Die Dissertation widmet sich der fortgeschrittenen experimentellen Analyse von dispersen Zweiphasenströmungen mittels ultraschneller Röntgentomographie. Hintergrund dieser Arbeit war die Zielsetzung, die Entwicklung und Validierung von Methoden der numerischen Strömungsberechnung (Computational Fluid Dynamics - CFD) durch experimentelle Studien zu unterstützen. Dazu wurden Blasenströmungen in einem Rohr mit einem weiten Bereich von Leerrohrgeschwindigkeiten und verschiedenen Hauptströmungsrichtungen untersucht. Dieses generische, experimentelle Szenario einer sich in einem vertikalen Kanal entwickelnden Zweiphasenströmung stellt einen anerkannten Benchmark-Fall für die numerische Strömungssimulation dar und ist darüber hinaus für viele praktische Anwendungen in der Energie- und Verfahrenstechnik von Bedeutung. Mit Anwendung der ultraschnellen Röntgentomographie war es im Rahmen dieser Arbeit erstmalig möglich, Zweiphasenströmungen in einer bisher nicht erreichbaren Detailtreue bildgebend zu erfassen. Allerdings bedarf es im Rahmen der angestrebten Validierung von numerischen Berechnungswerkzeugen für Zweiphasenströmungen einer möglichst genauen Extraktion quantitativer strömungsmechanischer Parameter. Während die Bestimmung von zeit- bzw. raumintegralen Gasgehaltsverteilungen mit Mittelungsverfahren nach dem Stand von Wissenschaft und Technik verhältnismäßig unkritisch ist, wurde im Rahmen dieser Arbeit der Fokus auf die nur mit der schnellen Röntgentomographie mögliche Bestimmung von Blasengrößen und Blasengeschwindigkeitsverteilungen aus tomographischen Bilddaten gelegt. Dazu wurden neue Bildauswerteverfahren entwickelt, validiert und angewendet.

Les résidus textiles archéologiques de l’Orient ancien sont rares. En Mésopotamie, la plupart des connaissances sur les textiles proviennent de textes cunéiformes. Fabriqués à partir de fibres animales ou végétales, les textiles sont périssables dans la plupart des environnements archéologiques. Un des principaux processus de préservation exceptionnelle de fibres archéologiques implique le contact avec un artefact métallique, ce phénomène est appelé « minéralisation ». Très peu de travaux ont été consacrés à l’étude approfondie des processus de minéralisation des textiles cellulosiques. Ce travail de doctorat a consisté à étudier à multi-échelles l’interaction entre substrat métallique à base cuivre et textile ancien, à partir d’échantillons provenant des sites archéologiques de Tello, de Nausharo et de Gonur-Depe (3e et 2e millénaire av. J.-C.). Le travail a permis de mettre en place une nouvelle méthodologie d’imagerie par microtomographie synchrotron de rayons X semi-quantitative afin de décrire la composition de ces systèmes complexes, hétérogènes et réactifs en 3d. Ces développements nous ont permis d’approfondir la description archéologique de ces textiles et de leur contexte d’enfouissement, en relation avec la question de leur production et de leur usage passés. Nous avons enfin abordé la description du système hybride fibres–produits de corrosion et la présence de signatures organiques dans ces systèmes hybrides altérés en vue de décrire les mécanismes à l’origine de leur conservation exceptionnelle. / Archaeological textile remains from the ancient East are rare. In Mesopotamia, most of the knowledge about textiles comes from cuneiform texts. Made from animal or vegetable fibres, textiles are perishable in most archaeological environments. One of the main processes of exceptional preservation of archaeological fibres involves contact with a metallic artefact, this phenomenon is called "mineralization". Very little work has been done on the in-depth study of the mineralization processes of cellulosic textiles. This PhD work consisted of a multi-scale study of the interaction between copper-base substrate and ancient textiles, based on samples from the archaeological sites of Tello, Nausharo and Gonur-Depe (3rd and 2nd millennium BC). The work made it possible to implement a new imaging methodology using synchrotron-based semi-quantitative X-ray microtomography to describe the composition of these complex, heterogeneous and reactive systems in 3d. These developments have allowed us to deepen the archaeological description of these textiles and their burial context in relation to the question of their production and use in past times. Finally, we discussed the description of the hybrid system of fibre-corrosion product and the presence of organic signatures in these altered hybrid systems in order to describe the mechanisms underlying their exceptional conservation.

