculs Monte Carlo quantiques pour analyser l'impact des effets de van der Waals sur la structure, l'énergie, et les propriétés des polymorphes de SiO2 et B2O3. Nous avons mis en évidence un phénomène de compensation d'erreur, lié à l'utilisation de fonctionnelle d'échange et corrélation incluant les effets de van der Waals, dans les polymorphes basse densité de SiO2 entre une sur-évaluation des longueurs Si-O et une sous-estimation des angles Si-O-Si. Nous avons effectué des calculs Monte-Carlo quantiques afin de prédire la structure et l'énergie d'un nouveau polymorphe de B2O3 avec une grande précision, ce qui nous a permis d'évaluer les performances de différentes fonctionnelles d'échange et corrélation sur B2O3. Nous avons ensuite utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité pour prédire la structure et l'énergie de 25 nouveaux polymorphes de B2O3 , ainsi que leurs propriétés mécaniques et électroniques. Cette étude permet de proposer une explication à l'anomalie de cristallisation de B2O3, et réconcilie le comportement de B2O3 avec celui des autres oxydes formateurs de réseaux. Elle souligne la possibilité de créer des borates cristallins aux propriétés mécaniques remarquables, et confirme qu'il existe lien entre polymorphisme de basse énergie et facilité de vitrification. / During this PhD I use density functional theory and quantum Monte Carlo to evaluate the importance of van der Waals effects on the structures, the energies, and the properties of SiO2 and B2O3 polymorphs. I show that exchange-correlation functionals including dispersion effects lead to an error cancellation between an overestimation of the Si-O distances and an underestimation of the Si-O-Si angles in low densities SiO2 polymorphs. By using quantum Monte Carlo calculations, I have predicted with high accuracy the relative energy of a new B2O3 polymorph, which allowed me to evaluate the performances of different exchange-correlation functionals on this material. I then use the best functional possible to compute the mechanical and electronic properties of 25 predicted B2O3 polymorphs. Some of the predicted polymorphs exhibit intriguing mechanical properties, such as negative linear compressibility, auxeticity and anisotropy. These calculations allow me to make a hypothesis explaining the crystallization anomaly in B2O3. They underline a seemingly universal link between low energy polymorphism and ease of vitrification.

Le polycarbonate (PC) est un matériau polymère très répandu, fort apprécié pour sa faible densité, sa transparence, ses bonnes propriétés mécaniques et surtout pour son faible coût. Même s’il présente quelques limites essentiellement liées à sa faible résistance à l’abrasion, à la rayure et à sa dégradation dans le temps (sous UV ou hydrolyse), le PC trouve sa place dans un large spectre d’applications (bâtiment, automobile, médical, optique…). Il reste à ce jour indispensable sur ce marché car aucun autre polymère ne présente d’aussi bonnes propriétés mécaniques à prix égal. C’est dans ce contexte que ces travaux de thèse ont permis de développer une solution permettant de protéger le PC de toute agression extérieure par le dépôt d’un revêtement protecteur. L’étude s’est orientée vers le dépôt d’un film hydride organique / inorganique à base de silice, préparé par voie sol-gel, ce procédé permettant une élaboration à une température compatible avec la température de transition vitreuse du PC (Tg) (148°C). Les solutions retenues pour obtenir un revêtement performant sont basées sur la synthèse de revêtements hybrides à base d’oxydes de silicium et de zirconium. Une attention particulière a été portée sur l’augmentation de l’adhérence du film au substrat d’une part, et l’optimisation du procédé (synthèse et traitement de densification), d’autre part. Les résultats sont présentés d’un point de vue physico-chimique (IR, XRR, RMN) et mécanique (nanoindentation, adhésion et test à la rayure). / The polycarbonate is a widespread polymer material, highly appreciated for its low density, its transparency and its good mechanical properties. This material is used for divert applications (automotive, medical, optical...) and is very competitive in terms of quality and prices. However, it displays some weaknesses, essentially due to its poor abrasion and scratch resistance and its possible degradation under UV or hydrolysis. In this context, the PhD aim is to design and develop a new hybrid organic / inorganic protective coating with silica and zirconia based precursors prepared by the sol gel process, which allow a curing compatible with the polycarbonate's Tg (148°C). Here, it is discussed on the solutions retained to obtain a scratch resistant, hydrophobic and transparent coating. It is showed that, scratch resistant protective coatings can be deposited on pristine PC thanks to a performing hybrid organic / inorganic coating by modulating its bulk properties. Moreover, results demonstrate the key role played by a phenylsilane precursor in enhancing the adherence. Nanoindentation, scratch-test, NMR and FTIR analysis will be discussed.

