L'auto-assemblage est une technique de structuration qui permet de contrôler la forme et la construction de systèmes organisés à différentes échelles de longueur. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'auto-organisation de films de savon formés dans des milieux confinés et structurés. Les supports de séchage sont constitués d'un réseau de plots cylindriques en PDMS dont les positions peuvent varier et ainsi permettre le contrôle de la structure finale. Nous avons étendu une étude préexistante en réseaux carrés à des réseaux rectangulaires pour créer une anisotropie de manière à orienter les films dans des directions préférentielles. Nous avons pu montrer que les films de savon s'alignaient toujours dans la direction pour laquelle la distance entre les plots était la plus courte, et ce pour seulement 5 à 10% de différence de distance entre les axes. En outre, l'augmentation de l'épaisseur des plots permet de rendre plus brusque la transition (2%) entre désordre et alignement des films. Ces résultats ont été complétés par des simulations numériques permettant de modéliser l'ensemble des séchages. Nous avons enfin pu effectuer des expériences de séchage complémentaires dans des réseaux en losanges et dans des réseaux quasicristallins. La forme des plots a également été modifiée de façon à créer un contraste visuel du dépôt de séchage. / Self-assembly is a structuration technique which allows to control the shape and to build organized systems at different length scales. In this Thesis, we have studied the self-assembly of soap films formed in confined and structured media. Surfaces are composed of a grid of cylindrical pillars in PDMS which positions can vary allowing to control the final structure. We have expanded a previous study performed with square grids, using rectangular grids to create an anisotropy in order to guide the orientation of films. We showed that films always aligned in the shortest direction, even with only 5 to 10% difference between axes. Furthermore, the increase of pillar thickness allows to sharpen this transition (2%) between disorder and films alignment. These results have been completed by numerical simulations allowing to model all the grids. Finally, we made additional drying experiments in diamond and quasicrystalline grids. The shape of the pillars has also been changed in order to create a visual contrast of the drying deposit.

Cette thèse étudie le modèle elliptique de l'équation d'osmose et plusieurs de ses applications, en particulier la texturation de modèles 3Ds à partir d'image satellite multi-dates. L'équation d'osmose est similaire à l'équation de Poisson mais est invariante aux changements d'illuminations. Elle a été introduite dans le cadre du traitement d'image dans un modèle parabolique et résolue pour un domaine avec conditions au bord de Neumann.Le premier chapitre expose le modèle elliptique et donne des résultats théoriques pour plusieurs des problèmes au bord associés : conditions de Dirichlet, de Neumann et conditions mixtes. Sont prouvés en particulier l'existence et unicité d'une solution à ces problèmes, à une constante multiplicative près dans le cas de conditions de Neumann. Ces résultats sont étendus au cas de variétés ayant une seule carte locale.Le deuxième chapitre donne ces mêmes résultats pour le cas discret. Il est difficile pour un domaine arbitraire d'implémenter des conditions de Neumann ou des conditions mixtes avec la méthode des différences finies classique. Une formulation par graphe est par conséquent proposée qui facilite considérablement la manipulation des différentes conditions au bord. Cette formulation a également l'avantage de pouvoir être applicable sans changements à un maillage triangulaire.Le troisième chapitre présente différentes applications de l'équation d'osmose : le seamless cloning, la suppression d'ombres et la fusion d'images. Pour le seamless cloning, les résultats sont comparés à ceux obtenus avec Poisson editing. Ils montrent l'intérêt de l'invariance aux changements d'illumination dans le cas d'images d'entrées à contrastes très différents. Cette partie montre aussi les raisons de préférer résoudre l'équation localement avec