Les matériaux composites ayant une phase de matrice polymère dans lequel les particules de céramique (charge) à haute permittivité sont dispersés ont les avantages de ces deux matériaux et peuvent être un excellent choix pour des dispositifs diélectriques. Par exemple, la taille des particules céramiques, la fraction volumique ainsi que la manière dont ces particules sont dispersées dans la matrice déterminent les performances du dispositif. Les céramiques communes dans le domaine diélectrique comportent une permittivité de 2000. Le CaCu₃Ti₄O₁₂ (CCTO) est un oxyde mixte, présentant une constante diélectrique extraordinaire de 60000 et est habituellement synthétisé en mélangeant les oxydes simples, suivit d'un frittage à 950°C [1]. Le broyage à haute énergie (« High-Energy Ball Milling » ou HEBM) est une technique appropriée pour synthétiser le CCTO dans différentes tailles de particules. Dans ce travail, les paramètres ont un D50 d’environ 60 μm, 15 μm et 1.6 μm. La combinaison du broyage à haute et à basse énergie a été utilisée pour ajuster la taille des particules à 2,5 μm, 1,4 μm et 950 nm, et pour augmenter la surface spécifique des solides à 18 m²/g. L'évolution de la structure et de la composition chimique des matériaux, a été mesurée par XRD et XRF. Leur surface spécifique (modèle BET) ainsi que la distribution de taille des particules ont été mesurées. Les poudres synthétisées de CCTO ont été dispersées dans une matrice de résine d’époxy DER 332. Un composite à deux phases (CCTO-époxy) a été fabriqué et il a démontré une amélioration de la permittivité diélectrique. Les propriétés diélectriques des composites ont été mesurées par BDS (spectromètre diélectrique à large bande). La résistance à la rupture a également été mesurée. Il a été démontré que la permittivité du composite CCTO-époxy augmente en réduisant la taille des particules de charges CCTO. / Composite materials with a polymer matrix phase, in which high-permittivity ceramic particles are dispersed as the filler phase, take advantage of both materials and provide an excellent choice for dielectric devices. In addition to the intrinsic properties of matrix and filler phases, the process parameters may greatly affect the overall dielectric properties of the composite. For instance, the ceramic particles size and volume fraction and the way these particles are dispersed in the matrix determine, to a great extent, the device performance.The common ceramics in dielectric field comprise a permittivity of 2000. However, CaCu3Ti4O12 (CCTO) is a mixed oxide, exhibiting a wonderful dielectric constant of 60000 [1]. This compound is typically synthesized by mixing the simple oxides, followed by sintering at temperatures as high as 950 °C. High-Energy Ball Milling (HEBM) is a suitable technique to synthesize CCTO in different particle sizes. In this work, the synthesis parameters were optimized, aiming to synthesizing single-phase CaCu₃Ti₄O₁₂ powders, having a D50 around 60 μm, 1.6 μm and 15 μm. A combination of High- and Low-energy milling was used to adjust the particle size to 2.5 μm, 1.4 μm and 950 nm, and to increase the specific surface area of the fillers to 18 m²/g. The structural evolution and the chemical composition of the materials were measured by XRD and XRF, as well as their specific surface area (BET) and particle size distribution. The synthesized CCTO powders were dispersed in an epoxy resin DER 332 matrix, using heating plate and ultrasonication. A two phases composite (CCTO/epoxy) was fabricated and showed an improved dielectric permittivity. The dielectric properties of composites were reported, as measured by BDS (broadband dielectric spectrometer) and breakdown strength tester. It was shown that the permittivity of the CCTO-epoxy composite increases by reducing the particle size of CCTO fillers.

La combustion en boucle chimique (CLC) est l'une des technologies appropriées pour produire l'énergie permettant la capture facile de CO2. Dans ce système, le transporteur d'oxygène réagit avec l'agent combustible dans le réacteur de combustion, puis il se dirige vers le réacteur d'oxydation et réagit avec l'oxygène pour retrouver sa première forme. Après la réaction de réduction, le CO2 peut se stocker facilement, puisqu’il est pur et exempte d’azote. Le transporteur d'oxygène en CLC joue un rôle important. Selon la littérature, l’ilménite est l’un des matériaux pouvant jouer le rôle du transporteur, mais il a montré une faible réactivité pour la combustion du CH4. Dans ce projet, nous avons examiné la possibilité d'augmentation la réactivité de l’ilménite par augmentation de sa surface spécifique et l'ajout de NiO. Au total, quatre échantillons ont été préparés par la méthode de broyage, en utilisant un broyeur à billes à basse et à haute énergie. La réactivité de l'ilménite avec CH4 a été déterminée. Les techniques de BET, l’analyse thermogravimétrique (TGA) et la diffraction des Rayons X (XRD) ont été utilisées pour la caractérisation des échantillons. Les résultats ont montré que la grande surface de l'ilménite avec 8 % de NiO mène à une réactivité et une capacité de transfert d'oxygène élevée lorsque le CH4 est utilisé comme combustible. / Chemical looping combustion (CLC) is one the suitable technologies to produce the energy allowing easy capture of CO2. In this system, an oxygen carrier reacts with a fuel agent in the fuel reactor and then it goes toward the oxidation reactor and reacts with oxygen to return to the initial form. After reduction reaction, CO2 can be stored easily since it is almost pure and free from nitrogen. So, the oxygen carrier in CLC plays an important role. Based on the literature, ilmenite has shown low reactivity when CH4 was used as fuel. In this project, increasing the surface area of ilmenite and addition of NiO were explored aiming at increasing the reactivity of ilmenite with CH4. Samples were prepared by mechanical milling , using low and high energy ball milling steps. Different techniques such as BET, thermo gravimetric analysis (TGA) and X-ray diffraction (XRD) were used to characterize the oxygen carrier and its reactivity with CH4. The results showed that the high surface area of ilmenite containing 8 % NiO exhibited high reactivity and high oxygen transfer capacity when CH4 was used as fuel.

