Les mousses minérales sont des matériaux alvéolaires utilisables en isolation thermique répartie. L’objectif de ces travaux de recherche est de développer, à partir d’une suspension très concentrée de liants hydrauliques, des mousses légères présentant de bonnes performances mécaniques et thermiques. L’introduction de tensioactif est nécessaire à la formation des mousses minérales. Six molécules tensioactives sont sélectionnées dans cette étude. Leurs capacités à réduire la tension de surface et à stabiliser une mousse aqueuse sont évaluées. Deux groupes de tensioactifs sont distingués sur la base de différents critères : tension de surface, CMC, stabilité de la mousse. Les suspensions minérales concentrées sont des fluides à seuil. L’étude du comportement de bulles formées dans de tels fluides est réalisée à l’aide d’un fluide à seuil modèle transparent, le Carbopol®, et d’un système d’injection à pression contrôlée. Le seuil de mise en écoulement affecte les conditions de formation, de croissance, de stabilité et d’évolution de la forme des bulles en modifiant la distribution des pressions au voisinage de la bulle. L’étude permet de proposer une équation de Laplace modifiée prenant en compte l’influence de la sphéricité et du seuil de cisaillement. L’introduction du tensioactif affecte les conditions de contact entre bulles et permet de contrôler le risque de coalescence. En cas de rupture de membrane, la présence du seuil de cisaillement conduit à une géométrie particulière des bulles coalescées. Les liants minéraux choisis sont un sulfate de calcium anhydre particulièrement réactif, un ciment Portland et un ciment prompt. La formulation des suspensions découle d’un critère de fluidité. La pâte fraîche est caractérisée par un seuil de cisaillement faible. Sa masse volumique apparente dépend de la nature et du dosage en tensioactif. Les mousses minérales sont générées à partir d’une composition identique. Deux méthodes de moussage traditionnelles : malaxage simple et mousse préformée et une méthode alternative : la méthode dissociée, sont exploitées. Les meilleures performances thermomécaniques des mousses durcies sont obtenues avec la méthode dissociée, méthode spécifique au laboratoire et peu énergivore. Un groupe de tensioactifs permet d’obtenir des mousses peu denses satisfaisant simultanément aux critères de performances thermomécaniques fixés. Pour ces tensioactifs, un dosage caractéristique est identifié permettant une optimisation des performances mécaniques. Des visualisations réalisées au MEB révèlent des modifications sensibles de la structure cristalline fonction du tensioactif employé et de son dosage. Les structures les plus fines et homogènes sont les plus résistantes. Les performances des mousses et leur structure porale sont donc liées. Pour analyser quantitativement la structure porale, les distributions alvéolaires surfaciques sont construites puis comparées aux distributions alvéolaires volumiques obtenues par tomographie. Une méthode analytique de passage 2D/3D est créée en s’appuyant sur les principes de la stéréologie. Un coefficient de correction est proposé pour tenir compte de la représentativité de la surface étudiée. La maîtrise de toutes les étapes de fabrication des mousses minérales ainsi que la compréhension des phénomènes physiques intervenant tout au long de la production d’une mousse (de la suspension minérale jusqu’à la mousse durcie) permettent d’obtenir des produits satisfaisant les objectifs fixés : légèreté, isolation et caractère porteur. / Mineral foams are cellular materials usable as thermal insulation solution. The purpose of these PhD researches is to develop lightweight foams with good thermal and mechanical performances realized from highly concentrated mineral suspension. Surfactant addition is required for foaming. Six surfactants molecules are selected. Their abilities to reduce surface tension and to stabilize aqueous foam are evaluated. Two surfactants groups are detected based on different criteria: surface tension, CMC and aqueous foam stability. Concentrated mineral suspensions are yield stress fluids. The study of bubbles behavior in such fluids is performed with a transparent yield stress fluid, Carbopol® and an injection device with controlled pressure. Yield stress impacts bubbles creation, growth, stability and shape by changing local pressure distribution in the fluid nearby bubble. The study proposes a revised Laplace law depending on yield stress and bubble sphericity. Contact conditions between bubbles are influenced by surfactant addition allowing to control coalescence phenomena. In case of inter-bubbles membrane breakage, presence of yield stress leads to particular geometry of the coalesced bubbles. Mineral binders selected are a highly reactive anhydrous calcium sulfate, ordinary Portland and prompt cements. Mineral suspension formulations arise from expected fluidity criterion. Fresh paste is characterized by a low yield stress. Its bulk density depends on surfactant nature and content. Mineral foams are created with same composition. Two traditional foaming methods: mix-foaming and pre-foaming and an alternative one, the dissociated method are employed. Best thermo-mechanical performances are achieved with the dissociated method, a specific method of the laboratory. A surfactant group leads to lightweight foams which simultaneously fulfills both thermal and mechanical targeted objectives. For these surfactants a characteristic content is found leading to optimized mechanical performances. Visualizations performed with SEM reveal sensitive crystalline structure modifications depending on surfactant nature and content. Thinner and more homogeneous structures are associated with the best mechanical performances which demonstrates the existing link between the porous structure and mineral foams mechanical performances. To quantitatively evaluate porous structure, surface bubble-size distributions are built and then compared to volume bubble-size distributions obtained by tomography analysis. An analytic method linking 2D and 3D distributions is created based on stereology principles. A correction coefficient is proposed to take into account the analyzed representative surface. By controlling all production steps and associated physical phenomena during mineral foams production (from mineral suspension to solid foams), products satisfying all targeted objectives are realized: lightness, insulation and load-bearing ability.