conditions de Dirichlet plutôt que sur toute l'image avec conditions de Neumann.C'est pour le cas de la suppression d'ombres que l'importance des conditions mixtes apparaît comme elles permettent de traiter à la fois les ombres propres et les ombres portées.Ce chapitre propose aussi plusieurs méthodes pour la fusion de plus de deux images. Sont comparés en particulier les résultats obtenus par une fusion directe des couleurs et ceux obtenus par une fusion à base d'EDPs.Les méthodes développées pour le seamless cloning et la suppression d'ombres sont ensuite appliquées au cas particulier de la restoration digitale d'enluminures médiévales censurées. Cette application est présentée dans le quatrième chapitre et nécessite elle aussi l'usage de conditions au bord mixtes. Ce chapitre propose également une méthode à base d'inpainting pour la restauration d'enluminures endommagées.Le dernier chapitre propose une chaîne de traitement pour la création et la texturation d'un maillage à partir d'images satellites multi-dates. Les ombres sont automatiquement détectées pour un traitement différent des ombres propres et des ombres portées. La texture finale est une fusion l'aide de l'équation d'osmose des images satellites pondérée par la présence d'ombres et l'orientation du satellite. / This thesis deals with the elliptic osmosis equation and several of itsapplications. One application in particular is the texturation of 3D modelswith multi-date satellite images. The osmosis equation is similar to Poissonequation but with an illumination-invariant data term. It was first introduced forimage editing in a parabolic formulation for a domain with Neumann boundaryconditions.The first chapter describes the elliptic formulation of the osmosis model andseveral of its associated boundary-value problems: Dirichlet, Neumann and mixedboundary-value conditions. Theoretical results for the existence and uniquenessof solutions to these problems are proved for regular domains. These resultsare extended to manifolds with one local chart. The second chapter gives thesame results for the discrete case. For arbitrary domains, Neumann and mixedboundary conditions are difficult to implement with a classic finite differencescheme. For this reason a graph formulation of the problem is introduced thatallows much more flexibility for the manipulation of these boundary conditions.Unlike a finite difference scheme this formulation can be directlyapplied to triangular meshes.The third chapter presents applications of the elliptic osmosis model to theproblems of seamless cloning, shadow removal and image fusion. For seamlesscloning the results are compared to the ones obtained with Poisson editing. Thisshows the interest of having an illumination-invariant term when dealing withinput images whose contrasts are very different. The experiments also presenttheadvantages of solving the problem locally with Dirichlet conditions instead ofon the whole image domain with Neumann boundary conditions.The illumination-invariance of the equation encourages its use for the problemof shadow removal. This application showcases the interest of using mixed boundaryconditions as it allows the user to deal with both cast and attached shadows.This chapter also shows several methods to fuse more than two images of ascene. Several aggregator functions are proposed and the results of thedifferent fusions are compared. It illustrates the interest of PDE-based fusionover the simple fusion of the colour information.A more concrete application related to art is presented in the fourth chapter:the digital restoration of censored medieval illuminations when infraredreflectograms are provided along with the colour images. This applicationneeds the use of the methods already described for seamless cloning andshadow removal. It also showcases the importance of mixed boundary conditions.The last chapter proposes a pipeline to texture a given 3D model frommulti-date satellite images. We automatically detect the shadows,distinguishing the cast and attached shadows. The final texture is a PDE basedfusion of the satellite images weighted by the presence of shadows and theorientation of the satellite sensor.