Les procédés de fabrication additive permettent, à partir d’un fichier de CAO, la fabrication de pièces complexes sans outillage, dans des délais de développement très courts et avec une grande flexibilité. Parmi les procédés de fabrication additive employés avec les polymères, le frittage laser de poudre est le plus utilisé. Ces travaux de thèse sont consacrés à l’étude et la compréhension des mécanismes fondamentaux impliqués lors du procédé de frittage laser de poudres de polyamide 12. Au cours du procédé de frittage laser de nombreux paramètres interviennent. Ainsi l’énergie fournie à la poudre par l’intermédiaire du rayon laser dépend de la puissance de celui-ci, de la vitesse de balayage et de l’espacement entre deux balayages successifs. De plus, le matériau subit un cycle thermique sévère : avant d’être frittée, la poudre est préchauffée. Puis, dans le bac de fabrication, la poudre non frittée ainsi que les pièces séjournent pendant toute la durée de la fabrication à des températures élevées. Cette histoire thermique entraîne un vieillissement et donc une modification des propriétés de la poudre ce qui complique sa réutilisation. L’influence de ces différents paramètres sur la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces finales a été mise en évidence. De plus l’utilisation de différentes poudres de polyamide 12 a permis l’identification des paramètres-clés de la matière.Le frittage laser des polymères semi-cristallins est régi par plusieurs mécanismes fondamentaux : la fusion des particules de poudre, l’interdiffusion des chaînes macromoléculaires aux interfaces, la coalescence des particules fondues, la densification et enfin la cristallisation. L’étude et la modélisation de la cristallisation ont été effectuées pour l’un des polyamides 12 employés au cours de cette thèse. De ce traitement théorique ont pu être déduits les temps de maintien du polymère à l’état fondu au cours du procédé. Dans une seconde phase, des analyses rhéologiques menées dans le cadre de la viscoélasticité linéaires des polymères à l’état fondu ont permis de déduire les temps d’interdiffusion des chaînes macromoléculaires. Par ailleurs, le processus de coalescence des particules de poudres à l’état fondu a été suivi expérimentalement et modélisé pour différentes températures. Ces temps ont été confrontés à la durée de maintien du polymère à l’état fondu, confirmant ainsi la bonne consolidation obtenue lors du frittage du polyamide 12. En conclusion, ce travail contribue à la compréhension des différents mécanismes physico-chimiques intervenant au cours du frittage laser : il permet d’expliciter de façon assez approfondie les relations entre les propriétés des poudres, les paramètres du procédé et les propriétés finales des pièces. De nombreuses préconisations relatives à l’optimisation des propriétés des poudres pourront être déduites de ce travail et aideront au développement de nouveaux matériaux adaptés à ce procédé. / Additive processing technologies are aimed at manufacturing parts directly from a computer-aided design (CAD) file, without the need for tooling. Therefore flexibility of production increases and manufacturing of small to mid-size series of very complex or even customized parts becomes possible within reduced development time and expenses. Because of the good mechanical properties obtained in the parts, the most commonly used among additive technologies for polymers is laser sintering (LS). The objective of this work is to contribute to a better understanding of the different physical mechanisms involved during laser sintering of polyamide 12 powders. Many operating variables impact the laser sintering process. Especially, the energy supplied to the powder with the laser beam depends on its power, its displacement velocity and the scan spacing. Moreover, the polymer material undergoes a quite severe thermal treatment : before its sintering, the powder is preheated, then in the build tank the sintered parts and the un-sintered surrounding powder remain until the end of the job at elevated temperatures. This thermal history induces ageing, which modifies some powder features and hinders its future reuse. The influence of the parameters mentioned above on the part microstructure and mechanical properties was investigated. Moreover the use of different polyamide 12 powders enabled to identify the key material characteristics towards the physical processes involved in LS and towards the final properties of parts. The laser sintering of semi-crystalline polymers is governed by several fundamental mechanisms: melting of particles, interdiffusion of macromolecular chains at interfaces, coalescence of molten particles, then densification and finally crystallisation. The study and modelling of crystallisation were carried out with one of the PA12 powders used in the first part of this work. From this modelling, the time during which the polymer remains in the molten state during the process was estimated. Next, a rheological analysis made within the framework of linear viscoelasticity of polymer melts allowed to compute the interdiffusion time of the macromolecular chains. Moreover, the coalescence process of molten particles was observed at different temperatures and modeled. The characteristic times thus estimated for these physical processes were opposed to the time during which the polymer remains in the molten state and confirmed the good consolidation obtained by laser sintering of polyamide 12. In conclusion this work contributes to understand the different physico-chemical mechanisms involved during polymer laser sintering by specifying the relations between powder parameters, process variables and final properties of parts. Many recommendations for the optimisation of powder properties can be derived from this work for the purpose of developing new polymeric materials adapted to this process.