Le comportement mécanique d’un sol constitue un des facteurs prépondérants affectant la croissance et le développement racinaire. L’augmentation de la résistance mécanique d’un sol affecte l’architecture du système racinaire, la croissance axiale et radiale des racines, et l’orientation de la croissance. Bien que ces réponses soient décrites sur diverses espèces végétales dans la littérature, leur mise en place et les mécanismes de signalisation sous-jacents restent à ce jour méconnus. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier la mise en place des réponses des racines primaires d’Arabidopsis thaliana à des variations de contraintes mécaniques de son substrat. La littérature fait état jusqu’ici de deux voies de signalisation mécanique possibles, l’une impliquant une mécanoperception au niveau de la coiffe racinaire, et l’autre faisant intervenir entres autres l’activation de canaux mécano-sensibles au niveau de l’apex racinaire. Pour étudier leur implication respective, nous avons caractérisé les réponses à une augmentation des contraintes mécaniques de racines primaires issues de la lignée Arabidopsis thaliana sauvage et de lignées mutantes affectées au niveau de l’organisation de la coiffe (fez-2, smb-3, brn1-1 brn2-1) ou au niveau de canaux ioniques mécanosensibles (mca1-null, mslΔ5). Nous avons développé un système expérimental original basé sur le suivi de croissance et d’orientation des racines dans des milieux de culture à base de Phytagel. Ces milieux de culture permettent de mimer d’une part une augmentation à long terme et simultanée des contraintes mécaniques axiales, radiales et des frottements et d’autre part une augmentation à court terme des contraintes mécaniques axiales. Tout d’abord, nous avons observé que la mise en place des réponses de croissance des racines primaires d’Arabidopsis thaliana à ces augmentations de contraintes mécaniques reposait sur une interaction entre des processus mécaniques (flambement) et biologiques (régulations de la zone de croissance). Ensuite, nous avons mis en évidence que la coiffe racinaire participait à la mise en place des réponses des racines d’Arabidopsis thaliana face à une augmentation des contraintes mécaniques. Nos résultats suggèrent que la coiffe pourrait constituer un siège de la mécanoperception. Par ailleurs, nos résultats sur les lignées mca1-null et mslΔ5 suggèrent que les canaux ioniques MCA1 et MSLs participeraient également à la mise en place des réponses racinaires à l’augmentation des contraintes mécaniques. / Root growth and development are highly modulated by soil mechanical properties such as texture, structure and bulk density. Increases in soil penetration resistance affect root system architecture, root cell production and elongation, root diameter, and root tip orientation. Although root responses to changes in mechanical stresses are well described in several plant species, their establishment and the signaling pathways underlying these responses remains misunderstood. The main objective of this thesis is to study the establishment of Arabidopsis thaliana primary root responses to changes in mechanical stresses. So far, studies reported two distinct putative mechanical signaling pathways involving either (i) the root cap as a main mechanosensing site or (ii) the activity of stretch-activated ion channels localized on the cell plasma membranes along the root apex. According to previous studies, we studied the implication of the root cap and of the stretch-activated channels of the MCA and MSL families in the root responses to increases in mechanical stresses. We developed an original experimental set-up based on the monitoring of growth and orientation of Arabidopsis thaliana primary roots in one-layer and two-layer Phytagel based growth media. The one-layer growth media mimicked a long-term increase in frictions and in radial and axial mechanical stresses whereas the two-layer growth media mimicked a short-term increase in axial mechanical stresses. We characterized penetration abilities, growth rate and tip orientation of Arabidopsis thaliana wild type roots (Col-0) and mutant roots showing defects in root cap organization (fez-2, smb-3, brn1-1 brn2-1) or in stretch-activated ion channels activity (mca1-null, mslΔ5) in one-layer and two-layer media. Firstly, we observed that the establishment of root growth responses to increases in mechanical stresses involved both mechanical (buckling) and biological (growth zone modulations) mechanisms. Then, our experiments demonstrated that alterations in root cap organization led to altered root growth responses to increases in mechanical stresses. Our results suggest that the root cap acts as a mechanosensing site. Moreover, the results obtained with the mca1-null and mslΔ5 Arabidopsis lines suggest that the MCA1 and MSLs ion channels also participate in the establishment of root responses to increases in mechanical stresses.