L’Industrie actuelle demande des produits à haute valeur ajoutée offrant des nouvelles fonctions à moindre coût. Parmi les fonctions on peut citer la coloration de surface, le noircissement de surface, la réduction des frottements, la génération de surface anti-réflexion, anti-bactérienne, superhydrophobe ou anti-formation de glace. Les surfaces fonctionnelles présentes dans la nature nous indiquent que ces propriétés uniques sont possibles par des texturations de surface à l’échelle micro et nanométrique adéquates.Parallèlement à cela, la technologie laser révolutionne le champ des possibles en termes de texturation de surface et permet de reproduire ces fonctions inspirées du monde du vivant en modifiant la morphologie et la chimie de surface. Néanmoins, le développement et le déploiement de telles techniques de texturation laser au niveau industriel nécessite la levée de trois verrous. Le premier est de connecter les propriétés macroscopiques (couleur, résistance mécanique, stabilité chimique, vieillissement) et la morphologie de surface aux échelles nano et microscopiques. Le second d’acquérir une parfaite maîtrise de la morphologie de surface à ces échelles. Le troisième est la transposition du procédé développé en laboratoire en procédé industriel adapté aux traitements de grandes surfaces avec des temps de cycles les plus courts possibles. Nous avons étudié plusieurs techniques de texturation de surface à l’échelle submicronique par laser femtoseconde. Ainsi des « ripples » de quelques dizaines de nanomètres ont être réalisées par laser UV. L’irradiation avec double impulsion apporte une capacité supplémentaire dans le contrôle de la morphologie de surface finale. Différents types de structures, avec différentes symétries, ont ainsi été produites en jouant sur le délai entre les deux impulsions. Des structures LIPSS homogènes triangulaires ou carrées ont été obtenues pour des délais inférieurs à 5 ps et 500 ps respectivement. Des paramètres opératoires, en particulier la fluence et la polarisation, ont été identifiés comme jouant un rôle majeur dans les caractéristiques de la morphologie de surface finale. Des expériences complémentaires ont montré que des résultats similaires peuvent être obtenus en utilisant des cristaux biréfringents pour générer des délais courts. Nous avons également exploré la possibilité d’utiliser des trains d’impulsions uniques pour produire des texturations de surface de dimensions caractéristiques supérieures allant de quelques microns à plusieurs dizaines de microns en faisant varier de manière systématique la fluence, la dose énergétique et le taux de répétition du laser. La comparaison de résultats expérimentaux avec ceux issus de simulation nous avons mis en évidence le rôle majeur de l’accumulation thermique sur les dimensions caractéristiques des structures générées par laser. Par ailleurs, nous avons démontré la capacité du procédé à produire de texturations sub-longueurs d’onde, homogènes, sur des surfaces supérieures à 1 cm², avec des lasers ayant des taux de répétitions allant jusqu’à 10 MHz et des systèmes de positionnement innovants. Des nano-rugosités de surface ainsi produites affichent des propriétés de super hydrophobicité. A titre d’exemple, nous avons atteint un temps de texturation de l’ordre de 1 min/cm², soit 60 fois inférieurs à ce que nous obtenions en début des travaux. Enfin, nous avons démontré un temps de 9 s/cm² pour le noircissement de surface.Ces travaux de recherche, mettant à profit des sources laser et des équipements de déflection optique de dernière génération, apportent une contribution significative dans la compréhension des mécanismes d’une part, et dans la capacité à contrôler et à produire de telles texturations sur des grandes surfaces d’autre part. Ils devraient favoriser une dissémination rapide de ces technologies de texturation laser dans l’industrie. / Current industrial markets demand highly value-added products offering new features at a low-cost. Among the most desired functionalities are surface colouring and blackening, anti-icing, anti-biofouling, wear reduction and anti-reflectivity. Laser surface processing holds a virtually endless potential in surface functionalization since it can generate versatile surface properties by modifying surface morphology and chemistry. Nevertheless, developing functional surfaces for implementation in the industry requires action on three levels. The first is to connect the macro-scale surface properties (colour, mechanical resistance, chemical stability, ageing) and the micro & nano-scale morphology. The second is to increase the level of control over the laser induced morphology in the near micron and submicron scale. The third is to upscale the lab-developed process both in terms of processed area and cycle time. Functional textures found in nature can be used as a guideline for connecting the surface texture with the surface property. It is well established that different textures can enable different functionalities. Nevertheless, the level of control of the laser induced morphology has to be improved significantly in order to allow one to mimic nature’s examples. Increase of control requires an in-deep understanding of the physical mechanisms that lead to nanostructure formation. To this end, we carry out a comprehensive parametric study of fs