The present work was carried out within the framework of the priority programme SPP 2045. Technical ultra–fine particle systems (< 10μm) from highly specific separation processes are to be investigated here with regard to multi–dimensional property distributions. Tomographic measurement methods allow a comprehensive 3D description of particle–discrete data sets of statistically relevant size. The focus of the work is on X–ray tomographic analysis by means of micro-computed tomography (micro–CT), which, if necessary, is extended to several size scales by including further measurement methods (nano–CT) and supplemented by suitable elemental analysis (FIB–SEM + EBSD, EDX). Two preparation methods (wax, epoxy resin) for different particle preparations are described methodically, which have already been published in a case study or are the subject of current studies in the outlook of the work. Finally, a networked multiple use of the generated data within an online particle database is shown and its application is explained using three concrete examples.:1 Outline 2 Description of Particle Properties 2.1 Integral or Class–Based Description 2.2 Particle–Discrete Description 2.2.1 2D Description 2.2.2 Full 3D Description 2.3 Multidimensional Characterization on Basis of Particle–Discrete 3D Data 2.3.1 Motivation 2.3.2 Kernel Density Approach 2.3.3 Copula Approach 3 X–ray Tomography 3.1 Historical Context 3.2 X–ray Physics 3.2.1 X–ray Generation 3.2.2 Polychromatic Spectrum 3.2.3 Interaction with Matter 3.3 Tomographic Imaging 3.3.1 Motivation 3.3.2 Basic Idea 3.3.3 X–ray Microscopy Measurement Setup andWorkflow 3.3.4 Tomographic Reconstruction via Filtered Back Projection 3.3.5 Region of Interest Tomography 3.4 Relevant Artefacts Related to Particle Measurement 3.4.1 Temperature Drift 3.4.2 Penumbral Blurring and Shadow 3.4.3 Cone Beam 3.4.4 Out–of–Field 3.4.5 Center Shift 3.4.6 Sample Drift 3.4.7 Beam Hardening 3.4.8 Rings 3.4.9 Noise 3.4.10 Partial Volume 3.4.11 Summary 4 Practical Implementation 4.1 Particle Sample Requirements 4.1.1 Geometry 4.1.2 Dispersity and Homogeneity 4.2 Statistics 4.2.1 Single Particle Properties 4.2.2 Properties of a Limited Number of Particles (10 to several 100) 4.2.3 Particle Populations with Distributed Properties 4.3 2D Validation 4.4 Measurement 4.4.1 X–ray Microscope 4.4.2 Source Filter 4.4.3 Detector Binning 4.4.4 Cone Beam Artefact Compensation 4.4.5 Center Shift Correction 4.4.6 Dynamic Ring Removal 5 Image Analysis 5.1 Image Quality 5.1.1 Grey Value Histogram 5.1.2 Resolution 5.1.3 Signal–to–Noise Ratio 5.1.4 Contrast and Dynamic Range 5.1.5 Sharpness 5.1.6 Summary 5.2 Basic Image Processing Strategies 5.2.1 Threshold–Based Segmentation 5.2.2 Machine Learning Assisted Segmentation 6 Correlative Tomography 6.1 Scouting Approach 6.2 Multiscale Approach 6.3 Multidisciplinary Approach 7 Data Management 7.1 Data Quality 7.2 Data Availability 7.2.1 Tomographic Datasets 7.2.2 Particle Database 8 Outlook on Further Research Activities 9 Publications 9.1 Copyright Declaration 9.2 Overview 9.3 List of Publications Paper A, Preparation techniques for micron–sized particulate samples in X–ray microtomography Paper B, Self–constructed automated syringe for preparation of micron–sized particulate samples in X–ray microtomography Paper C, Preparation strategy for statistically significant micrometer–sized particle systems suitable for correlative 3D imaging workflows on the example of X–ray microtomography Paper D, Multi–scale tomographic analysis for micron–sized particulate samples Paper E, PARROT: A pilot study on the open access provision of particle discrete tomographic datasets 10 Appendix 10.1 Application Example 1: Fracture Analysis 10.2 Application Example 2: 3D Contact Angle Measurement 10.3 Influence of the Source Filter 10.4 Influence of the X–rays on the Sample 10.5 Appropriate Filter Settings 10.6 Log File Parser / Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 2045 entstanden. Technische Feinstpartikelsysteme (< 10μm) aus hochspezifischen Trennprozessen sollen hier hinsichtlich mehrdimensionaler Eigenschaftsverteilungen untersucht werden. Tomographische Messverfahren erlauben dabei eine vollständige 3D Beschreibung partikeldiskreter Datensätze statistisch relevanter Größe. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der röntgentomographischen Analyse mittels Mikro–Computertomographie (mikro–CT), die im Bedarfsfall unter Einbeziehung weiterer Messmethoden (nano–CT) auf mehrere Größenskalen erweitert und durch geeignete Elementanalytik (FIB–SEM + EBSD, EDX) ergänzt wird. Methodisch werden zwei Präparationsverfahren (Wachs, Epoxidharz) für unterschiedliche Partikelpräparate beschrieben, welche in einer Fallstudie bereits veröffentlicht bzw. im Ausblick der Arbeit Gegenstand aktueller Studien ist. Schließlich wird eine vernetzte Mehrfachnutzung der erzeugten Daten innerhalb einer online-Partikeldatenbank gezeigt und deren Anwendung an drei konkreten Beispielen erläutert.:1 Outline 2 Description of Particle Properties 2.1 Integral or Class–Based Description 2.2 Particle–Discrete Description 2.2.1 2D Description 2.2.2 Full 3D Description 2.3 Multidimensional Characterization on Basis of Particle–Discrete 3D Data 2.3.1 Motivation 2.3.2 Kernel Density Approach 2.3.3 Copula Approach 3 X–ray Tomography 3.1 Historical Context 3.2 X–ray Physics 3.2.1 X–ray Generation 3.2.2 Polychromatic Spectrum 3.2.3 Interaction with Matter 3.3 Tomographic Imaging 3.3.1 