Ce travail s'inscrit dans la démarche générale de compréhension et d'amélioration des propriétés mécaniques des matériaux thermoplastiques amylacés, en proposant une nouvelle démarche originale de modification structurale de l'amidon thermoplastique s’appuyant sur la combinaison de deux techniques: la réticulation de l'amidon sous faisceau d’électrons et l'orientation macromoléculaire issue du procédé de transformation par extrusion. La première partie du manuscrit est consacrée aux propriétés thermomécaniques de l’amidon plastifié et propose notamment une mise à jour de la courbe maitresse contrainte-allongement mettant en évidence le phénomène d’antiplastification mais aussi de surplastification grâce notamment à l’étude des propriétés à Tg équivalentes. L’évolution des températures de transition β (Tβ) des matériaux a pu être reliée aux différentes étapes de la plastification et des analyses ATG ont mises en évidence les phénomènes de sorption et désorption du plastifiant. Les mécanismes d’endommagement de l’amidon plastifié ont également été explorés à l’aide de la technologie de vidéotraction. Le second chapitre du document est consacré à l’étude de la réticulation de l’amidon thermoplastique à l’état solide sous faisceau d’électrons. De nombreux facteurs ont été étudiés comme la dose absorbée, la teneur en eau, la teneur en plastifiant, le type et la teneur en réactif introduit, ainsi que l’impact du taux de réticulation sur le mécanisme de rétrogradation. Le troisième et dernier chapitre traite du mécanisme d’orientation moléculaire particulier de l’amidon thermoplastique, et de son impact sur les propriétés mécaniques. Le couplage de l’orientation et de l’irradiation sous faisceau d’électrons a également été appréhendé. / This work is part of the general approach aiming to understand and improving the mechanical properties of thermoplastics starch materials by proposing a new and original approach to the structural modification of thermoplastic starch through the combination of two techniques: radiation crosslinking and macromolecular orientation. The first part of the thesis focuses on the thermo-mechanical properties of plasticized starch and proposes an update to the master Stress-strain curve highlighting “antiplasticization” and “overplasticization” phenomena thanks to the study of properties at equivalent Tg. The evolution of materials β transition temperature (Tβ) could also be linked to the different plasticization stages and TGA results highlighted the sorption and desorption phenomenon of the plasticizer. The damage and fracture mechanisms of plasticized starch were also explored with videotraction technology. The second chapter of the document is devoted to the study of crosslinking of thermoplastic starch at solid state under an electron beam radiation. Many factors were explored like the absorbed dose, water content, plasticizer content, nature and amount of crosslinking agents introduced, and their impact on curing mechanisms and retrogradation of the plasticized starch. The third and final chapter deals with the specific mechanism of molecular orientation of the thermoplastic starch and its impact on mechanical properties. The coupling of orientation and irradiation under an electron beam was also investigated.