L’électrolyse de l’aluminium est un processus consommateur en énergie et en ressources (matières premières, personnel qualifié, temps, etc.). De nombreux projets de recherche sont en cours à travers le monde dans le but d’améliorer l’efficacité du procédé de fabrication de l’aluminium, de diminuer les rejets toxiques de gaz (CO2, CO, CF4, C2F6…) et d’en réduire les coûts de production. Un des problèmes actuels de l’électrolyse de l’alumine est la consommation excessive des anodes en carbone. En effet, ces anodes, lorsqu’elles sont chauffées à haute température, sont attaquées par l’air ambiant entre 400 et 600 °C, et par le CO2 à 960 °C, ce qui a pour conséquence d’entraîner une surconsommation de carbone, réduisant ainsi la capacité de fabrication de l’aluminium métallique par kg de carbone consommé. Actuellement, la durée de vie moyenne d’une anode est entre 20 et 30 jours. L’objectif de ce projet est de diminuer la vitesse de réaction à l’air de l’anode. Différentes méthodes ont été élaborées afin d’obtenir une protection efficace et économique contre le phénomène d’oxydation à l’air et au CO2 réduisant ainsi la surconsommation en carbone de l’anode. L’oxyde de bore étant connu comme inhibiteur de la réaction carbone/oxygène, des essais ont été réalisés dans le but de produire un revêtement sur l’anode et ont permis de confirmer l’effet inhibiteur de l’oxyde de bore sur la réaction d’oxydation à l’air, permettant ainsi la protection des anodes de carbone. L’influence de chacun des paramètres (température, concentration, durée d’imprégnation dans la solution, etc…), ont été également étudiés. La tomographie par rayons X a démontré que l’anode est principalement attaquée sur la surface et que le revêtement d’oxyde de bore créé une barrière physique empêchant l’accès de l’oxygène à l’anode. Des études plus approfondies ont été réalisées afin de comprendre le mécanisme de protection de l’oxyde de bore avec la réaction carbone-oxygène. Selon la littérature, l’oxyde de bore et l’acide borique peuvent agir de deux façons : soit en se fixant sur la surface de l’anode en bloquant les sites actifs du carbone ou encore en créant une couche vitreuse qui sert de barrière pour l’oxygène. Une étude cinétique a été établie et confirme que le nombre de collisions entre l’oxygène et les sites de carbone diminuent en présence du bore. La technique ToF-SIMS a également démontré que le bore se trouve sous forme d’oxyde sur la surface de l’anode, mais aussi sous forme de liaison carbone bore. Il s’agit donc d’une protection physique d’une part et une protection chimique en bloquant les sites actifs du carbone par les atomes de bore. La consommation de l’anode en carbone dans la cuve d’électrolyse est contrôlée par les impuretés, par le niveau de graphitisation mais également par le transport de masse à travers sa structure poreuse. La protection des particules de coke avec de l’oxyde de bore pourrait avoir un impact physique sur la porosité et la distribution de celle-ci. Des particules de coke (allant de 4 000 μm à 4 760 μm de diamètre) ont été imprégnées par de l’oxyde de bore afin de révéler la sélectivité des porosités. Les surfaces et les volumes spécifiques différentiels de ces trois tailles de particules gazéifiées à 3 pourcentages (0, 15 et 35%) déterminés par adsorption d’argon et par infiltration de mercure ont permis d’évaluer les contributions des gazéifications sous-critiques et sur-critiques sur la gazéification totale des anodes sous air à 525 °C. La détermination de la taille critique des pores (TC) pour le coke traité et non-traité et la mesure des contributions sous-critique et sur-critique ont permis de révéler que les pores ayant une taille supérieure à cette taille critique jouerait un rôle prépondérant dans la réactivité à l’air du coke. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de protection des anodes par l’oxyde de bore a été développée. Ceci consiste à traiter les matières premières, avant la fabrication de l’anode. En utilisant une faible concentration d’oxyde de bore (de l’ordre de ppm) dans le but de limiter le niveau d’impureté dans l’aluminium produit. Les résultats montrent que la réactivité à l’air de l’anode diminue de 15%, le charbonnaille de 90% et le dégagement gazeux (CO2 et CO) de 30%. L'influence de chacun des paramètres (température, concentration, etc.) sur la protection de l’anode a également été optimisée. / Aluminum electrolysis is a process that consumes energy and resources (raw materials, qualified personnel, time, etc.). Several research projects are underway around the world to improve the efficiency of the aluminum manufacturing process, to reduce toxic gas emissions (CO2, CO, CF4, C2F6 ...) and to reduce production costs. One of the current problems of alumina electrolysis is the excessive consumption of carbon anodes. Indeed, these anodes, when they are heated at high temperatures, are attacked by ambient air between 400 and 600 °C, and by the CO2 at 960 °C which results in an over-consumption of carbon, thereby reducing the manufacturing capacity of metallic aluminum per kg of carbon consumed. Currently, the average lifetime of an anode is between 20 and 30 days. The objective of this project is to reduce the reaction rate of anode oxidation under ambient air. Different methods have been developed to obtain an effective and economical protection which would reduce the over-consumption of the carbon anode against the phenomenon of air oxidation. Since boron oxide is known as an inhibitor of carbon/oxygen reaction, several attempts have been made to make a coating on the anode, confirming the inhibitory effect of boron oxide on this reaction, thus allowing protection of the carbon anodes. The influence of each of the parameters (temperature, concentration, duration of impregnation in the solution, etc.) were studied, as well. X-ray tomography showed that the anode is mainly attacked on the surface and that the boron oxide coating creates a physical barrier preventing access of oxygen to the anode. Further studies have been carried out to understand the inhibitor mechanism of boron oxide on carbon-oxygen reaction. According to the literature, boron oxide and boric acid can act in two ways: either