Motivation 3.3.2 Basic Idea 3.3.3 X–ray Microscopy Measurement Setup andWorkflow 3.3.4 Tomographic Reconstruction via Filtered Back Projection 3.3.5 Region of Interest Tomography 3.4 Relevant Artefacts Related to Particle Measurement 3.4.1 Temperature Drift 3.4.2 Penumbral Blurring and Shadow 3.4.3 Cone Beam 3.4.4 Out–of–Field 3.4.5 Center Shift 3.4.6 Sample Drift 3.4.7 Beam Hardening 3.4.8 Rings 3.4.9 Noise 3.4.10 Partial Volume 3.4.11 Summary 4 Practical Implementation 4.1 Particle Sample Requirements 4.1.1 Geometry 4.1.2 Dispersity and Homogeneity 4.2 Statistics 4.2.1 Single Particle Properties 4.2.2 Properties of a Limited Number of Particles (10 to several 100) 4.2.3 Particle Populations with Distributed Properties 4.3 2D Validation 4.4 Measurement 4.4.1 X–ray Microscope 4.4.2 Source Filter 4.4.3 Detector Binning 4.4.4 Cone Beam Artefact Compensation 4.4.5 Center Shift Correction 4.4.6 Dynamic Ring Removal 5 Image Analysis 5.1 Image Quality 5.1.1 Grey Value Histogram 5.1.2 Resolution 5.1.3 Signal–to–Noise Ratio 5.1.4 Contrast and Dynamic Range 5.1.5 Sharpness 5.1.6 Summary 5.2 Basic Image Processing Strategies 5.2.1 Threshold–Based Segmentation 5.2.2 Machine Learning Assisted Segmentation 6 Correlative Tomography 6.1 Scouting Approach 6.2 Multiscale Approach 6.3 Multidisciplinary Approach 7 Data Management 7.1 Data Quality 7.2 Data Availability 7.2.1 Tomographic Datasets 7.2.2 Particle Database 8 Outlook on Further Research Activities 9 Publications 9.1 Copyright Declaration 9.2 Overview 9.3 List of Publications Paper A, Preparation techniques for micron–sized particulate samples in X–ray microtomography Paper B, Self–constructed automated syringe for preparation of micron–sized particulate samples in X–ray microtomography Paper C, Preparation strategy for statistically significant micrometer–sized particle systems suitable for correlative 3D imaging workflows on the example of X–ray microtomography Paper D, Multi–scale tomographic analysis for micron–sized particulate samples Paper E, PARROT: A pilot study on the open access provision of particle discrete tomographic datasets 10 Appendix 10.1 Application Example 1: Fracture Analysis 10.2 Application Example 2: 3D Contact Angle Measurement 10.3 Influence of the Source Filter 10.4 Influence of the X–rays on the Sample 10.5 Appropriate Filter Settings 10.6 Log File Parser

Le contexte de ce travail concerne le process d'Infusion de Résine Liquide (LRI) développé dans le cadre du projet « FUSelage COMPosite » par DAHER SOCATA. Ce process de fabrication permet de réaliser des pièces de formes complexes et des panneaux entiers de fuselage en composites, ce qui réduit considérablement les étapes d'assemblages et donc les temps de production. Les travaux de thèse portent sur l'identification expérimentale du comportement d'un fuselage composite. Ce travail se divise en deux parties qui sont la qualification du contrôle non destructif (CND) par rapport à une taille de défaut critique et l'identification du comportement d'une structure composite orthotrope en présence de ce défaut. Le premier volet consiste à évaluer les techniques de CND basées sur des mesures de champs (acoustiques, thermiques et densimétriques), capables de détecter des défauts internes de types délaminage et porosité au sein de structures composites monolithiques et sandwichs, et fournissant une visualisation des résultats par une cartographie de défauts 2D ou 3D. Le choix de ces méthodes a été motivé par la volonté de DAHER SOCATA d'acquérir de nouvelles compétences en matière de CND. Le deuxième volet consiste à évaluer les paramètres élastiques d'une structure composite orthotrope (structure comprenant une zone saine et une zone localement dégradée) via une procédure d'identification, à partir de mesures de champs, globale et locale par recalage de modèles éléments finis. Cette procédure se décompose en quatre parties avec tout d'abord l'identification des propriétés de la structure saine, ensuite la localisation de la zone dégradée, l'intégration de celle-ci dans le modèle éléments finis, et l'identification des propriétés de cette dernière. / The context of this work concerns the process of Liquid Resin Infusion (LRI) developed under the project "composite fuselage" by DAHER SOCATA. This manufacturing process can produce parts with complex shapes and entire panels of composite fuselage, reducing assembly steps and therefore the production time. The thesis work focused on the experimental identification of the behavior of a composite fuselage. This work is divided into two parts which are the qualification of non destructive testing (NDT) compared to a critical defect size and the identification of the behavior of an orthotropic composite structure with defect. The first part is to evaluate the NDT techniques based on full field measurements (acoustic, thermal and densimetric), capable of detecting internal defects as porosities and delaminations in monolithic and sandwich composite structures, and providing a results visualization by a 2D or 3D defects map. The choice of these methods was motivated by DAHER SOCATA which wants to learn new NDT skills. The second part is to evaluate the elastic parameters of an orthotropic composite structure (structure composed by a virgin zone and a damaged zone) through an identification process from field measurements, by global and local step. This procedure is divided into four parts with two identification steps and a image processing step.