processing on stainless steel. The impact of wavelength, overlap, fluence, dose, repetition rate, polarization and interpulse delay in the induced morphology was investigated.We investigate several techniques to achieve controlled laser structuring in the submicron regime. Ripples of a few tens of nanometres were obtained with a UV laser. Double pulses were employed to further control the submicron structures. Structures of different size and symmetry were obtained in different delays underlining the key role of the interpulse delay (Δτ). Homogeneous triangular and square 2D-LIPSS were obtained for Δτ smaller than 5 ps and 500 ps, respectively. Process parameters and particularly fluence and polarization were found to play also a role in the laser induced feature characteristics. In a complementary set of experiments, we show that similar results can be obtained for small delays with a robust setup of birefringent crystals. In the above micron regime, trains of single pulses were employed for controlling the surface morphology. Fluence, dose and repetition rate, were varied to show a systematic variation of spikes in the range of tens of micrometers. Combining our experimental results with simulation data we underline the key role of heat accumulation on the structures size. Finally, we proposed an upscaling strategy showing the possibility to exploit repetition rates up to 10 MHz for laser texturing.In the upscaling part, areas much larger than the spot size were textured homogenously using high repetition rate laser and innovative laser positioning systems. Nanometric ripples induced by UV laser act as a subwavelength grating. Laser induced nano roughness exhibits superhydrophobic properties. Uniform distribution of well-defined, sub-wavelength, 2D-LIPSS was successfully generated over ~1 cm2. The final surface exhibits multiple axis iridescence giving a holographic effect. Employing a 10 MHz laser surface was textured at a rate of ~ 1 min/cm2 almost 60 times faster compared to our starting point. Lastly, surface blackening was achieved at a rate of ~ 9 sec/cm2.In conclusion, valuable data were provided both in surface functionalization, in understanding and controlling of laser induced structuring and in upscaling a lab developed process. We believe that our results open the way for exploiting fs laser texturing in everyday applications employing up to date laser sources and positioning systems.

Le sujet de thèse concerne la maîtrise de la texturation de milieux granulaires par l'étude des dynamiques de structuration et de consolidation et l'application aux poudres céréalières réactives. La démarche s'appuie sur la confrontation d'approches scientifiques complémentaires (physique, physico-chimiques, génie des procédés et technologiques) pour étudier les dynamiques (i.e. évolutions cinétiques sous contraintes mécaniques) de structuration, de croissance, de rétraction et de consolidation. La méthodologie s'appuie sur la mise en œuvre d'une approche multi échelles. (i) À l'échelle des procédés, avec une approche technologique (basée sur une étude paramétrique avec des expérimentations à l'échelle pilote) et avec la construction d'un modèle de description des processus. (ii) À l'échelle des mécanismes pour étudier la génération de contacts (i.e. mécanismes de croissance) et la consolidation des interfaces (i.e. mécanismes de solubilisation & de séchage), avec des approches physico-chimiques expérimentales et le développement de modèles mécanistiques. (iii) À l'échelle de la structure : description de la microstructure interne (distribution de la compacité) et des caractéristiques texturales locales des structures formées. La thèse de doctorat prend en compte la réactivité des poudres pour la construction de modèles mécanistiques de croissance et de consolidation des milieux granulaires. Ces travaux trouvent des applications évidentes pour la filière céréales. / The PhD thesis subject concerns the control of the structures of granular matters, by the study of the dynamics of structuring and consolidation, and the application in reactive cereal powders. The approach leans on the confrontation of complementary scientific approaches (physical, physico-chemical, process engineering and technological) to study the dynamics (i.e. kinetic evolutions under mechanical stresses) of structuring, growth, shrinkage and consolidation. The experimental methodology is based on a multi-scales approach. (i) On the scale of the processes, with a technological approach (based on a parametric study with experiments using pilot scales equipments) and with the construction of a descriptive model of the reactions. (ii) On the scale of mechanisms, to study the generation of contacts (i.e. mechanisms of growth) and the consolidation of the interfaces (i.e. mechanisms of solubilization and drying), with experimental physico-chemical approaches and development of mechanistic models. (iii) On the scale of the structure, with the description of the intern microstructure (distribution of the compactness) and the measurement of local characteristics of the structures. The PhD thesis takes into account the reactivity of powders for the construction of mechanistic models to describe the growth and the consolidation mechanisms of the granular matter. These works find obvious applications for the cereal sector.