L'érosion fluviatile par abrasion joue un rôle prépondérant dans l'évolution du paysage, notamment en contexte orogénique dans les rivières à fond rocheux. Le but de cette thèse est de démontrer qu'une étude intégrée des processus d'abrasion (petite échelle et courte période se temps) est possible sur le terrain à condition de bien contraindre « l'environnement érosif », c'est-à-dire : (1) les caractéristiques des flux d'eau (fréquence des crues, modélisation des écoulement dans le chenal) et des flux de sédiment (volume de sédiments transporté, granulométrie) ; (2) la résistance mécanique à l'érosion des roches du substrat. L'autre point essentiel est naturellement la mesure de l'érosion in situ qui nécessite la conception d'outils originaux. <br />Au travers des plis de l'avant pays himalayen que nous avons choisis comme « laboratoire naturel », dans les Siwaliks du Népal Central, l'abrasion fluviatile annuelle a atteint localement plusieurs millimètres voire dizaines de millimètres en 2006. Nous proposons un modèle simple intégrant les caractéristiques des flux et les l'érodabilités des roches permettant de reproduire assez fidèlement les valeurs d'érosion mesurées sur le terrain (à l'échelle d'une section de chenal). Ce mémoire est également l'occasion d'avancées méthodologiques, notamment sur la mesure indirecte de la charge de fond (granulométrie sur image des séries conglomératiques, désagrégation des grès) et sur la mesure de « l'érodabilité » des roches directement sur le terrain grâce au rebond du marteau de Schmidt. Nous présentons enfin de nouveaux dispositifs autonomes de mesure en continu dont un « capteur d'érosion » très prometteur.

La terre est le premier matériau de construction par les hommes, disponible et peu consommateur d’énergie. Aujourd’hui encore, environ 30 % des habitants de la planète vit dans des habitats en terre, et pour les pays en développement, ce pourcentage s’élève à 50 % de la population rurale. De plus, les matériaux à base de terre permettent un meilleur équilibre et contrôle du climat thermique et acoustique intérieur par rapport aux matériaux usuels de construction. Cependant, la majorité des constructions en terre ne répondent pas aux exigences actuelles en termes de contraintes mécaniques, thermiques ou architecturales. Afin de répondre à ces exigences, un travail tant au niveau scientifique qu’au niveau des praticiens est à accomplir dans ce domaine.L’objectif de cette étude est de déterminer l’influence des propriétés des matériaux utilisés sur le comportement mécanique et hygrothermique de composites terre-fibres végétales. Pour cela, différents types de sols et de fibre végétales (paille de lin, paille de blé) ont été utilisés. Ensuite, les performances mécaniques (compression, flexion) et hygrothermiques (sorption/désorption, perméabilité à la vapeur d’eau, conductivité thermique) ont été déterminées pour différents composites terre-fibres végétales. Les résultats montrent que l’utilisation de paille de lin permet d’obtenir des performances mécaniques supérieures à celles obtenues pour la paille de blé. Cependant, il est à noter que l’introduction de fibres aux sols diminue les performances mécaniques due à la diminution de la densité du matériau. Aucune influence claire de la longueur des fibres sur les performances mécanique n’a été constatée. L’étude du comportement hygrothermique a permis de montrer que le comportement à la sorption/désorption du matériau terre-fibres végétales peut être approximer à partir des résultats obtenus pour les matériaux de base. De plus, il a été démontré que l’évolution de la conductivité thermique du matériau terre-fibres végétales au cours du séchage est reliée au comportement au retrait. / Soil is the first construction material used by man, widely available and low energy consuming. Indeed, about 30% of the current world population lives in earthen structures and, in developing countries, this rate rise to 50%, mostly rural. Moreover, earth-based materials allow an improved balance and control of thermal and acoustic indoor climate compared to industrial construction materials. However, most of earthen structures do not reach current requirements in terms of mechanical, thermal or architectural. To respond to these requirements, a work at scientific and craftsman levels is necessary.The objective of this study is to determine the influence of materials’ properties on the mechanical and hygrothermal behaviour of earth-fiber composites. In order to do this, different types of soil and plant fiber (flax straw, wheat straw) were used. Then, mechanical (compression, bending) and hygrothermal performances (sorption / desorption, water vapor permeability, thermal conductivity) were determined for different soil-fiber composites. Results show that the use of flax straw provides better mechanical performances than use of wheat straw. However, it should be noted that fibers addition to soil decreases mechanical performance due to the decrease of material density. No clear influence of fiber length on mechanical performance was found. The study of hygrothermal behaviour has shown that the sorption / desorption behaviour of earth-fiber material can be approximated from the results obtained from basic materials. In addition, it has been shown that the thermal conductivity evolution of earth-fiber material during drying is related to the shrinkage behaviour.