La tomographie (CT) aux rayons X joue un rôle important dans l'imagerie non invasive depuis son introduction. Au cours des dernières années, de nombreuses avancées technologiques en tomographie par rayons X ont été observées, notamment la CT spectrale, qui utilise un détecteur à comptage de photons (PCD) pour discriminer les photons transmis correspondant à des bandes d'énergie sélectionnées afin d'obtenir une information spectrale. La CT spectrale permet de surmonter de nombreuses limitations des techniques précédentes et ouvre de nombreuses applications nouvelles, parmi lesquelles la décomposition quantitative des matériaux est le sujet le plus étudié. Un certain nombre de méthodes de décomposition des matériaux ont été rapportées et différents systèmes expérimentaux sont en cours de développement pour la CT spectrale. Selon le type de données sur lequel l'étape de décomposition fonctionne, nous avons les méthodes du domaine des projections (décomposition avant reconstruction) et les méthodes du domaine de l'image reconstruite (décomposition après reconstruction). La décomposition couramment utilisée est basée sur le critère des moindres carrés, nommée proj-LS et méthode ima-LS. Cependant, le problème inverse de la décomposition du matériau est généralement mal posé et les mesures du CT spectral aux rayons X souffrent de bruits de comptage de photons de Poisson. Le critère des moindres carrés peut conduire à un surajustement des données de mesure bruitées. Dans le présent travail, nous avons proposé un critère de moindre log-carré pour la méthode du domaine de projection afin de minimiser les erreurs sur le coefficient d'atténuation linéaire: méthode proj-LLS. De plus, pour réduire l'effet du bruit et lisser les images, nous avons proposé d'ajouter un terme de régularisation par patch pour pénaliser la somme des variations au carré dans chaque zone pour les décompositions des deux domaines, nommées proj-PR-LLS et ima -PR-LS méthode. Les performances des différentes méthodes ont été évaluées par des études de simulation avec des fantômes spécifiques pour différentes applications: (1) Application médicale: identification de l'iode et du calcium. Les résultats de la décomposition des méthodes proposées montrent que le calcium et l'iode peuvent être bien séparés et quantifiés par rapport aux tissus mous. (2) Application industrielle: tri des plastiques avec ou sans retardateur de flamme. Les résultats montrent que 3 types de matériaux ABS avec différents retardateurs de flamme peuvent être séparés lorsque l'épaisseur de l'échantillon est favorable. Enfin, nous avons simulé l'imagerie par CT spectrale avec un fantôme de PMMA rempli de solutions de Fe, Ca et K. Différents paramètres d'acquisition, c'est-à-dire le facteur d'exposition et le nombre de bandes d'énergie, ont été simulés pour étudier leur influence sur la performance de décomposition pour la détermination du fer. / X-ray computed tomography (X-ray CT) plays an important part in non-invasive imaging since its introduction. During the past few years, numerous technological advances in X-ray CT have been observed, including spectral CT, which uses photon counting detectors (PCDs) to discriminate transmitted photons corresponding to selected energy bins in order to obtain spectral information with one single acquisition. Spectral CT enables us to overcome many limitations of the conventional CT techniques and opens up many new application possibilities, among which quantitative material decomposition is the hottest topic. A number of material decomposition methods have been reported and different experimental systems are under development for spectral CT. According to the type of data on which the decomposition step operates, we have projection domain method (decomposition before reconstruction) and image domain method (decomposition after reconstruction). The commonly used decomposition is based on least square criterion, named proj-LS and ima-LS method. However, the inverse problem of material decomposition is usually ill-posed and the X-ray spectral CT measurements suffer from Poisson photon counting noise. The standard LS criterion can lead to overfitting to the noisy measurement data. In the present work, we have proposed a least log-squares criterion for projection domain method to minimize the errors on linear attenuation coefficient: proj-LLS method. Furthermore, to reduce the effect of noise and enforce smoothness, we have proposed to add a patchwise regularization term to penalize the sum of the square variations within each patch for both projection domain and image domain decomposition, named proj-PR-LLS and ima-PR-LS method. The performances of the different methods were evaluated by spectral CT simulation studies with specific phantoms for different applications: (1) Medical application: iodine and calcium identification. The decomposition results of the proposed methods show that calcium and iodine can be well separated and quantified from soft tissues. (2) Industrial application: ABS-flame retardants (FR) plastic sorting. Results show that 3 kinds of ABS materials with different flame retardants can be separated when the sample thickness is favorable. Meanwhile, we simulated spectral CT imaging with a PMMA phantom filled with Fe, Ca and K solutions. Different acquisition parameters, i.e. exposure factor and number of energy bins were simulated to investigate their influence on the performance of the proposed methods for iron determination.