by fixing on the anode surface resulting in blocking the active carbon sites or by creating a vitreous layer which serves as a physical barrier to oxygen. A kinetic study has been established which confirms that the number of interactions between oxygen and carbon sites decreases in the presence of boron. ToF-SIMS has revealed that boron is present as an oxide on the anode surface and also in the form of carbon-boron bond (BC-). Therefore, this acts like a chemical protection while boron atoms block the carbon active sites, preventing oxidation. The consumption of the carbon anode in the electrolysis cells is controlled by the impurities and the graphitization level as well as the mass transport through its porous structure. The impregnation of coke particle could have an effect on the porosity and its distribution. Coke particles (from 4000 μm to 4 760 μm in diameter) was impregnated with boron oxide in order to reveal its effect on the porosity. The specific surface area and the volumes of 3 conversion rates of particles (at 0, 15 and 35%) were determined by argon adsorption and mercury infiltration in order to evaluate the contributions of subcritical gasification on the total gasification of the anodes under air at 525 °C. To determine the critical pore size (TC) for the treated and untreated coke, the measurement of internal and external contributions of pores was used. It was revealed that the pore sizes of 0.1-10 μm and larger were the most active pores for the gasification under air. In addition, the volume of only very small pores (0.0004-0.001 μm) was slightly decreased by boron impregnation. However, the contribution of the size range of these small pores to anode gasification is negligible. In this thesis, a new method for the protection of anodes by boron oxide has been developed. This involves treating the raw materials before anode is formed by using a low concentration of boron oxide (in ppm) in order to limit the level of impurities contained in the produced metal. The results performed with standard equipment showed that the air reactivity of the anode decreased by 15%, the dusting by 90% and CO2/CO loss by 30%. The electrical resistivity of the anode was not affected by boron oxide at this low level. The influence of each of the parameters (temperature, concentration, etc.) on anode protection was optimized, as well.

"Thèse en cotutelle : Doctorat en génie des matériaux et de la métallurgie, Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Politecnico di Milano, Milano, Italie." / Récemment, le Fe et ses alliages ont montré leur potentiel en tant que matériaux dégradables pour des applications biomédicales. Néanmoins, la vitesse de corrosion lente limite leurs performances dans certaines situations. Les matériaux composites à matrice de fer représentent une approche possible, non seulement pour améliorer leurs propriétés mécaniques, mais aussi pour accélérer et ajuster la vitesse de corrosion dans un environnement physiologique. Dans ce travail, des composites à base de Fe renforcés par des particules Mg2Si ont été proposés. Les poudres initiales ont été préparées par différentes combinaisons de procédés de mélange et de broyage, et finalement consolidées par laminage à chaud. L'influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques et le comportement à la corrosion de Fe/Mg2Si a été étudiée. Les échantillons contenant des particules Mg2Si plus petites présentaient une distribution plus homogène du renforcement. Le rendement et l’état limite ultime à la traction ont augmenté par rapport à ceux du Fe pur. La présence des particules de renforcement a joué un rôle crucial dans la susceptibilité à l'attaque de corrosion localisée dans les composites à base de Fe. L'initiation de la corrosion et son développement ont été systématiquement suivis pour étudier le mécanisme de corrosion. L'importance des particules de Mg2Si dans le déclenchement des processus de corrosion a été expliquée. Des mesures électrochimiques et des tests d'immersion statique ont indiqué que l'ajout de Mg2Si pourrait augmenter le taux de corrosion du Fe. Il a été constaté que la taille et la distribution des particules de renfort jouaient un rôle crucial à l'uniformité de l'attaque de corrosion. Après, une série de tests d'immersion à différents intervalles d'exposition (20, 50 et 100 jours) à la solution modifiée de Hanks a été réalisée à fin d’évaluer le comportement de dégradation des composites Fe/Mg2Si et Fe pur préparés par différentes techniques de métallurgie des poudres. Les résultats ont révélé l’importance du Mg2Si dans la composition et la stabilité des films protecteurs formés lors des expériences de corrosion statique. Les composites Fe/Mg2Si présentaient des taux de dégradation plus élevés que le Fe pur à toutes les étapes du test d'immersion. Les taux de dégradation à des intervalles d'exposition distincts dépendaient fortement de la composition et de la stabilité des films protecteurs d'oxyde, d'hydroxyde, de carbonate et de phosphate formés sur les surfaces dégradées. La libération d'ions Fe dans la solution aux stades ultérieurs de l'expérience était limitée en raison de l'effet de barrière dû au dépôt insoluble. Cette étude fondamentale a servi de base aux processus de formation de film protecteur dans la solution de Hanks modifiée, permettant une identification détaillée de leurs caractéristiques. / Fe-based alloys have shown a potential as a degradable material for biomedical applications. Nevertheless, the slow corrosion rate limits their performance as a biodegradable implant. One approach to control and modify their corrosion properties is the reinforcement addition, to create metal matrix composites in which the second phase is aimed at tuning not only the mechanical properties but also the corrosion mode and rate in a physiological environment. This thesis presents an original and thorough contribution on a very pertinent topic, the design, development, and validation of a new Fe/Mg2Si composites prepared powder metallurgy. The initial powders were prepared by different combinations of mixing and high energy ball milling processes and finally consolidated by hot rolling. Mechanical properties, microstructural