Résumé : L’utilisation des cendres volantes générées par la combustion de biomasse présente une solution très prometteuse pour la conception de bétons écologiques de haute performance. Cependant, leur comportement dans un milieu cimentaire est encore peu étudié. Ce projet est concentré sur la compréhension des processus d’hydratation d’un système cimentaire contenant les cendres volantes de biomasse disponibles localement. Lors du programme expérimental, la caractérisation physico-chimique des cendres volantes étudiées a d’abord été réalisée. Ensuite, leur effet sur les propriétés rhéologiques, la cinétique d’hydratation, l’évolution des hydrates avec le temps et le développement des résistances ont été examinés. Les systèmes étudiés sont des pâtes et des mortiers avec différents taux de remplacement de ciment par les cendres volantes et deux rapports eau/liant de 0,5 et 0,4 en absence et en présence de superplastifiant. La variation des propriétés physico-chimiques de différents échantillons des cendres volantes (finesse, teneur en chaux libre, en sulfates et en calcite) a été utilisée pour déterminer l’effet de chacun de ces paramètres sur les performances des mélanges. Le remplacement partiel du ciment par les cendres volantes de biomasse entraine des changements sur la rhéologie, la cinétique d’hydratation, la composition des hydrates et la microstructure des pâtes hydratées. De plus, certains problèmes de compatibilité entre les cendres volantes et les superplastifiants sont observés. En se basant sur l’analyse des résultats obtenus, les explications des phénomènes qui se produisent dans les systèmes cimentaires contenant les cendres volantes de biomasse sont proposées. / Abstract : The use of wastepaper sludge ash (WSA) represents a very promising solution for ecological high performance concrete design. However, the effect of WSA on cementitious systems properties is still insufficiently studied. The present project intends to understand the hydration process in Portland cement systems containing locally available WSA. The experimental program begins with characterization of WSA physico-chemical properties. Then, the effect of WSA on rheology, hydration kinetics, hydration products evolution over time and strength development in cement blends is investigated. The systems discussed here are cement pastes and mortars with different cement replacement by WSA ratio and two water to binder ratio (0,5 and 0,4) with and without superplasticizer. The variation of physico-chemical properties (fineness; free lime, sulphate and calcite content) between different WSA samples was used to determine the effect of each of these parameters on blended cement performances. Partial cement replacement by WSA leads to changes in rheology, hydration kinetics, composition of the hydrates and microstructure of hydrated pastes. Moreover, some incompatibility problems between WSA and superplasticizers used are observed. Based on experimental results analysis, the explanations of the phenomena taking place in cement systems containing WSA are proposed.

