Les structures de sphères creuses appartiennent à la famille des matériaux cellulaires qui ont récemment été étudiés pour leurs multiples propriétés. Dans le cas de cette thèse, le but des sphères creuses est de dissiper l’énergie d’impact d’un oiseau sur un cockpit d’avion. Elles sont développées dans le cadre du projet SAMBA (Shock Absorber Material for Birdshield Application) afin d’optimiser leur énergie spécifique absorbée (J/kg).Dans un premier temps, des essais quasi-statiques (v = 5 mm/min) et dynamiques (v = 2 m/s) de compression uni-axiale sont conduits à température ambiante sur une seule sphère creuse de diamètre 30 mm. Une propagation rapide de fissures macroscopiques est observée. Le formalisme de la Mécanique Élastique Linéaire de la Rupture (MELR) est utilisé pour estimer le taux de restitution d’énergie critique dynamique GIdc du matériau constitutif. La position du sommet de fissure est mesurée pendant la propagation de fissure à l’aide d’une caméra rapide. La Méthode des Éléments Discrets (DEM) permet de simuler la rupture dynamique en implémentant une technique de relâchement des nœuds. Le taux de restitution d’énergie GIdc peut être estimé à partir de l’histoire (position et temps) du sommet de fissure. Le modèle numérique montre que les structures sphériques dissipent une proportion importante de l’énergie par des effets dynamiques. A une même vitesse de propagation, plus l’épaisseur de coque est fine, plus les effets inertiels générés par la rupture sont importants et ce pour une même vitesse de propagation.Le modèle numérique DEM est ensuite employé pour reproduire la rupture dynamique sur une sphère creuse à l’aide d’un critère en contrainte seule ou un critère mixte en contrainte – énergie. Les bons résultats obtenus démontrent la capacité de la DEM à représenter la propagation de fissures en régime dynamique.Finalement, des essais numériques et expérimentaux multi-sphères sont réalisés afin évaluer le comportement des sphères creuses au sein d’un assemblage. / Hollow sphere structure (HSS) belongs to cellular solids that have been studied recently for its multiples properties. In our case, HSS aims to absorb soft impacts energy on an airliner cockpit. HSS is investigated through the SAMBA (Shock Absorber Material for Bird-shield Application) project because of its promises in term of specific energy dissipated (J/kg) during impact.First of all, quasi-static and dynamic (v = 5 mm/min to v = 2 m/s) uniaxial compression tests are conducted at room temperature on a single sphere (D = 30 mm). Rapid crack propagation (RCP) is observed to be predominant at macroscopic scale. The formalism of Linear Elastic Fracture Mechanics (L.E.F.M.) is therefore used to estimate the dynamic energy release rate GIdc . The crack tip location is measured during the crack propagation using a high speed camera. The Discrete Element Method (DEM) is used to simulate the dynamic fracture by implementing the node release technique. The dynamic energy release rate can be determined using an experimentally measured crack history. In spherical structures the numerical results reveal a high proportion of energy dissipated through inertial effects as well as a dependence of the thickness of the hollow sphere over the range of 0.04 mm to 1.2 mm.The DEM model Is then employed to reproduce the RCP according to two failure criterions: a stress criterion and a coupled stress-energy criterion. It reveals to be an interesting way to model the mechanical behavior of brittle materials.Eventually, experimental and numerical multi-spheres tests are performed to evaluate the behavior of brittle hollow spheres within an assembly.

Dans ce travail, nous avons proposé pour la première fois de synthétiser des sphères de carbone creuses ou poreuses par traitement hydrothermal et pyrolyse ultérieure de «templates», soit d’origine naturelle tels que des œufs de poisson ou des billes d’alginate, ou synthétiques comme des capsules polymères remplies d’un mélange xylitol-érythritol. Le saccharose, le tanin, la résine résorcinol-formaldéhyde, etc., ont été utilisés comme précurseurs de carbone. L’influence des conditions de réaction pendant le traitement hydrothermal ou la pyrolyse a été étudiée afin de trouver les conditions optimales pour contrôler le diamètre et la structure des matériaux finaux. Les propriétés d’absorption des micro-ondes par une hétérostructure consistant en une monocouche ordonnée de sphères de carbone vitreux, creuses ou poreuses, ont été étudiées dans la bande Ka (gamme de fréquences de 26-37 GHz), des points de vue expérimental et théorique. Des tests préliminaires pour concentrer l’énergie solaire, afin d’augmenter l’évaporation thermique solaire, ont également été réalisés dans cette thèse / In the present work, we proposed for the first time to synthesize hollow / porous carbon spheres by hydrothermal treatment and subsequent pyrolysis of templates, either natural such as fish eggs or alginate beads, or synthetic such as polymer capsules filled with xylitol-erythritol blend. Sucrose, tannin, resorcinol-formaldehyde, etc., were used as carbon precursors. The influence of the reaction conditions during the hydrothermal treatment or the pyrolysis was investigated in order to find the optimal reaction conditions and to tune the diameter and the porosity of the resultant materials. The microwave-absorbing properties of a heterostructure consisting of an ordered monolayer of hollow or porous glassy carbon spheres packed in 2D were experimentally and theoretically investigated in the Ka-band (26–37 GHz) frequency range. The first test of the hollow carbon spheres used for concentrating the solar energy and thus improving solar thermal evaporation was also carried out in this thesis

L'objectif de cette thèse étudie puis d'implémenter une méthode de reconstruction sur la tomographie aux rayons X qui permette de scanner des gros échantillons avec une bonne résolution qui permettrait de scanner l'intérieur d'un cylindre(tomographie locale) et caractériser des matériaux réels. Notre méthode peut être réalisé pour améliorer la quantitative et la qualitative d'image de fantôme. Dans cette thèse, cet méthode est utilisé sue les matériaux cellulaires. Nous avons réalisé des essais in situ en tomographie aux rayons X sur le mousse ERG et les sphères creuses. Un comparaison entre les résultats d'Élément Finis et des essais réels montre le mécanisme d'endommagement de ces matériaux.

L'objectif de cette thèse étudie puis d’implémenter une méthode de reconstruction sur la tomographie aux rayons X qui permette de scanner des gros échantillons avec une bonne résolution qui permettrait de scanner l’intérieur d’un cylindre(tomographie locale) et caractériser des matériaux réels. Notre méthode peut être réalisé pour améliorer la quantitative et la qualitative d'image de fantôme. Dans cette thèse, cet méthode est utilisé sue les matériaux cellulaires. Nous avons réalisé des essais in situ en tomographie aux rayons X sur le mousse ERG et les sphères creuses. Un comparaison entre les résultats d’Élément Finis et des essais réels montre le mécanisme d'endommagement de ces matériaux. / The objective of this thesis studies to implement a method of reconstruction of the X-ray tomography that scanner a large samples with good resolution that would scan inside a cylinder (local tomography) and characterize reals materials. Our method can be done to improve the quantitative and qualitative picture of a ghost. In this thesis, this method is used sue the cellular materials. We conducted tests in situ X-ray tomography on the ERG foam and hollow spheres. A comparison between the results of Finite Element and live testing shows the damage mechanism of these materials.