Un des objectifs de la restauration structurale, sujet de cette thèse, est de mettre en évidence les défauts d'interprétation ou les zones potentiellement fracturées. L'extension de cette technique en volume nécessite la définition a priori des propriétés des matériaux utilisés, notamment lorsque ces propriétés sont définies à une échelle fine. Une première partie, ce travail propose une méthode de mise à l'échelle des propriétés mécaniques utilisées pour les calculs de restauration en volume. La principale hypothèse repose sur la loi de comportement utilisée pour les matériaux définis à l'échelle grossière, supposés isotropiques transverses élastiques. Le calcul des propriétés équivalentes se fait par identification, après simulation par Éléments Finis. Cette technique a l'avantage d'assurer la conservation de l'énergie pour le même type de chargement. Dans une dernière partie, ce travail traite la gestion de la tectonique salifère lors de la restauration structurale. Les diapirs de sel présentent des topologies, des rhéologies, et des séquences de dépôt très caractéristiques. Ce mémoire présente une méthodologie de restauration multi-cartes, dont la prise en compte des relations inter-horizons est respectée dans les séquences halocinétiques. Une application de cette méthode est présentée sur le bassin de La Popa (Mexique) où les différentes interprétations réalisées au travers de leurs restaurations sont comparées / Structural restoration of geological models is undertaken to evaluate the geometrical and geological coherency of an interpretation. It can be used to determine deformation rates in different tectonic regimes. In addition, this technique has been used to evaluate high strain zones, and thus, potential fractured zones. Structural restoration attempts to reverse the effects of deformation history to an assumed initial pre-deformation state. Volumetric restoration techniques generally employ entirely continuum mechanic methods. The continuum mechanic model behaviors are dependent on the definition of the materials for which it is imposed reversibility by using elasticity behavior laws. This property is chosen based upon the predominant rock type in the fault block, generally at small scales. To overcome this issue, a methodology to upscale elastic isotropic materials has been implemented by treating upscaled materials as elastic transversely isotropic materials. This insures energy conservation for the same types of loading. Another focus of this work has been the management of salt tectonics in restoration procedures. A multi-surfaces restoration methodology has been developped based on the conservation of apparent thicknesses between stratigraphic layers and an iso-parametric restoration. This technique avoids the dependence of the volumetric restoration on a material model, while properly treating the restoration of unconformities and halokinetic sequences that characterize the flanks of salt structures. This technique has been tested on a field data set over a salt-withdrawal basin in the La Popa Basin (northeastern Mexico)

Le progrès dans le domaine du génie civil n’aurait pas été possible sans le développement de nouveaux matériaux. En fait, les nouveaux matériaux avec des propriétés performantes ont permis la construction de structures modernes, de plus grands bâtiments, de plus grands ponts…etc. En outre, il est important de continuer le progrès et le développement des matériaux dans le futur. En particulier, dans l'approche des constructions intelligentes, nous aurons besoin de nouveaux matériaux aux propriétés très performantes. L'étude des propriétés des matériaux, à l'échelle moléculaire, permet une meilleure compréhension de la façon dont ces matériaux fonctionnent et réagissent à un niveau macro. C’est grâce à de tells études que nous sommes en mesure de comprendre leurs comportements sous des conditions variables. Dans cette thèse, nous focalisons nos efforts sur trois types de matériaux. Le premier est le carbonate de zinc. Le second est la chaux, qui est largement utilisée dans le domaine de la construction et les travaux publics; et le dernier est l'oxyde de zinc, qui est un matériau important pour les constructions en acier. Notre but est d'étudier en détail ces trois différents matériaux à diverses pressions et à compositions variables par la méthode de prédiction de structures basée sur l’approche ab initio. Pour la smithsonite, un bon nombre de propriétés mécaniques