L’érosion des berges est un processus clé de la dynamique fluviale. Elle influence considérablement la charge sédimentaire des rivières et contrôle l’évolution latérale des chenaux. Les méthodes de caractérisation des mécanismes et des variables affectant l’érosion des berges sont toutefois imprécises et difficiles à appliquer. Ce projet a pour objectif de caractériser la dynamique actuelle des berges de deux tributaires contrastés du Saint-Laurent : les rivières Saint-François et Batiscan. Le premier objectif vise à quantifier les caractéristiques géotechniques de deux tronçons des rivières à l’étude près de l’embouchure avec le Saint-Laurent en décrivant la stratigraphie à différents sites typiques et en recueillant des échantillons de sédiments afin de mesurer différentes variables géotechniques (granulométrie, limites d’Atterberg, résistance à l’érosion mécanique, résistance à l’érosion fluviale). Le second objectif vise à quantifier les principales caractéristiques hydrodynamiques (précipitations, débits, cisaillements, vitesses) des deux sections de rivière. Le troisième et dernier objectif cherche à mesurer les taux d’érosion à l’échelle saisonnière en utilisant des relevés GPS et des chaînes d’érosion et à identifier les mécanismes d’érosion qui opèrent sur les rivières. Les résultats montrent une érosion importante des berges sur chacun des tributaires, mais les mécanismes qui la cause diffèrent. La Batiscan possède des berges dont le matériel est cohésif et ses berges sont principalement marquées par des ruptures de masse. La Saint-François présente des berges peu cohésives ce qui favorise l’érosion fluviale. Le taux de recul sur la rivière Saint-François est de l’ordre de 1 à 3 m/an dans certaines sections de la rivière. Une nouvelle méthode de mesure du cisaillement critique d’érosion fluviale à l’aide d’un chenal expérimental a été élaborée. Les cisaillements critiques obtenus se situent entre 1,19 et 13,41 Pa. Les résultats montrent que les facteurs jouant sur l’érosion des berges ont une variabilité intrinsèque et systémique difficile à mesurer. Le protocole expérimental développé dans ce projet s’est toutefois avéré utile pour étudier les principales variables qui influencent l’érosion des berges, tout en quantifiant les taux d’érosion et les mécanismes d’érosion de berge de deux tributaires importants du fleuve Saint-Laurent. Ce protocole pourrait être utile dans d’autres contextes. / Bank erosion is a key process in fluvial dynamics. It affects sedimentary load in rivers and controls channel lateral evolution. Until now, the methodology used to characterize bank erosion mechanisms and other controlling factors is still imprecise and difficult to apply in many cases. The aim of this project is to characterize bank dynamics in two contrasted Saint-Lawrence tributaries: the Batiscan and Saint-François rivers. The first objective of this study is to quantify geotechnical properties of a section on each river. To achieve this objective, we have described stratigraphic sections at different sites and collected bank material samples in order to measure geotechnical variables in the laboratory (grain size analysis, Atterberg limits, mechanical strength, erosional strength). The second objective is to quantify the hydrodynamic characteristics (precipitations, discharge, shear stress, velocity) of the two river sections. The third and last objective is to measure bank erosion rates with GPS data and erosion pins at a seasonal scale and to identify bank erosion mechanisms occurring in the studied reaches. The results show a high erosional sensitivity of the banks on each tributary, but the observed mechanisms differ from on river to the other. Bank material on the Batiscan River is cohesive and is more susceptible to mass failure. Bank material on the Saint-François River is less cohesive and is mainly affected by fluvial erosion. Bank erosion rates measured on Saint-François River are between 1 to 3 m/year in some sections of the studied reach. A new method of measuring fluvial erosion critical shear stress has been developed with a flume. The critical shear stresses are estimated to be between 1,19 and 13,41 Pa. The results demonstrate the high variability of the response of banks to erosional processes and the difficulty of measuring the intrinsic and systemic factors acting on bank erosion. The experimental protocol developed in this project for the study of the main variables that determine erosion bank, erosion rates and bank mechanisms in two tributaries of the Saint-Lawrence could be applied successfully to other rivers.

Cette étude concerne l’ajout de billes de verre de dimension variant de 1 à 50 m dans des matrices cimentaires. Les travaux ont comme objectif dans un premier temps la caractérisation des propriétés physiques et rhéologiques à l’état frais des suspensions cimentaires à deux échelles : la pâte de ciment et le mortier. Puis dans un deuxième temps l’étude de l’influence des microbilles de verre sur les propriétés physiques, mécaniques et durabilité du mortier durci. Des séries d’expériences normalisées ont été faites pour caractériser l’influence des billes de verre sur les indicateurs à l’état frais : la consistance et la prise des pâtes de ciment. Les propriétés mécaniques et de durabilité sont quantifiées au jeune âge (de 3 à 28 jours) et à long terme (de 28 jours à 112 jours). L’étude sur les gels d’hydratation et sur la microstructure du mortier durci a été faite à l’aide de la technique de la microscopie électronique à balayage. Des méthodes de caractérisation complémentaires pour examiner la propagation d’onde, la ségrégation et l’étalement ont également été employées. Les résultats obtenus par l’ensemble des essais évaluent le rôle des microbilles de verre sur les comportements des suspensions de pâtes de ciment et du mortier à l’état frais, et du mortier à l’état durci. Ceci met en évidence l’intérêt rhéologique, mécanique et l’effet sur la durabilité des microbilles de verre dans un matériau cimentaire. / The aim of this work is the valorisation of recycled waste materials in cement paste and mortar in order to reuse these resources for replacing natural aggregates in concrete. Our study concerns the use of a microsphere glass powder (MGP) with a particle size from 1 to 50 m into the cement matrix. This experimental work first focuses on the effect of the MGP on the workability properties of fresh cement paste and fresh mortar and on the physical, mechanical and durability properties of mortar. Many standard tests have been conducted for the characterisation of the behavior of the fresh cement paste i.e the consistency and the setting of fresh cement paste. The durability properties at early age (from 3 to 28 days) and at long time (from 28 days to 112 days) have been also quantified. We employed the scanning electron microscopy for the mortar microstructure analysis. Some supplementary tests like the ultrasonic wave propagation, the segregation and the flow properties on the vibrated table have been also used. The primary results have proved the effect of the MGP on the behaviour of the fresh cement paste, fresh mortar and mortar. The presence of MGP showed interesting modifications on the rheology, mechanical and durability properties of the cement system.