La seconde génération de rubans supraconducteurs utilisant une couche déposée et épitaxiée de supraconducteur YBa2Cu3O7-x (YBCO) est étudiée de façon intense (coated conductors). Une architecture simple à bas coût a été choisie, avec une seule couche tampon de La2Zr2O7 (LZO), épitaxiée sur un ruban de Ni95W5 texturé bi-axialement. L’objectif de cette thèse était d’identifier les paramètres pertinents du processus de texturation sur des rubans d’alliage Ni95W5 laminés par APERAM à partir d’une coulée industrielle et ceux contrôlant l’épitaxie de la couche tampon de (LZO). Le rôle de la fonctionnalisation du substrat pour l’épitaxie de cet oxyde sur la surface du métal a été en particulier étudié. Parallèlement, la faisabilité d’un procédé de recuit de texturation et de fonctionnalisation du substrat métallique au défilé, en vue d’un traitement continu pour un développement industriel, a été étudiée. / The second generation of superconducting tapes using a deposited layer and epitaxialsuperconductor YBa2Cu3O7-x (YBCO) is studied intensively (coated conductors). A simple lowcostarchitecture was chosen, with one buffer layer La2Zr2O7 (LZO), epitaxially grown on aribbon of biaxially textured Ni95W5. The aim of this thesis was to identify the relevant processparameters texturing ribbons Ni95W5 alloy rolled by APERAM from an industrial casting, andthose controlling the epitaxial buffer layer (LZO). The role of the functionalization of thesubstrate for epitaxy of the oxide on the metal surface has been particularly studied. Meanwhile,the feasibility of an annealing process and functionalization texturing of the metal substrate rollto roll, in view of a continuous treatment for an industrial development, was studied.

Différents aspects des traitements thermochimiques (nitruration, carburation et nitrocarburation) de l’acier inoxydable austénitique AISI 316 L menés à basse température ont été abordés. Dans le premier chapitre, un état de l’art de ces traitements thermochimiques, ainsi que des techniques mises en œuvre pour les réaliser ont été présentés. Les traitements de nitruration et de carburation, réalisés dans un réacteur de plasma micro-ondes, dans la configuration Matrice à Résonance Cyclotronique Électronique Distribuée, ont été étudiés dans le chapitre 3. L’analyse des couches traitées a été effectuée par différentes technique expérimentales : microscope optique, profilométrie, diffraction des rayons X, spectrométrie de masse des neutres secondaires, spectrométrie de masse d’ions secondaires et spectroscopie à décharge luminescente. Dans le quatrième chapitre, le traitement de nitrocarburation a été étudié et comparé à des traitements séquencés carburation / nitruration et nitruration / carburation. Une corrélation très forte a été effectuée entre la concentration moyenne en éléments interstitiels et la contrainte résiduelle de compression moyenne dans les couches traitées. Le dernier chapitre traite de la texturation ou structuration de surface à l’échelle micrométrique ou nanométrique. Pour réaliser cette structuration de surface, les propriétés de déformation de l’austénite expansée, formée lors d’un traitement de nitruration à basse température, sont exploitées pour construire un réseau bidimensionnel de plots, à l’aide de grilles ou des tissus métalliques jouant le rôle de masques pour transférer un motif sur une pièce en acier inoxydable austénitique / Different aspects of thermochemical treatments (nitriding, carburizing and nitrocarburizing) of austenitic stainless steel AISI 316 L conducted at low temperature were discussed. In the first chapter, a state of the art of these thermochemical treatments, as well as techniques used to achieve them have been presented. The nitriding and carburizing treatments, performed in a plasma reactor assisted by microwave in the Matrix Distributed Electron Cyclotron Resonance configuration, were studied in chapter 3. Analysis of the treated layers was performed by different experimental techniques: optical microscopy, profilometry, X-ray diffraction, Secondary Neutral Mass Spectroscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry and glow discharge spectroscopy. In the fourth chapter, the nitrocarburizing treatment was studied and compared to sequenced carburization / nitriding and nitriding / carburizing treatments. A strong correlation was made between the average concentration of interstitial elements and the average compressive residual stress in the treated layers. The final chapter deals with the surface texturation or patterning to the nanometer or micrometer scale. To achieve this patterning, the deformation properties of the expanded austenite, formed during a nitriding treatment at low temperature, are used to construct a two dimensional array of dots, using grids or metallic tissues playing the role of masks to transfer a pattern on a piece of austenitic stainless steel