Nanotechnology offers a great potential do design fertilizers with unique properties capable to boost the plant productivity. However, the nanoparticles environmental fate and their toxic responses still need to be deeply investigated to their safe use. This study aims to investigate the effect of copper oxide (nCuO) and magnetite nanoparticles (nFe3O4) on the germination and seedling development of Phaseolus vulgaris L. Seeds were treated in nanoparticles dispersions in a wide range of concentrations (1, 10, 100 and 1 000 mg L-1) and incubated in a germination chamber during 5 days. Different sized nCuO (25, 40 and <80 nm) and polyethylene glycol (PEG) coated nFe3O4 were evaluated. Although both nCuO and nFe3O4 treatments did not affected the germination rate, seedling weight gain was promoted by 40 nm CuO at 100 mg Cu L-1 and inhibited by 1 000 mg Cu L-1 of 25 nm CuO and positive control (CuSO4). Among the tested nCuO, the higher chemical reactivity was found for the 25 nm CuO, and this may partially explain the observed deleterious effects. Seeds treated in nFe3O4-PEG at 1 000 mg Fe L-1 increased radicle elongation compared to the negative control (water), while Fe2+/Fe3+ (aq) (positive control) and bare nFe3O4 at 1 000 mg Fe L-1 treatments reduced the radicle of the seedlings. The growth promoted by the PEG-coated nanoparticles can be justified by the higher water uptake induced by the PEG, and also by its lower chemical reactivity compared to the bare nanoparticles. This was reinforced by enzymatic assays since nFe3O4-PEG treatment was also the least harmful to the alpha-amylase activity. X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) showed that most of the Cu and Fe incorporated by the seeds remained in the seed coat, specially in the hilum region, and X-ray tomography indicated that Fe3O4-PEG penetrated in this structure. X-ray absorption spectroscopy (XAS) unraveled that the Cu and Fe chemical environment of the nCuO and nFe3O4-PEG treated seeds persisted mostly in its primitive form. These results contribute to the understanding of how nCuO, nFe3O4 and nFe3O4-PEG interact with common bean seeds and seedlings and highlights its potential use in seed priming / A nanotecnologia oferece um grande potencial para o desenvolvimento de fertilizantes com propriedades únicas, capazes de impulsionar a produtividade das plantas. Contudo, o destino ambiental e os efeitos tóxicos das nanopartículas ainda necessitam ser profundamente investigados para o seu uso seguro. Este estudo visa investigar o efeito das nanopartículas de óxido de cobre (nCuO) e magnetita (nFe3O4) na germinação e desenvolvimento das plântulas de Phaseolus vulgaris L. As sementes foram tratadas em dispersões de nanopartículas em diversas concentrações (1, 10, 100 and 1 000 mg L-1) e incubadas em uma câmara de germinação durante 5 dias. Diferentes tamanhos de nCuO (25, 40 e <80 nm) e nFe3O4 recoberta com polietileno glicol (PEG) e foram avaliados. Embora ambos tratamentos de nCuO e nFe3O4 não afetaram a taxa de germinação, o ganho de massa das plântulas foi promovido pela nCuO de 40 nm à 100 mg Cu L-1 e inibido pelos tratamentos de nCuO de 25 nm e controle positivo (CuSO4) à 1 000 mg Cu L-1. Dentre as nCuO testadas, a maior reatividade química foi encontrada para a nCuO de 25 nm, e isso pode explicar parcialmente os efeitos deletérios desta nanopartícula. Sementes tratadas com nFe3O4-PEG à 1 000 mg Fe L-1 aumentaram o alongamento das radículas em comparação ao controle negativo (água), enquanto que os tratamentos Fe2+/Fe3+ (aq) (controle positivo) e nFe3O4 sem recobrimento à 1 000 mg Fe L-1 reduziram as radículas das plântulas. O crescimento promovido pelas nanopartículas recobertas com PEG pode ser justificado pela maior absorção de água induzido pelo PEG, e também pela sua baixa reatividade química comparada às nanopartículas sem recobrimento. Isso foi reforçado por ensaios enzimáticos uma vez que o tratamento de nFe3O4-PEG foi também o menos prejudicial à atividade da alfa-amilase. A espectroscopia de fluorescência de raios-X (XRF) mostrou que a maior parte do Cu e do Fe incorporados pelas sementes permaneceu no tegumento, especialmente na região do hilo, e a tomografia de raios-X indicou que nFe3O4-PEG penetrou nesta estrutura. A espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) revelou que o ambiente químico do Cu e do Fe das sementes tratadas com nCuO e nFe3O4-PEG persistiram majoritariamente em sua forma primitiva. Estes resultados contribuem para o entendimento de como nCuO, nFe3O4 e nFe3O4-PEG interagem com sementes de feijão e destaca seu potencial uso no tratamento de sementes

Nanotechnology offers a great potential do design fertilizers with unique properties capable to boost the plant productivity. However, the nanoparticles environmental fate and their toxic responses still need to be deeply investigated to their safe use. This study aims to investigate the effect of copper oxide (nCuO) and magnetite nanoparticles (nFe3O4) on the germination and seedling development of Phaseolus vulgaris L. Seeds were treated in nanoparticles dispersions in a wide range of concentrations (1, 10, 100 and 1 000 mg L-1) and incubated in a germination chamber during 5 days. Different sized nCuO (25, 40 and <80 nm) and polyethylene glycol (PEG) coated nFe3O4 were evaluated. Although both nCuO and nFe3O4 treatments did not affected the germination rate, seedling weight gain was promoted by 40 nm CuO at 100 mg Cu