Les céramiques polycristallines pour application dentaire sont aujourd’hui majoritairement des zircones dopées à l’yttrium (Y-TZP). Ce matériau présente des avantages indéniables en terme de résistance à la rupture, de propriétés esthétiques ou encore de ténacité grâce au phénomène de renforcement par transformation de phase. Les problèmes de stabilité de la Y-TZP en présence d’eau peuvent être limités par un travail d’optimisation des poudres, mais la sensibilité intrinsèque du matériau vis-à-vis de l’eau ou des fluides biologiques demeure et représente un risque, spécialement dans le cadre d’applications cliniques. Les matériaux à base de zircone dopée au cérium (Ce-TZP) présentés dans cette étude ont été développés afin de répondre au triple objectif de ténacité, résistance et stabilité. A partir de la Ce-TZP, connue pour sa ténacité et sa stabilité en présence d’eau importantes, un travail d’optimisation de la microstructure a été réalisé afin d’obtenir une résistance à la rupture maximale. Différentes voies ont été explorées afin d’élaborer des microstructures permettant une augmentation de la résistance mécanique de la Ce-TZP, notamment le frittage SPS ou l'élaboration de composites par mélange de poudres commerciales. Parmi les résultats présentés, le plus marquant est sans doute l’élaboration de composites dans le système 10Ce-TZP/MgAl2O4, caractérisés par une combinaison de propriétés mécaniques inédite (Sigma R = 900 MPa, KIc >15MPa.m1/2), et une stabilité à très long terme en présence d’eau . La mise en forme de ce matériau par des procédés industriels de pressage a été rendue possible grâce à une étape de granulation par atomisation ultrasonique. Enfin, un axe de recherche a été dédié à l’élaboration de poudres composites à base de Ce-TZP en une seule étape, par synthèse chimique. Ces travaux plus prospectifs montrent qu’un mélange très intime de deux phases peut-être obtenu par des méthodes de chimie douce dans une poudre composite. Ces poudres permettent l’élaboration de matériaux nanostructurés, dont les propriétés pourraient dépasser celles des composites conventionnels. / Yttria-doped tetragonal zirconia ceramics (often referred as Y-TZP) are today of major interest in biomedical and particularly dental applications, due to their excellent combination of strength and aesthetic features. Nevertheless, the moderate toughness of 3Y-TZP, and its still possible low temperature degradation (LTD) leaves space for new materials development. The purpose of this study is to assess the potential benefit of using ceria-doped zirconia (Ce-TZP) based ceramics as an tough, strong and stable alternative to Y-TZP. Ce-TZP generally possesses high toughness, but moderate strength when compared to 3Y-TZP, which is related to a larger grain size. In order to improve the strength of Ce-TZP, three microstructural optimizations have been carried out. First, Spark Plasma Sintering (SPS) has been used, showing a good potential for the development of nanostructured materials, which can be dense and mainly tetragonal, but aesthetically incompatible with a dental application. Cerium reduction effects on color and phase repartition have been studied. Adding a second step of conventional sintering in air has led to fully dense submicron 12Ce-TZP with acceptable color, but unsufficient strengthening. In a second step, a conventional composite approach has been used, by mixing commercial powders. The most striking result is certainly the uncommon combination of mechanical properties (Sigma R = 900 MPa, KIc > 15MPa.m1/2) obtained in the system 10Ce-TZP/MgAl2O4, together with a long term stability in presence of water. Pilot scale processing of this material has been set up by mean of ultrasonic spray-drying. Finally, a third research axis has been devoted to the synthesis of composite powders based on Ce-TZP, in one step. This work has shown that a very close mix of two phases can be obtained par soft chemistry methods in a composite powder. Nanostructured materials can be obtained from these powders, which properties could exceed those of conventional composites.