Lorsque deux objets sont mis en contact, on réalise une expérience d’adhésion si on les sépare et une expérience de friction si on les fait glisser l’un sur l’autre. Lors de ces expériences, on mesure les forces d’adhésion et de friction contrôlées par un paramètre fondamental qui est l’aire réelle de contact. Cette aire réelle dépend fortement de la rugosité des surfaces. Afin de mieux comprendre le rôle de la rugosité, des expériences d’adhésion et de friction ont été réalisées entre des sphères d’élastomère en PDMS et des surfaces texturées (dures ou molles) constituées d’une rugosité modélisée par un réseau hexagonal de plots cylindriques de hauteurs, diamètres et espacements micrométriques.Dans les expériences d’adhésion, un dispositif de type JKR (pour Johnson, Kendall et Roberts) a été utilisé permettant d’observer le contact entre une sphère élastique et un plan texturé tout en contrôlant la force entre les surfaces. À faible force d’appui, la sphère reste au sommet des plots et le contact est dit « posé ». Lorsque la force entre les surfaces augmente, un contact total, où les plots sont écrasés (« contact intime »), apparaît au centre du contact, entourée d’une couronne de contact « posé ». Un modèle d’évolution du contact intime a été réalisé en prenant en compte l’adhésion entre les plots et les caractéristiques mécaniques des surfaces. De plus, en utilisant une analyse similaire à l’analyse classique de type JKR, il a été possible de mesurer les énergies d’adhésion effectives entre les surfaces. L’étude de l’évolution de ces énergies d’adhésion en fonction de la densité surfacique de plots sous le contact sphère-plan s’est révélée complexe. Finalement, des mesures de la force d’arrachement ont été réalisées, confirmant le rôle très important de la nature du contact sur l’évolution des énergies d’adhésion effective.Pour les expériences de friction, un tribomètre développé au laboratoire a été utilisé pour mesurer la force de friction dynamique. Durant ces expériences, les deux types de contact précédemment cités ont également été observés. Dans le cas où le contact reste « posé », il est naturel d’introduire une contrainte de friction égale à la force de friction divisée par l’aire réelle de contact. Il a été montré que cette contrainte de friction augmente sur des surfaces texturées (par rapport au cas lisse) et que cette augmentation dépend de façon complexe de la géométrie des plots utilisés. De plus, il a été montré que pour des petits rayons de courbure des sphères frottantes, la contrainte de friction n’est plus indépendante de l’aire réelle de contact. Finalement, nous avons montré que la contrainte de friction dans la zone de contact intime est la même que pour des surfaces lisses.Ce travail ouvre la voie à des développements théoriques et numériques nouveaux sur l’analyse du champ de contraintes et de déformations pour des contacts texturés modèles. / When two objects are in contact, an adhesion experiment is carried out if they are separated and a friction experience if one object slides on the other. A fundamental parameter which controls the adhesion and friction forces is the real area of contact between the surfaces which is largely determined by the surface roughness. To better understand the role of roughness, adhesion and friction experiments were performed with spheres of PDMS elastomer and textured surfaces (hard or soft). The latter’s roughness is modeled by an hexagonal network of cylindrical pillars with micrometrical dimensions and spacing.In adhesion experiments, a JKR set up (for Johnson, Kendall and Roberts) was used to observe the contact between an elastic sphere and a textured surface while controlling the force between the surfaces. At low normal force, the sphere remains at the top of the pillars and the contact is called "top". When the force between the surfaces increases, a full area of contact, where pillars are collapsed ("intimate contact"), appears in the center contact, surrounded by a crown of "top" contact. A model of evolution of this intimate contact which takes into account the adhesion between the pillars and the mechanical properties of surfaces has been achieved. Furthermore, it was possible to measure effective energies of adhesion between the surfaces using a similar analysis to the classical JKR analysis. Studying the evolution of these adhesion energies as a function of the pillars’ surface density below the sphere-plan contact proved to be a challenging task. At last, measurements of the pull off force were realised, corroborating the important role of the nature of contact on the evolution of effectif energies of adhesion.For friction experiments, a tribometer developed in the laboratory was used to measure the dynamic frictional force. During these experiments, the two kinds of contact previously reported were observed. When the contact remains "top", it is natural to introduce a friction stress equal to the friction force divided by the real area of contact. It has been shown that friction stress increases on textured surfaces (relative to the smooth case) and that this increase depends in a complex manner on the geometry of the pillars. Moreover, it has been shown that for small curvature radii of the friction spheres, the friction stress is no longer independent of the real area of contact. Finally, we have shown that the friction stress in the zone of intimate contact is the same as on smooth surfaces.The experimental results obtained in this thesis will serve to validate future numerical models.