features, as well as the corrosion performance, were extensively investigated in relation to the reinforcement size and distribution. The composites made of small size reinforcement particles showed a general increase in tensile strength. For instance, high energy ball milled samples exhibited better tensile performances (YS = 523 MPa, UTS = 630 MPa) while having the lower ductility (around 4%). A fundamental understanding of corrosion initiation, protective film formation, and growth on Fe-based materials and leads to a design of smarter and surface responsive biomaterials with modulable degradation rates, at distinct stages of the corrosion process. Here, the corrosion performance of Fe/Mg2Si composites varied with the reinforcement size and distribution. The predominant localized pitting corrosion in Fe/Mg2Si prepared by mixing was replaced by a more uniform pattern found in samples produced by mechanical milling. Further, it was found that Mg2Si plays a significant role in the composition and stability of the protective films formed during the static corrosion experiments. Fe/Mg2Si showed a higher corrosion rate compared to that of pure Fe at all stages of the corrosion experiment (1, 10, 20, 50 and 100 days). Moreover, the final degradation products varied with the substrate chemical composition and microstructure. In case of pure Fe, low solubility (Fe3(PO4)2) covered the entire surface, while Fe/Mg2Si exhibited the presence of carbonates at the latest stages of the test. The details about the degradation behaviour during long-term exposure times to the physiological environment highlighted in this work add a new knowledge on corrosion mechanism of degradable implant materials. In particular, the ability to tune mechanical and corrosion behavior of the composites as a function of reinforcement properties and manufacturing method was experimentally verified, highlighting the microstructure-corrosion property relationship. / I biomateriali in ferro puro e in leghe a base di ferro presentano una combinazione interessante di proprietà meccaniche, elettrochimiche e biologiche; per questo motivo, questa classe di materiali metallici possono trovare utilizzo in applicazioni di tipo impiantistico biomedicale. Malgrado ciò, nonostante le sue soddisfacenti proprietà meccaniche, questo elemento impiegato allo stato puro mostra un inconveniente rilevante - un basso tasso di degradazione. L’oggetto di questa tesi è lo studio di un nuovo gruppo di materiali biodegradabili compositi a matrice ferrosa (Fe/Mg2Si), in cui il Fe costituisce la matrice e il Mg2Si è impiegato come rinforzo; questi materiali sono stati sviluppati con tecniche di metallurgia delle polveri, e presentano un, alta resistenza meccanica come caratteristica principale. Le polveri che costituiscono i materiali di partenza sono stati preparati con diverse combinazioni di procedure oltre al semplice mescolamento e/o high energy ball milling (macinatura in mulino a sfere a alta energia). Tutte le formulazioni preparate sono state compattate attraverso laminazione a caldo. Le proprietà meccaniche, le caratteristiche microstrutturali, la composizione delle fasi e le prestazioni in termini di corrosione sono state studiate dettagliatamente, in relazione alla dimensione delle particelle di rinforzo e della loro distribuzione. Lavori precedenti hanno confermato l’efficacia dell’aggiunta di una seconda fase, soprattutto se finemente dispersa, per aumentare il tasso di degradazione di materiali metallici per applicazioni biomedicali a base Fe: gli esperimenti condotti in questo lavoro hanno confermato che i compositi Fe/Mg2Si hanno mostrato, rispetto al Fe puro che compone la matrice, non solo una resistenza meccanica più elevata, ma anche un tasso di degradazione più alto negli esperimenti di laboratorio in vitro. Infine, i materiali ottenuti tramite high energy ball milling, presentano una resistenza alla trazione migliore (carico di snervamento= 523 MPa, resistenza alla trazione = 630 MPa), ma contemporaneamente una ridotta duttilità (circa 4%). Una attenzione particolare è stata posta nello studio degli effetti della presenza di Mg2Si sui meccanismi di corrosione.Tutti i compositi studiati hanno mostrato un tasso di degradazione più elevato rispetto alla matrice fabbricata con la stessa procedura; inoltre, la formazione del film di prodotti di degradazione sulla superficie del materiale cambiava in maniera rilevante in funzione della composizione chimica del substrato e della sua microstruttura. Nel caso del Fe puro, cristalli isolati di vivianite (Fe3(PO4)2) erano presenti su tutta la superficie, mentre carbonati di Fe si formavano principalmente sulla superficie dei compositi, specialmente negli ultimi stadi del processo di degradazione.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec et Université de Bordeaux, Talence, France / Le besoin clinique de nouvelles stratégies pour pallier aux limites des techniques actuelles dans le cas de comblement et régénération osseuse a permis l’émergence de l’ingénierie tissulaire osseuse. En effet, les stratégies basées les techniques d’ingénierietissulaire semblent être une alternative à l’utilisation de greffes et ainsi de s’affranchir des limites qu’elles présentent. L’approche adoptée dans le cadre de cette thèse consiste en le développement et l’utilisation d’hydrogels comme matériaux d’échafaudage pour le comblement et la régénération de tissus osseux. De nombreuses approches utilisant elles aussi des hydrogels existent, chacune possède ses avantages et limites. Dans ce contexte, nos travaux ont consisté en l’utilisation d’un hydrogel non-polymérique comme matériau de base dans le développement des stratégies d’ingénierie tissulaire osseuse. Brièvement, plusieurs types cellulaires sont présents au sein du tissu osseux et vont participer aux processus de formation et de régénération osseuse. L’objectif de nos stratégies a été l’apport de cellules souches exogènes puis leur différenciation en cellules ostéoformatrices, ou le recrutement et la différenciation des cellules de l’hôte, au sein du matériau, en cellules ostéoformatrices. Le gel de GNF a été utilisé comme matrice tridimensionnelle pour ses propriétés d’injectabilité, de géléfication