Actuellement, la qualité de l’imagerie provenant de systèmes optiques spatiaux est limitée par la taille de leurs miroirs et la masse des structures supportant le miroir. Le développement de systèmes athermiques légers (un seul matériau) constitue le principal challenge dans l’amélioration de ces systèmes. De matériaux légers, résistants mécaniquement (E/ρ3 > 10, σf > 100 MPa) et stables thermiquement (< 2,0.e-6/K) doivent être développés. Dans ce cadre, notre travail porte sur l’élaboration de composites céramiques associant un matériau à coefficient de dilatation thermique (CTE) positif résistant mécaniquement (alumine ou zircone cériée) et un matériau à CTE très négatif (tungstate de zirconium ou β-eucryptite). L'étude du tungstate de zirconium a révélé plusieurs problèmes de décomposition et de réactions avec certaines matrices oxydes, menant à l’abandon de cet oxyde dans l’élaboration des composites. Dans le cas de la β-eucryptite, un phénomène de vermiculation a été mis en évidence, conduisant à la formation d’une porosité intragranulaire. L’optimisation des paramètres de frittage a permis de limiter cette porosité. L’étude du comportement thermique de la β-eucryptite confirme que son CTE très négatif provient principalement d’un phénomène de fissuration, généré par l’anisotropie de dilatation de sa maille cristalline. Cette fissuration est dépendante de la taille des grains mais également de la taille des agrégats de grains dans le cas des poudres. Ainsi, bien que le CTE intrinsèque de la β-eucryptite soit très faible (-0,4.e-6/K), son CTE extrinsèque peut atteindre des valeurs jusqu'à -10,9.e-6/K selon les conditions d’élaboration. Dans ce travail, deux stratégies d’élaboration de composites sont étudiées. Le premier cas consiste à diminuer le CTE des matrices oxydes à partir d’une poudre de β-eucryptite non microfissurée (-0,4.e-6/K) tandis que le second cas consiste à obtenir des matériaux à CTE très faible à partir d’une poudre de β-eucryptite microfissurée (-3,0.e-6/K). Lors de l’utilisation de la matrice en zircone cériée, le taux de dopage au cérium est optimisé afin de limiter la transformation de phase de la zircone. Cette transformation, induite par les contraintes de tension exercées par la β-eucryptite, affecte la linéarité du comportement thermique du composite. Dans les deux cas d’étude, les composites denses montrent une modification du CTE intrinsèque de la β-eucryptite passant de -0,4.e-6/K à plus de +3,2.e-6/K en raison des contraintes de compression appliquées par la matrice (alumine ou zircone cériée). La relaxation de ces contraintes nécessite une sous-densification des composites. A partir de ces observations, différents composites à CTE très faible sont élaborés. Toutefois, le sous-frittage des composites associé à la microfissuration de la β-eucryptite diminuent fortement les propriétés mécaniques des matériaux ainsi élaborés. / High resolution satellite imagery from space optical systems is mainly limited by the mirror size and the mass of structures supporting the mirror. Nowadays, the development of light athermal systems is the major challenge to improve these optical systems. So, light materials having good mechanical properties (E/ρ3 > 10, σf > 100 MPa) and thermal stability (< 2.0e-6/K) are required. Within this context, our project consists in processing new ceramic composites by combining positive thermal expansion coefficient (TEC) materials having good mechanical properties (alumina or ceria doped zirconia) and negative TEC materials (zirconium tungstate or β-eucryptite) The processing of zirconium tungstate-based materials showed several decomposition and chemical reactions with some oxide matrix leading to its giving up. In the case of β-eucryptite, vermicular phenomenon occurs during sintering leading to the formation of intragranular porosity. Sintering parameters optimization can limit this porosity. The study of the thermal behavior of pure β-eucryptite materials shows that the very negative TEC results from microcracking, generated by the TEC anisotropy of its crystal lattice. This microcracking depends on the grain size and the aggregate size in the case of powder materials. Despite the fact that the TEC of its lattice (called intrinsic TE C equals to -0.4e-6/K) is very low, its bulk (or extrinsic) TEC can reach values until -10.9e-6/K according to the processing conditions. In this work, two strategies for developing composites were studied. The first one consists in decreasing the matrix TEC using an uncracked β-eucryptite powder (-0.4e-6/K) while the second one consists in elaborating near zero TEC materials from a microcracked β-eucryptite powder (-3.0e-6/K). When ceria-doped zirconia is used, ceria content must be adjusted in order to limit zirconia phase transformation. This transformation is driven by tensile stresses induced by the β-eucryptite and modifies the composite thermal behavior linearity. In both studied cases, dense composites show a modification of the β-eucryptite intrinsic TEC from -0.4e-6/K to more than +3.2e-6/K as a consequence of compressive stresses applied by the oxide matrix. An uncompleted densification of composites is required to relax these stresses. Taking into account these observations, several very low TEC composites were elaborated. However, the uncompleted densification of composites and the β-eucryptite microcracking greatly decrease the mechanical properties of these materials.