Les récentes séverisations des normes d’émission a indirectement conduit le groupe RENAULT à durcir et optimiser les spécifications appliquées aux surfaces en contact. Les portées de vilebrequins sont particulièrement concernées. A l’instar des développements produit/process liés au rodage des fûts de cylindre, il est envisagé depuis peu d’appliquer une texturation antifriction sur les tourillons et manetons. Ces portées de paliers sont actuellement superfinies par toilage, un procédé d’abrasion à la fois robuste et économique. Malheureusement, le toilage produit, en usine du moins, une unique morphologie de surface, à savoir, une striation circonférentielle intégrale. Il apparaît, en ce sens, très limité. La présente étude a pour objectif d’investiguer plus finement les capacités de texturation du toilage. Elle propose un ensemble d’analyses expérimentales visant à comprendre les limites texturales observées en production série et offre des solutions innovantes afin d’accroître très sensiblement le potentiel texturant du procédé. S’articulant autour du triptyque Procédé/Texture/Fonctionnalité, ce travail se positionne également dans une démarche globale en s’intéressant à la fois à la texturation laser, la caractérisation des surfaces texturées et à l’influence des textures sur la fonctionnalité statique et dynamique des paliers. Les résultats montrent en particulier que le procédé de toilage est capable de produire, de manière robuste, une véritable diversité de textures. Ils montrent également que la recherche de « poli miroir » pourraient être à prioriser sur les portées de vilebrequins. / The recent introduction of tougher emissions standards has indirectly led the RENAULT group to tighten up and optimize specifications applied to surfaces in contact. Crankshafts journals are particularly concerned. Like product/process developments linked to the honing of cylinder liners, there have been recent plans to apply anti-friction texturing to crankshaft journals and crank pins. These bearing surfaces are currently super-finished by belt-grinding, an abrasion procedure that is both robust and economical. Unfortunately, belt-grinding produces a unique surface morphology, in the factory at least, i.e. integral circumferential striation. In this sense it appears very limited. The purpose of this study is to investigate in more detail the texturing capacities of belt-grinding. It provides a set of experimental analyses aiming to understand the textural limits observed in the factory and offer innovative solutions to significantly improve the texturing potential of the procedure. Focusing on the three-pronged Process/Texture/Functionality approach, this work is also part of a global process by looking both at laser texturing, characterization of the textured surfaces and the influence of textures on the static and dynamic function of the bearings. The results show in particular that the belt-grinding procedure is capable of robustly producing a real diversity of textures. They also show that striving to achieve a « mirror-polish » finish may be something to prioritize for crankshafts journals.