L-1 and inhibited by 1 000 mg Cu L-1 of 25 nm CuO and positive control (CuSO4). Among the tested nCuO, the higher chemical reactivity was found for the 25 nm CuO, and this may partially explain the observed deleterious effects. Seeds treated in nFe3O4-PEG at 1 000 mg Fe L-1 increased radicle elongation compared to the negative control (water), while Fe2+/Fe3+ (aq) (positive control) and bare nFe3O4 at 1 000 mg Fe L-1 treatments reduced the radicle of the seedlings. The growth promoted by the PEG-coated nanoparticles can be justified by the higher water uptake induced by the PEG, and also by its lower chemical reactivity compared to the bare nanoparticles. This was reinforced by enzymatic assays since nFe3O4-PEG treatment was also the least harmful to the alpha-amylase activity. X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) showed that most of the Cu and Fe incorporated by the seeds remained in the seed coat, specially in the hilum region, and X-ray tomography indicated that Fe3O4-PEG penetrated in this structure. X-ray absorption spectroscopy (XAS) unraveled that the Cu and Fe chemical environment of the nCuO and nFe3O4-PEG treated seeds persisted mostly in its primitive form. These results contribute to the understanding of how nCuO, nFe3O4 and nFe3O4-PEG interact with common bean seeds and seedlings and highlights its potential use in seed priming / A nanotecnologia oferece um grande potencial para o desenvolvimento de fertilizantes com propriedades únicas, capazes de impulsionar a produtividade das plantas. Contudo, o destino ambiental e os efeitos tóxicos das nanopartículas ainda necessitam ser profundamente investigados para o seu uso seguro. Este estudo visa investigar o efeito das nanopartículas de óxido de cobre (nCuO) e magnetita (nFe3O4) na germinação e desenvolvimento das plântulas de Phaseolus vulgaris L. As sementes foram tratadas em dispersões de nanopartículas em diversas concentrações (1, 10, 100 and 1 000 mg L-1) e incubadas em uma câmara de germinação durante 5 dias. Diferentes tamanhos de nCuO (25, 40 e <80 nm) e nFe3O4 recoberta com polietileno glicol (PEG) e foram avaliados. Embora ambos tratamentos de nCuO e nFe3O4 não afetaram a taxa de germinação, o ganho de massa das plântulas foi promovido pela nCuO de 40 nm à 100 mg Cu L-1 e inibido pelos tratamentos de nCuO de 25 nm e controle positivo (CuSO4) à 1 000 mg Cu L-1. Dentre as nCuO testadas, a maior reatividade química foi encontrada para a nCuO de 25 nm, e isso pode explicar parcialmente os efeitos deletérios desta nanopartícula. Sementes tratadas com nFe3O4-PEG à 1 000 mg Fe L-1 aumentaram o alongamento das radículas em comparação ao controle negativo (água), enquanto que os tratamentos Fe2+/Fe3+ (aq) (controle positivo) e nFe3O4 sem recobrimento à 1 000 mg Fe L-1 reduziram as radículas das plântulas. O crescimento promovido pelas nanopartículas recobertas com PEG pode ser justificado pela maior absorção de água induzido pelo PEG, e também pela sua baixa reatividade química comparada às nanopartículas sem recobrimento. Isso foi reforçado por ensaios enzimáticos uma vez que o tratamento de nFe3O4-PEG foi também o menos prejudicial à atividade da alfa-amilase. A espectroscopia de fluorescência de raios-X (XRF) mostrou que a maior parte do Cu e do Fe incorporados pelas sementes permaneceu no tegumento, especialmente na região do hilo, e a tomografia de raios-X indicou que nFe3O4-PEG penetrou nesta estrutura. A espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) revelou que o ambiente químico do Cu e do Fe das sementes tratadas com nCuO e nFe3O4-PEG persistiram majoritariamente em sua forma primitiva. Estes resultados contribuem para o entendimento de como nCuO, nFe3O4 e nFe3O4-PEG interagem com sementes de feijão e destaca seu potencial uso no tratamento de sementes

Dans le cadre du développement de nuances d’aciers toujours plus performantes en termes de résistance à l’effort et à l’endommagement, les aciers Dual-Phase (DP) présentent un bon compromis résistance/ductilité. Cependant, il est nécessaire de disposer de meilleures connaissances concernant les mécanismes menant à la rupture de tels aciers. Les mécanismes d’endommagement ont ainsi été étudiés dans cette thèse à l’aide de la tomographie aux rayons X. Des essais de traction in-situ ont été réalisés sur plusieurs nuances d’aciers DP, un acier ferritique et un acier martensitique afin de caractériser chaque étape de l’endommagement ductile. Des observations qualitatives et des données quantitatives concernant la germination de l’endommagement, la croissance des cavités et la coalescence ont été recueillies lors de ces essais. Ces données quantitatives ont ensuite été utilisées pour le développement et/ou la validation de modèles d’endommagement. Une prédiction de la cinétique de germination a ainsi été proposée et la version du modèle de croissance de cavités de Rice et Tracey corrigée par Huang et prenant mieux en compte l’effet de la triaxialité a été validée expérimentalement. L’étape de coalescence des cavités menant à la rupture des matériaux a pour la première fois été caractérisée de façon quantitative dans un matériau industriel et des critères de coalescence ont été appliqués localement sur les couples de cavités présentes dans le matériau. L’utilisation de ces modèles analytiques a permis une meilleure compréhension des propriétés agissant sur les phénomènes mis en jeu. L’effet de la part cinématique de l’écrouissage sur la germination