a été évalué. Nous montrons notamment que ce système est plus dur et plus rigide que les autres carbonates. En outre, l'étude de ses propriétés électroniques révèle que l'énergie de la bande interdite est assez proche de certains semi-conducteurs. Par ailleurs, deux transitions de phase à haute pression ont été trouvées: la première à 87 GPa et la seconde à 121 GPa. En dessous de 87 GPa, ZnCO3 est stable sous la structure de groupe d’espace R-3c (structure de calcite); et entre 78 GPa et 121 GPa, ZnCO3 se stabilise sous une autre structure dont le groupe d'espace est C2/m (structure de magnésite phase II). Au-delà de 121 GPa, nous montrons que la nouvelle structure de groupe d'espace P212121 devient la plus stable. Par ailleurs, en utilisant la méthode de prédiction de structure –composition variable- basée sur l’approche ab initio, nous montrons que le système Ca-O pourraient se stabiliser sous de nouvelles compositions chimiques autres que le CaO. À pression ambiante, CaO2 est prédit comme étant un système thermodynamiquement stable. Ce nouveau composé passe de la structure de groupe d’espace C2/c à celle de groupe d’espace I4/mcm à 18.5GPa. En augmentant la pression, d'autres composés deviennent plus stables tels que CaO3 qui se stabilise dans la structure de groupe d'espace P-421m à partir de 65 GPa. Enfin, nos études sur ZnO montrent que ZnO2 devient thermodynamiquement stable à une pression supérieure à 120 GPa. Une transition de phase est obtenue à 10 GPa pour ZnO, qui est stable dans la structure wurtzite B4 dans des conditions ambiantes et jusqu'à 10GPa. Au-delà de 10 GPa, ZnO devient plus stable dans une structure de type B1. Ces résultats confortent nos prédictions puisqu’ils s’accordent parfaitement avec les travaux expérimentaux et théoriques précédents. / The civil engineering progress would not been possible without new materials development. In fact, new materials with efficient properties allowed the construction of modern structures, taller building, longer bridges,…etc. Furthermore, it is essential for the progress continuity of this field in the future. Especially, in the smart construction approach we will need new materials with the very efficient properties. The study of the properties of materials at the molecular level, allow a better understanding of how those materials will function and react on a macro level. It is through such studies that we are able to understand their behaviors under a large number of conditions. In this thesis, we focus our efforts on three types of materials. The first one is zinc carbonate. The second one is Lime, which is widely used in building and public works ; and the last one is zinc oxide, which is an important material for steel construction. The purpose here is to investigate in details the three different materials at various pressures and variable compositions by means of the universal structure prediction method based on ab initio tool. For smithsonite, a number of mechanical properties were evaluated. We mainly show that this system is harder and more rigid than the other carbonates. Besides, the investigation of its electronic properties reveals that the energy band-gap is close enough to some semiconductors. Moreover, two high-pressure phase transitions have been found: the first one at 87 GPa and second one at 121 GPa. Below 87 GPa, ZnCO3 is found to be the most stable structure with R-3c space group (calcite structure); and between 78 GPa and 121 GPa, ZnCO3 has another structure (magnesite phase II) with C2/m space group. Above 121 GPa, we show that new structure with P212121 space group becomes more stable. In addition, by means of variable composition ab initio evolutionary algorithm, we show surprisingly new stable compounds from Ca-O. At ambient pressure CaO2 is predicted as a thermodynamically stable system. This new compound goes from C2/c to I4/mcm space group structure at 18.5GPa. Under increasing pressure, further compounds become stable such as CaO3 which stabilize in P-421m space group structure above 65 GPa. Finally, our studies on ZnO show that ZnO2 becomes thermodynamically stable at pressure above 120 GPa. A phase transition is obtained at 10 GPa for ZnO, which is stable in B4 wurtzite structure at ambient conditions up to 10GPa. Above 10 GPa, ZnO becomes more stable in B1 structure. These results strongly support our predictions since they agree perfectly with available experiment and previous theoretical studies.