en l’absence d’agent de réticulation toxique et son potentiel ostéoinducteur. Ce travail a consisté audéveloppement de stratégies pour l’ingénierie tissulaire osseuse en associant le gel de GNF à une matrice naturelle de collagène cellularisée ou à des molécules bioactives pour promouvoir la régénération de lésions osseuses. Dans un premier temps, nos travaux ont reposé sur l’association de l’échafaudage à base d’hydrogels de GNF avec des cellules souches exogène ensemencées dans une matrice de collagène. Ensuite nos travaux ont porté sur l’association d’un échafaudage à base d’hydrogel de GNF avec un facteur de croissance ostéogénique. Ces travaux ont permis de développer et caractériser des stratégies pertinentes pour la régénération de lésions osseuses basées sur l’utilisation d’hydrogels. / New strategies to overcome the clinical limitations of current techniques for bone defect filling and regeneration has led to the involvement of bone tissue engineering. Indeed, strategies based on tissue engineering techniques seem to be an alternative to the use of grafts and thus to defeat their limits. The approach employed in this thesis consists in development and use of hydrogels as scaffold materials for bone defect filling and regeneration. There are many approaches that also use hydrogels, each one with its advantages and limitations. In this context, our work consisted in the use of a non-polymeric hydrogel as basic material in the development of strategies for bone tissue engineering. Briefly, several cell types are present within bone tissue and will participate in the processes of bone formation and regeneration. The objective of our strategies was the contribution of exogenous stem cells and then their differentiation into osteogenic cells or the recruitment and differentiation of the host cells into osteogenic cells within the material. The GNF gel was used as a three-dimensional matrix considering its properties of injectability, gelation in the absence of toxic crosslinking agent and its osteoinductive potential. The goal was to develop strategies for bone tissue engineering by combining the GNF gel with a natural matrix of cellular collagen or bioactive molecules to promote the regeneration of bone lesions. Initially, our work was based on the association of the scaffolds based on GNF hydrogels with exogenous stem cells seeded in a matrix of collagen gels. Next, our work focused on the association of a GNF hydrogel scaffold with an osteogenic growth factor. This work allowed to develop and characterize strategies relevant to the regeneration of bone lesions based on the use of hydrogels.

Au Canada, jusqu’à cinq adultes sur 10 000 vont souffrir de trouble de l’obstruction des voies urinaires, une maladie du système urinaire qui contribuait, en 2008, au fardeau économique du Canada à une hauteur de 3,8 milliards de dollars. Pour soulager le patient, les urologues devront ouvrir les voies urinaires de façon mécanique à l’aide d’une endoprothèse. Idéalement, cette endoprothèse permettra l’écoulement de l’urine sans obstruction, sera résistante à la calcification et sera biodégradable. Les métaux biodégradables ont le potentiel pour la création de ce type d’endoprothèse. Ce potentiel a été partiellement établi dans ce projet en évaluant les propriétés de dégradation de plusieurs métaux (Mg pur, Mg-2Zn-1Mn, Zn pur, Zn-0,5Mg, Zn-1Mg et Zn-0,5Al) à l’aide de techniques électrochimiques dans l’urine artificielle à 37 °C et par voie de techniques avancées de caractérisation de surface. Basés sur la technique de polarisation, les métaux du groupe du Mg montrent une vitesse de dégradation plus rapide que le groupe du Zn. Il en ait de même avec le bruit électrochimique jusqu’à 12h d’inversion. Ensuite, l’inverse est obtenu. Du point de vue de l’impédance, le groupe du Mg montre une seule constante de temps alors qu’il y en a deux pour le groupe du Zn. En microscopie électronique, le groupe du Mg montre une couche d’oxyde non uniforme alors que pour le groupe du Zn, il y a formation de produit de dégradation en forme de fleur, sauf pour le Zn-0,5Al. L’analyse de surface confirme que les produits de corrosion sont composés majoritairement d’hydroxyde, de carbonate et de phosphate, de plus les métaux du groupe du Zn sont dépourvus de calcium. Parmi tous les métaux étudiés, l’alliage Zn-0,5Al présente une couche d’oxyde uniforme et possède peu d’affinité avec les ions présents dans l’urine artificielle, ce qui fait de lui le candidat le plus intéressant par sa faible tendance à la calcification. / In Canada, up to five in 10 000 adults suffered from acute urinary tract obstruction, a kidney-related disease that contributes to the economy burden of Canada by $3.8 billion in 2008. Urologists mechanically open the obstructed urinary tract using a stent which ideally maintains an excellent urine flow, be resistant to infection and encrustation, and be biodegradable. Biodegradable metals could have the potential for making this ideal ureteral stent. This potential was partially assessed in this work by conducting detailed electrochemical corrosion tests in artificial urine at 37°C and advanced surface characterization on biodegradable pure Mg, Mg-2Zn-1Mn, pure Zn, Zn-0.5Mg, Zn-1Mg and Zn-0.5Al alloys. Based on polarization measurement, the Mg group was found to exhibit a faster corrosion rate than the Zn group, but then experienced a slow down at longer period of immersion as indicated by electrochemical noise measurement. The impedance of the Mg group surfaces showed a one-time constant behaviour with low double layer capacitance compared to the two-time constant of those of the Zn group. The SEM observation showed the formation of non-uniform corrosion layer on the Mg group and the formation of flower-like precipitates on the surface of the Zn group except for Zn-0.5Al alloy. The EDS and XPS analysis confirmed the main composition of corrosion layer as hydroxide, carbonate and phosphate, without calcium content for the Zn group. Among all tested metals, the Zn-0.5Al alloy exhibits the most interesting behavior by showing a uniform corrosion layer with low affinity to the ions in the artificial urine, indicating a low tendency to encrustation.