In this work the roughness and topography evolution of optical materials sputtered with low energy ion beam (≤1 keV) has been investigated. These materials (bulk or thin layer) are used in the manufacturing of mirrors for scientific (ground or space) instruments or for other optical applications. In the first part of the work, the roughness evolution of optical surfaces under sputtering has been investigated in the frame of the industrial process known as Ion Beam Figuring. This technique consists in removing shape errors on optical surfaces with a low energy ion beam (≤1 keV). One disadvantage of this process is a potential increase of roughness for surfaces under treatment. The roughness evolution of some materials relevant to the optical industry has been accurately characterized as function of etching depth down to 5 µm. These sputtering experiments have been carried out at normal incidence, mainly with argon ions (but also in a lesser extent with krypton and xenon ions), ion current density of ~1 mA/cm2 and ion beam energy ranging from 200 eV to 1000 eV. The roughness evolution under sputtering is low for materials with amorphous (glass, electroless nickel), monocrystalline (silicon) or even polycrystalline structure (CVD silicon carbide, PVD gold or nickel film), whereas it is considerably more important for some other metallic materials such as electroplated nickel and aluminium. This work has shown small differences in the roughness evolution of CVD silicon carbide as function of the ion beam energy. The roughness increase is faster at low ion energy (<500 eV) than at higher ion energy (650-1000 eV). The grain structure of this material is less revealed at higher energy, which is supposed to be due to a larger amorphization of the sputtered layer in this case. The influence of the ion mass on CVD silicon carbide and gold films on nickel substrates has been also illustrated. Our measurements have been also compared to scaling laws. Various growth and roughness exponents have been found, sometimes rather different from those foreseen by the KPZ equation. In the second part, we focus on periodically modulated structures (ripples) which developed on many solids when sputtered by an off-normal ion bombardment. In this work, we first observed these ripples on gold films deposited on electroplated nickel (materials used as reflective surfaces for X-ray space telescope) sputtered at grazing incidence. We studied the influence of sputtering parameters (ion beam incidence angle, energy and flux) on the characteristics of ripples induced on gold and silver thin film (~0.2 µm). Ion-induced ripples have also been observed on CdS, an interesting semiconductor crystal for optical applications. The ripples orientation and dimensions (spatial wavelengths from 0.13 µm to 0.29 µm) have been confronted to the Bradley-Harper (B-H) linear model. We used the SRIM software to evaluate the deposited energy and the surface tension coefficient distributions. Our results can be in great part explained by the current theories (Bradley-Harper, Makeev) on morphology of ion-sputtered surfaces. These results can be summarized hereunder: Clear development of ripples for angle of incidence equal or higher than 60° on gold film and 70° on silver film. In this work the ripples wave vector is always perpendicular to the ion beam direction for all angles, whereas the change in ripple orientation beyond a critical angle is usually reported in literature. This is a due to the different shape of the energy distribution function for our sputtering conditions. Different regimes for roughness and topography evolution (grains, ripples) have been observed in function of the angle of incidence. 3 different areas can be distinguished, as predicted by Makeev non-linear model. The diminution of ripple wavelength with ion energy shows that thermal diffusion is the main relaxation mechanism.

Les émissions de polluants dans l'atmosphère représentent l'un des objectifs majeurs à l'heure actuelle. Dans le domaine automobile, la réduction des émissions de CO2 repose en partie sur l'amélioration du rendement moteur. Pour ce faire, ces travaux de thèse sur la texturation de surface à micro et nano échelle proposent de diminuer les pertes par frottements dans les moteurs thermiques alternatifs à combustion interne. Le poste moteur retenu dans cette thèse est le segment/piston/chemise car près de 40 % des pertes par frottement y sont générées. On s'intéresse à la texturation par LASER femtoseconde de cavités sur la surface du segment coup de feu. Le comportement tribologique de surfaces texturées est étudié en régime ElastoHydroDynamique (EHD) et Limite. En régime EHD, la capacité de formation d'un film lubrifiant et le contrôle du frottement en surface texturée indique un comportement tribologique dépendant du couplage entre les paramètres expérimentaux - cinématique des surfaces, pression de contact, taux de rétention en huile et temps de résidence des textures dans le contact et les paramètres géométriques - diamètre, profondeur, densité de textures. En régime Limite, l'influence des textures sur le comportement tribologique a permis de confirmer l'hypothèse sur le rôle de piégeage des débris par les cavités et de mettre en évidence des configurations de réseaux réduisant le coefficient de frottement pour des profondeurs faibles.