Les matériaux aujourd'hui utilisés pour l'isolation thermique en milieu aquatique sous pression hydrostatique sont soit des mousses souples à base de caoutchoucs, soit des mousses rigides, notamment syntactiques, selon la profondeur. Ces matériaux souples ont été analysés par des tests mécaniques et thermiques classiques. Cependant, les protocoles et valeurs relevées ont été adaptés à l'usage final du produit, et plus particulièrement à l'environnement aquatique en surface et en profondeur. Les relations entre les différentes caractéristiques (structures et propriétés) de ces matériaux ont été étudiées afin de définir les propriétés adéquates selon des critères pertinents. Pour mettre en évidence les propriétés thermiques sous pression hydrostatique, un outil de test a de plus été développé : une enceinte de test hyperbare innovante, pour l'évaluation de la résistance thermique et de l'épaisseur sous pression d'eau entre 0 et 50 m de profondeur. Les points forts et faibles des matières classiquement utilisées ont été clairement établis. L'analyse de ces résultats a permis d'identifier un concept de matériau composite propre à l'usage défini. Une matière innovante a été conçue en fonction : une mousse syntactique. En variant le type de particules additionnées à une matrice thermoplastique élastomère, la structure cellulaire a été affinée pour obtenir un comportement identique en milieu aquatique, en surface comme en profondeur. En parallèle de sa production industrielle, cette matière a été testée afin d'identifier les relations entre structures et propriétés. / Materials nowadays used for thermal insulation in aquatic environment under hydrostatic pressure are either rubber flexible foams or rigid foams, especially syntactic foams, depending on depth. These flexible materials were analyzed through classical mechanical and thermal tests. However, methods and results were adapted to the final usage of the product, particularly to the aquatic environment at the surface and under depth. Relationships between structures and properties characteristics were studied to define appropriate properties within relevant criteria. Moreover, to underline thermal properties under hydrostatic pressure, a testing instrument has been developed: an innovating hyperbaric test chamber, dedicated to under water pressure thermal resistance and thickness measurements, from 0 to 50 m depth. Strengths and weak points of these classical materials have been clearly established. Results analysis lead to a new concept of composite material for the defined usage. This innovating material, a syntactic foam, has been developed. By varying the particle type added to a thermoplastic elastomer matrix, the cellular structure has been refined in order to obtain a similar behaviour in aquatic environment, at the surface like in depth. This material has been tested, parallel to its industrial production, to identify relationships between structures and properties.

Les matériaux de construction des monuments historiques, tels que les pierres naturelles, sont soumis à des conditions environnementales agressives, comme la variation de la température ou de l'humidité, la pluie, ou encore les polluants atmosphériques. Cela peut provoquer des modifications au sein de la structure même des matériaux. Ces variations peuvent engendrer de fortes contraintes mécaniques aboutissant à des altérations macroscopiques importantes et diverses comme des fissures, des desquamations ou des désagrégations granulaires.La pierre étant un matériau poreux hétérogène, la connaissance de la microstructure, les caractérisations minéralogique et physique sont indispensables à la compréhension du comportement hydromécanique du matériau lors de dégradations. Parmi les différentes conditions environnementales responsables d'altération au sein de matériaux de construction, nous nous intéressons au phénomène de gel-dégel de différents types de pierres calcaires. L'objectif de ces travaux de recherche est de corréler les propriétés microstructurales et minéralogiques de pierres calcaires saines et leurs évolutions, avec leurs propriétés mécaniques au cours de la fissuration sous l'effet des cycles de gel-dégel. Cinq calcaires, aux propriétés microstructurales et mécaniques variées, ont été sélectionnés pour cette étude : les pierres de Massangis, de Lens, de Migné, de Savonnières et de Saint-Maximin.L'évolution de l'endommagement des pierres calcaires est suivie au cours du vieillissement accéléré par la mesure des propriétés suivantes : la vitesse des ondes P, les modules d'Young dynamiques et statiques, la résistance à la compression uniaxiale, la ténacité, la porosité totale et la distribution de la taille d'accès des pores. Le comportement thermo-mécanique des pierres est également étudié par des mesures des déformations et de la température (en surface et au centre des échantillons) pendant les cycles de gel-dégel.Ces recherches ont montré que l'évolution de la microstructure des pierres altérées et leurs propriétés mécaniques intrinsèques comme la ténacité, paramètre déterminant dans l'amorçage et la propagation de fissures, sont liés. En effet, la résistance des pierres aux contraintes provoquées par les cycles de gel-dégel dépend autant de leurs performances mécaniques initiales que de leurs porosités, notamment la part de leurs porosités naturellement accessible à l'eau par immersion et de leurs degrés de saturation naturelle. / Building materials of historical monuments, such as natural stone, are subject to aggressive environmental conditions, such as changes in temperature or humidity, rain, or air pollutants. This can cause changes in the structure of materials. These variations can lead to high mechanical stress resulting in significant and diverse macroscopic alterations as cracks, flaking or granular disintegration.The stone is a heterogeneous porous material, the knowledge of the microstructure, the mineralogical and physical characterizations are essential to understanding the hydro-mechanical behavior of the material during degradation. Among the different environmental conditions of alteration responsible in building materials, we are interested in freeze-thaw cycle of different types of limestone. The objective of this research is to correlate the microstructural and mineralogical properties of fresh limestone and their evolution, to their mechanical properties in cracking under freeze-thaw cycles. Five limestones of varying microstructure and mechanical properties were selected for this study: Massangis, Lens, Migné, Savonnières and Saint-Maximin stones.The evolution of the degradation of limestone is followed during accelerated aging by measuring the following properties: P-wave velocity, dynamic and static Young's modulus, resistance to uniaxial compression, toughness, total porosity and distribution of pore size access. The thermo-mechanical behavior of rocks is also studied by measurements of deformation and temperature (at surface and at center of the sample) during the freeze-thaw cycles.This research has shown that the evolution of the microstructure of weathered stones and their intrinsic mechanical properties such as toughness, determining parameter in the initiation and propagation of cracks are related. Indeed, stones resistance to stresses caused by freeze-thaw cycles depends as much on their initial mechanical performance as their porosity, especially from their pores naturally accessible to water immersion and their degrees of natural saturation.