L'empilement maîtrisé de granules de différentes tailles est un concept utilisé dans la plupart de procédés de mise en forme de matériau. Cette organisation hiérarchique est connue pour améliorer les propriétés d'écoulement à l'étape de mise en forme et les caractéristiques mécaniques du matériau final. Il est apparu intéressant d'appliquer ce concept à la mise en forme par extrusion de supports de catalyseurs avec des petites (2 µm) et grosses (19 µm) granules d'alumine poreuse dont l'assemblage est assurée par un liant traditionnel, la boehmite peptisée et neutralisée, ou par un liant plus original, le phosphate d'aluminium. L'étude vise ainsi à évaluer l'effet du liant et de la microstructure multi-échelles apportée par l'organisation hiérarchique des granules, sur les propriétés texturales et mécaniques des supports. Le contrôle des conditions de mise en forme et l'optimisation de la formulation des deux liants ont permis d'obtenir des extrudés à microstructure comparable entre la boehmite et le phosphate d'aluminium et variable en fonction de la proportion de petites. Cette population remplit les espaces entre les grosses granules de manière optimale entre 40 et 60% pds et les desserre aux plus fortes teneurs. La rétraction du liant au cours des traitements thermiques génère un volume de macropores qui est minimisé lorsque les petites granules comblent les espaces formés par les grosses. La macroporosité minimale conduit à de meilleures résistances à la rupture (par tests d'écrasement de type brésilien) et les matériaux les plus résistants sont ceux mis en forme avec le phosphate d'aluminium. Ce résultat est expliqué par la nature très cohésive de ce liant formée in situ par réaction de l'acide phosphorique avec la boehmite et la périphérie des granules d'alumine. Dans ce cas, la rupture a lieu au sein des granules différemment des supports mis en forme avec la boehmite peptisée à l'acide nitrique qui présentent une rupture à l'interface granule-liant. Les matériaux à microstructure multi-échelles présentent également une meilleure ténacité déterminée par des essais de flexion trois points. Le phosphate d'aluminium étant un liant non-poreux conduit à des supports avec une mésoporosité plus faible. Les nouveaux supports à microstructure multi-échelles semblent prometteurs pour des nombreuses applications catalytiques sensibles aux propriétés diffusionnelles et mécaniques. / The controlled packing of different sized-granules is a concept widely used in most of the shaping material processes. This hierarchical organization is known to improve the flow properties during shaping and the mechanical characteristics of the finished material. It seemed interesting to apply this concept in order to prepare catalyst supports by extrusion containing small (2 µm) and large (19 µm) porous alumina granules assembled by a traditional binder, the peptized and neutralized boehmite, or by a more original, an aluminum phosphate binder. This study aims to investigate the effect of binder type and of the multiscale microstructure achieved by the packing of different granules size on textural and mechanical support properties. The control of kneading and extrusion conditions associated with the optimized binder formulation, conducted to similar microstructures with both binders according to the amount of each granular population. Small granules fills better the residual spaces between the larges between 40 and 60 wt.% and loosens them with strongest contents. Binder shrinkage during heat treatment generates a macroporosity which is minimized when small granules fills the voids formed by the larger ones. Minimal macroporosity leads to better crushing resistance (by Brazilian test) and the most resistant materials are the ones shaped with the aluminum phosphate. This result is explained by the high cohesive capacity of this binder obtained in situ by reaction of the phosphoric acid with the boehmite and the border of the alumina granules. In this case, the breakage takes place inside the granules differently from the supports shaped with the peptized boehmite by nitric acid which present a breakage at the granule-binder interface. Also, the multiscale microstructure materials present a better tenacity determined by three point bending. Aluminum phosphate being a non-porous binder, leads to supports with a weaker mesoporosity. The new multiscale microstructure supports seem interesting for several catalytic applications that are sensitive to diffusivity and mechanical properties.