Le comportement à la corrosion de deux revêtements composites à matrice intermétallique Fe₃Al préparés par la technique HVOF (High Velocity Oxy Fuel) a été étudié dans une solution à 3.5% en poids de NaCl et comparé au Fe₃Al non renforcé. En outre, le chrome en tant qu'élément d'alliage utilisé dans la charge d'alimentation de HVOF pour évaluer l'effet du chrome sur le comportement à la corrosion du revêtement. Les techniques électrochimiques, y compris la polarisation potentiodynamique, le potentiel de circuit ouvert (OCP) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont été considérées. La surface de l'échantillon a été analysée après la corrosion en utilisant un microscope électronique à balayage (MEB) et une spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS). L'essai de potentiel en circuit ouvert a révélé qu'il existe sur le revêtement une couche d'oxyde qui pourrait être due à la technique HVOF utilisant de l'oxygène gazeux pour appliquer les revêtements. Les diagrammes de polarisation potentiométrique ont révélé que l'ajout de particules de TiC à la matrice Fe₃Al améliore les performances de corrosion de Fe₃Al, de sorte que les revêtements Fe₃Al / TiC présentent un taux de corrosion légèrement 6 fois supérieur. Une spectroscopie d'impédance électrochimique a été réalisée pour étudier les mécanismes de prévention de la corrosion des revêtements et un mécanisme différent était supposé pour Fe₃Al-Cr / TiC. Une analyse post-corrosion, telle que les spectres XPS et les images MEB de la couche passive, a été réalisée pour étudier la forme de corrosion. L'analyse élémentaire de la couche passive a révélé que l'addition de chrome au revêtement composite, fournit une couche passive plus protectrice en bloquant les sites d'entrée des ions chlorure. Essais de polarisation cyclique effectués dans une solution d'acide sulfurique 0.25 M pour étudier le comportement de passivation et de piqûration de revêtements dans une solution différente pour comparer les résultats de plusieurs autres travaux sur des aluminiures de fer avec Fe₃Al et deux revêtements composites de Fe₃Al /TiC et Fe₃Al-Cr/TiC. Les résultats de la polarisation cyclique potentiodynamique ont révélé que les performances de corrosion des revêtements composites dans cette solution sont légèrement meilleures que Fe₃Al. Cependant Fe₃Al-Cr/TiC présente une résistance à la piqûration inférieure à celle de deux autres revêtements. / The corrosion behavior of two Fe₃Al intermetallic matrix composite coatings (Fe₃Al/TiC and Fe₃AlCr/TiC) that prepared by high velocity oxy fuel (HVOF) technique was studied in 3.5 wt.% NaCl solution and compared with non-reinforced Fe₃Al. Furthermore, chromium as an alloying element used in the feedstock of HVOF to evaluate the effect of chromium on corrosion behaviour of the coating. Four electrochemical techniques, open circuit potential potentiodynamic polarization, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were employed to examine corrosion behavior in detail. Post-corrosion analysis was done using Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) to reveal the surface morphology and chemistry of the corroded samples. Results from the open circuit potential test revealed that an oxide layer formed on the coating which could be due to oxidation during the HVOF coating process. The Potentiodynamic polarization graphs revealed that adding TiC particles to Fe₃Al matrix improved the corrosion performance of Fe₃Al so that the Fe₃Al/TiC coatings exhibit slightly six times more corrosion rate. The EIS results indicated a more compact corrosion layer formed on the Cr-added coating resulting into the highest coating resistance. This is supported by the SEM/EDS and XPS analyses which revealed that a mixed oxide and hydroxide formed a passive layer. The Cr in the composite coating took the role in providing a more protective passive layer by blocking the entry sites of Clions. The pitting resistance of the Fe₃Al-Cr/TiC coating in 0.25 M H₂SO₄ solution was, however, lower compared to that of the two other coatings. It is concluded that the addition of TiC particles to Fe₃Al matrix, which primarily done for improving wear resistance, improves the corrosion resistance of the coating in saline solution. The addition of Cr into the Fe₃Al/TiC composite coating further improves its corrosion resistance, but the pitting resistance is not improved when tested in acid solution.