L'augmentation des dimensions des éoliennes est nécessaire pour réduire le coût du rendement énergétique des parcs éoliens. L'optimisation de ces structures est liée aux renforts fibreux qu'elles utilisent. La rigidité des pâles d'éoliennes provient des longerons en composites monolithiques mis en forme à partir de renforts NCF (« Non-Crimp Fabrics ») unidirectionnels et de résine thermodurcissable. Les renforts se présentent sous forme d'empilement de deux couches (0° et+/- 80°) cousues dans l'épaisseur par un fil polyester. La structure fibreuse, contrôlée par les paramètres de conception, influence les liens de causes à effets entre les paramètres de conception et les performances du renfort et du composite. Il est donc nécessaire d'optimiser les composites pour leur application. Trois paramètres de conception sont étudiés pour établir ces liens : la longueur de couture, le dessin de couture et la masse linéique de la trame. Ces liens sont dévoilés par la mise en relation de données morphologiques issues d'analyse d'images du renfort sec et du composite avec les propriétés macroscopiques déterminées par le biais de moyens expérimentaux. Ces derniers permettent notamment de déterminer le tenseur de perméabilité hydraulique des renforts ainsi que les propriétés élastiques des composites. Il apparait que chacun des paramètres étudiés influence l'hétérogénéité des composites. Cette caractéristique est favorable pour le procédé d'infusion mais affecte la tenue en fatigue des longerons. L'optimisation des renforts NCF pour leur application requiert donc d'établir un compromis. Une autre solution consisterait à permettre une évolution de la morphologie du composite lors de la mise en forme, pour passer d'un renfort sec hétérogène à un composite homogène en terme de fraction volumique de fibre. / The energetic pricing of windmills involves the production cost of wind turbines and theirlifespan. Increasing the performances of these structures comes with an increase of the bladesdimensions. The spar caps of the latters, providing the strength to the blades, are made ofunidirectional glass fiber reinforcement known as NCF (Non-Crimp Fabrics). They involve two layers ofspecific orientations (0° and +/- 80°) stitched together. The architecture formed by the reinforcement isdependent on the design parameters which control the performance, on the fabric during the infusionprocess, and on the composite in the final structure. Therefore, the optimization of the NCF for thewindmill application is controlled by the design parameters. Three parameters (the stitch length, thestitch pattern and the weft Tex) are studied in order to establish the links morphology / process andmorphology / mechanical performances. Experimental investigations are undertaken to determine boththe hydraulic permeability tensor of the fabrics and the elastic properties of their composite. Thesemacroscopic properties are related to the morphology determined using images analysis technics. It isdemonstrated that each of the design parameters impacts the heterogeneity of the composite. Highheterogeneity allows improving the performance during the infusion process while reducing themechanical one. The optimization of the NCF using the design parameters requires setting acompromise in the heterogeneity of the architecture formed by the reinforcement. Another solutionwould consist in allowing the morphology to evolve during the infusion process, to go from an openstructure that eases the flow to a homogeneous structure safer for the windmill application.