La production mondiale d’aluminium, produit via le procédé Hall Héroult, est actuellement autour de 60000 tonnes annuellement. Ce procédé a principalement conservé le concept original développé en 1886. Les anodes de carbone précuites utlisées dans ce procédé représentent une part importante du design des cellules d’électrolyse de l’aluminium. Les anodes font partie de la réaction chimique de la réduction de l’alumine et sont consommées lors du processus d’électrolyse. De ce fait, le niveau de consommation et la qualité des anodes ont un effet direct sur la performance des alumineries dans le marché extrêmement compétitif de la production d’aluminium. Bien que le processus et le design des anodes datent de 130 ans, l’effet des propriétés des matières premières sur la qualité finale des anodes n’est pas tout à fait maîtrisé, nécessitant ainsi des recherches approfondies. Les anodes de carbone sont composées de particules de coke, de pitch et de mégots d’anodes. Le pitch à la température de mélange et de formage est un liquide. Par conséquent, le mélange est une pâte de coke et des agrégats de mégots et pitch agissant comme liant. Le comportement de l'écoulement et du compactage de ce mélange en raison de la coexistence d'une variété de paramètres physiques, chimiques et mécaniques sont des phénomènes complexes. Compte tenu de l'importance des anodes de haute qualité et de longue durée en performance et donc l'économie des cellules de réduction, sous-estimer et prédire les propriétés finales des anodes sont très importantes pour les fonderies. La modélisation numérique dans des problèmes aussi complexes peut fournir un laboratoire virtuel où les effets de différents paramètres de processus ou des matériaux sur la qualité de l'anode peuvent être étudiés sans risquer la performance du pot. Toutefois, le choix de la méthode numérique est une décision critique qui doit être prise en fonction de la physique du problème et de l'échelle géométrique des problèmes étudiés. La méthode des éléments discrets (DEM) est utilisée dans ce travail de recherche pour modéliser les deux phases de la pâte d’anode; les agrégats de coke et le brai de pétrole. Dans cette partie du travail, les modèles DEM d’agrégats de coke sont utilisés pour simuler les tests de densité en vrac vibrée des particules de coke et pour révéler les paramètres impliqués. De par sa nature, la DEM est idéale pour étudier les contacts entre particules. Les résultats de ces travaux seront ensuite utilisés pour proposer de nouvelles recettes d’agrégats secs avec une densité en vrac supérieure. La résistivité électrique de lits de particules a été mesurée expérimentalement. Les informations sur les contacts entre particules obtenues à partir des modèles numériques ont été utilisées pour expliquer la résistivité électrique de lits de particules avec différentes distribution de tailles de particules. Les résultats ont montré que lorsque le nombre de contacts par unité de volume augmente dans un échantillon, la résistivité électrique augmente aussi. La densité compactée du lit de particules a aussi une influence sur le passage de courant dans les matériaux granulaires. D’après les résultats obtenus, conserver la densité de contacts aussi basse que possible est bénéfique pour la conductivité électrique s’il n’a pas d’impact négatif sur la densité compactée. Le brai de houille est un matériau viscoélastique à température élevée. Dans ce travail, les propriétés rhéologiques du brai et de la matrice liante (brai + particules fines de coke) ont été mesurées expérimentalement en utilisant un rhéomètre à cisaillement dynamique à 135, 140 145 et 150 °C. Le modèle de Burger à quatre éléments est alors utilisé pour modéliser le comportement mécanique du brai à 150 °C. Le modèle vérifié est alors utilisé pour étudier les propriétés rhéologiques du brai et du mélange coke /brai à 150 °C. Le modèle de Burger calibré démontre une bonne prédiction des propriétés viscoélastiques du brai et de la matrice liante à différentes températures. Les résultats obtenus montrent que, considérant la physique du problème, la méthode des éléments distincts est une technique de simulation numérique adaptée pour étudier les effets des matières premières sur les propriétés mécaniques et physiques des mélanges coke /brai. / Global aluminum production now is around 60 000 metric tonnes, annually, which is produced by the Hall-Héroult process. The process has mostly kept the original concept developed in 1886. Pre-baked carbon anodes are an important part of the design of aluminum smelting cells. Anodes are part of the chemical reaction of alumina reduction and are consumed during the process. Thus, quality and properties of anodes have direct effects on the performance and economy of the aluminum production in today’s highly competitive market. Although the design of anodes goes back to 130 years ago, effects of raw materials properties on final quality of anodes still need to be investigated. Anodes are composed of granulated calcined coke, binder pitch and recycled anode butts. Pitch at temperatures of mixing and forming steps is a liquid. Hence the mixture is a paste of coke and butts aggregates with pitch acting as binder. Flow and compaction behavior of this mixture, because of the co-existence of a variety of physical, chemical and mechanical parameters are complicated phenomena. Given the importance of high quality and long lasting anodes in performance and so the economy of the reduction cells, understating and predicting the final properties of anodes are very important for smelters. Numerical modeling in such complicated problems can provide a virtual laboratory where effects of different materials or process parameters on anode quality index can be studied without risking the pot performance. However, the choice of the numerical framework is a critical decision which needs to be taken according to the physics of the problem and the geometrical scale of the investigated problems. Discrete Element Method (DEM) is used in this research work to model the anode paste. In the first step, DEM models of coke aggregates are used to simulate the vibrated bulk density test of coke particles and to reveal the parameters involved. As a micromechanical model, DEM provides a unique opportunity to investigate the particle-particle contacts. The developed DEM models of coke aggregates were then used to propose a new dry aggregates recipe exhibiting higher packing density. Packing density of coke aggregates has direct effect on the baked density of anodes. High density is a very favorable anode quality index as it has positive effects on mechanical strength, and consumption rate of anodes in the cell. Electrical resistivity of bed of particles was experimentally measured. Particle-particle contacts information obtained from numerical models were used to explain the electrical resistivity of samples with different size distribution. Results showed that the increase in the number of contacts in volume unit of a sample increases, the electrical resistivity of the particle bed. Packing density also influences the electrical current transfer in granular systems. According to the obtained results, keeping the contacts density as low as possible is beneficial for electrical conductivity if it does not have a negative effect on packing density. Pitch is a viscoelastic material at elevated temperatures. In the present work, rheological properties of pitch and binder matrix (pitch+fine coke particles) were experimentally measured using a dynamic shear rheometer at 135, 140, 145 and 150 ºC. Four-element Burger’s model is then used to model the mechanical behavior of pitch and binder matrix. The verified model is then used to investigate the rheological properties of pitch and coke/pitch mixtures at 150 ºC. Calibrated Burger’s model showed to have a good prediction of viscoelastic properties of pitch and binder matrix at different temperatures. Obtained numerical results showed that available empirical equations in the literature fail to predict the complex modulus of mixtures of pitch and coke particles. As pitch has viscoelastic response and coke particles have irregular shapes, rheology of this mixture is more complicated and needs well-tailored mathematical models. Complex modulus of pitch decreases by increasing the temperature from 135 to 150 ºC, this makes easier the coke/pitch mixtures to flow. DEM modeling showed that the mixture gets a better compaction and so lower porosity by vibro-compacting at higher temperatures. The ability of pitch to penetrate to inter-particle voids in the porous structure of bed of coke particles was also shown to be improved by temperature. Final anode structure with less porosity and so high density is favorable for its mechanical strength as well as its chemical reaction in the cell as Based on the obtained results and considering the physics of the problem, it can be said that discrete element method is an appropriate numerical simulation technique to study the effects of raw materials and the anode paste formulation on mechanical and physical properties of coke/pitch mixtures. The platform created in the course of this research effort, provides a unique opportunity to study a variety of parameters such as size distribution, shape and content of coke particles, content and rheological properties of pitch on densification of coke/pitch mixtures in vibro-compaction process. Outputs of this thesis provide a better understanding of complicated response of anode paste in the forming process.

Des planches d’essai en enrochement ont été construites dans le but de déterminer les conditions de compactage optimales des zones d’enrochement de la Romaine-2. Ces planches d’essai ont été compactées en utilisant une nouvelle technologie de compactage, soit le contrôle de compactage en continu (Continuous Compaction Control (CCC)). L’objectif principal de ce mémoire est d’évaluer le potentiel d’utilisation de cette technologie pour l’analyse de la performance des barrages en remblai. Pour se faire, les données CCC des planches d’essai et les résultats des essais in-situ réalisés sur celles-ci ont été utilisés. Premièrement, une méthode de traitement des données CCC a été développée. Par la suite, à partir des données CCC triées et traitées des planches d’essai, un paramètre de compactage, dit CMVr, est développé. Ce paramètre est représentatif des conditions de compactage des différentes planches d’essai, tout comme les résultats des essais in-situ. Des relations ont donc été développées entre le CMVr et les modules de déformation issus des essais in-situ. Les résultats montrent que les modules de déformation augmentent avec l’augmentation du CMVr, tel qu’attendu. Toutefois, une dispersion non négligeable des données est observée autour des relations. Afin de confirmer les tendances obtenues, il est recommandé de réaliser plus d’essais in-situ pour un même matériau et de les effectuer à différentes passes de compacteur afin d’élargir le spectre d’énergie de compactage évalué. Autrement, la technologie CCC est considéré prometteuse pour l’analyse de performance des barrages en remblai. Vu son caractère continu, les zones de faiblesse peuvent être rapidement ciblées. Des analyses supplémentaires sont toutefois nécessaires afin d’utiliser le CCC dans le but d’estimer les tassements d’un barrage

La fabrication additive par soudage ultrasons joint de minces feuillards entre eux par le biais de soudures ultrasoniques continues. Puisque ce procédé donne naissance à des composantes qui possèdent des propriétés mécaniques étroitement liées au métal d’apport, le choix des feuillards utilisés est déterminant. Les trois alliages étudiés dans ce projet sont le 5005, 5052 et 5056. Ils possèdent des concentrations respectives en magnésium de 0,8, 2,4 et 4,9 % massique qui augmente rapidement leurs propriétés mécaniques. L’impact de la concentration de cet élément d’alliage a été caractérisé sous plusieurs aspects : la déformation des feuillards, de l’énergie de soudage, des joints produits, des propriétés mécaniques dans les différentes directions de construction et de la microstructure aux interfaces. La résistance mécanique des joints produits est corrélée à l’énergie de soudage, où les effets principaux sont dominés par la température de préchauffe, la vitesse d’avance et l’amplitude d’oscillation. La hausse énergétique est favorisée via la réduction de la vitesse de soudage et de l’augmentation de l’amplitude, menant à des joints plus solides, mais diminuant les propriétés mécaniques dans les autres directions de construction. Les diverses composantes produites ont révélé des propriétés anisotropes, conséquence du procédé et de l’utilisation de feuillards écrouis. Comparativement au matériel de base, des résistances en traction aussi élevées que 105 % selon la direction longitudinale (X), 100 % dans la direction transversale longue (Y) et 45 % dans la direction de déposition (Z) ont été obtenues. Les allongements maximaux observés sont aussi élevés que 25 % en X et 7 % en Y pour certaines conditions évaluées. En revanche, l’alliage 5056 ne permet pas la production de soudures adéquates. Des traces résiduelles d’oxydes en surface sur de larges zones non déformées sont visibles ainsi qu’une augmentation de dureté significativeaux interfaces comparativement auxautres alliages. / Ultrasonic additive manufacturing enables the production of components by generation of bonds between thin foils by continuous ultrasonic welds. Since produced parts have mechanical properties closely linked to the base material, the selectionof foil is decisive and needs to be taken into consideration. The three alloys studied are 5005, 5052 and 5056. They are composed of 0.8, 2.4 and 4.9% weight of magnesium, respectively. The presence of Mg increases notably their mechanical properties. The influence of Mg content on UAM was investigated with respect to the physical changes of foils induced by deformation, welding energy, produced joints, mechanical properties in the different building directions and microstructure at the interface. Joint resistance was found to be correlated to welding energy input, where dominant effects are temperature, welding speed and the amplitude of vibration. Energy can be raised by a decrease of the welding speed as well as the enhancement of the amplitude of vibration, leading to better joints properties but affecting the mechanical responses in other build directions. A large number of components were successfully built and showed anisotropic properties due to the process itself and the use of strain-hardened foils. When comparing tensile results with base material, properties in the longitudinal direction (X) are up to 105% of the foil used, 100 % for the transverse direction (Y) and 45 % for the deposited direction (Z). Depending on the condition tested, tensile deformation up to 25 % in the X-direction and 7 % for the Y-direction was observed. On the other hand, the 5056 alloy could not be adequately welded and showed multiple areas where residual surface oxide was present, paired with adrastic increase of hardness at the interfacecomparatively to other alloys.