et la croissance de l’endommagement a notamment été souligné et validé par des essais de chargements complexes. / As part of the current context of requiring ever more efficient grades of steels in terms of resistance to stress and to damage, the Dual-Phase steels (DP) present an acceptable strength/ductility compromise. It is nevertheless necessary to have a better understanding of the mechanisms leading to the fracture of such steels. Damage mechanisms were studied in this PhD using X-ray tomography. In-situ tensile tests were carried out on several grades of DP steel, a ferritic steel and a martensitic steel in order to characterize each step of ductile damage. Qualitative observations and quantitative data on the nucleation of damage, the void growth and the coalescence of cavities were collected during these tests. This quantitative data was then used for the development and/or the validation of damage models. A prediction of the kinetic of nucleation was proposed and the Huang’s correction of the void growth model of Rice and Tracey accounting for the triaxiality was experimentally validated. For the first time, the step of void coalescence leading to fracture of materials was quantitatively characterized in an industrial material and coalescence criteria were locally applied on couples of neighboring cavities present in the studied specimen. The use of analytical models enabled a better understanding of the properties influencing the studied damage phenomena. The effect of the kinematic part of the strain hardening on void nucleation and void growth was notably emphasized and validated by performing complex loading tests.

Cette étude s’attache à caractériser les mécanismes d’endommagement qui mènent à la rupture d'un alliage AlSi7Cu3Mg élaboré par un procédé à modèle perdu sous sollicitations cycliques isothermes à 250°C en condition de plasticité généralisée. Sa caractérisation par micro-tomographie aux rayons X (µCT) a montré la complexité et l'aspect 3D marqué de la microstructure: présence de pores de morphologies complexes de grandes tailles (>1mm) et d'un réseau inter-connecté de particules. Un montage expérimental a été développé pour réaliser des essais de fatigue à haute température suivis in situ par µCT synchrotron. Ces essais ont mis en évidence les interactions entre les fissures et les éléments microstructuraux. Les fissures s'amorcent au cœur des éprouvettes à proximité des cavités de retrait au niveau de particules dures. La propagation des fissures apparaît corrélée à la rupture progressive des particules présentes en pointe de fissure. Ces observations ont été complétées par des essais de fissuration réalisés sur des éprouvettes macroscopiques. Un matériau sans pore (similaire au premier) à été produit pour dissocier le rôle des pores et celui des particules dans la fissuration du matériau. L’influence des pores se révèle du premier ordre pour l’amorçage. Des maillages éléments finis réalistes ont été générés pour réaliser des simulations élasto-viscoplastiques qui ont permis de proposer un critère d’amorçage. Les zones critiques vis-à-vis de l’amorçage de fissures sont celles où l’énergie de déformation inélastique est maximale. Les chemins de fissuration correspondent aux zones localisant les déformations inélastiques et présentant de fortes triaxialités des contraintes. L’ensemble de ces analyses a donc permis de proposer un scénario complet d’endommagement. Enfin, les essais sur éprouvettes macroscopiques ont permis de proposer un modèle pour décrire la vitesse de propagation des fissures et ceci pour les deux matériaux. Ce modèle, facilement utilisable en bureau d’étude, a été validé pour différents niveaux de chargements. / This study aims to characterize the fatigue damage mechanisms that lead to the rupture of a cast aluminum alloy AlSi7Cu3Mg produced by lost foam casting at 250°C under large scale yielding. Its characterization by X-ray micro-tomography (µCT) showed the complexity and the strong 3D aspect of its microstructure: large pores with complex shapes (>1mm) and a network of interconnected hard particles are present. An experimental setup was developed to perform high-temperature fatigue tests monitored in situ by synchrotron µCT. These tests revealed the interactions between cracks and microstructural elements. Cracks initiated, in the bulk, on hard particles located in the vicinity of shrinkage cavities. Cracks propagation appears to be correlated to the progressive rupture of particles present in front of the crack tip. These observations were completed by crack growth tests carried out on macroscopic specimens. A pore-free material (similar to the first) was produced to dissociate the role of pores and particles on the low cycle fatigue behavior of the material. Pores appear to be more critical regarding cracks initiation. Realistic finite element meshes have been generated to perform elasto-viscoplastic simulations which have allowed to propose a criterion for cracks initiation. Critical areas regarding cracks initiation are correlated to areas where the inelastic strain energies are maximum. The crack paths correspond to areas where inelastic strains are located and where the levels of stress triaxiality are high. All these informations allowed to propose a damage scenario. Finally, the tests on macroscopic specimens allowed to propose a crack growth speed model for both materials. This model, easily usable by engineers, have been validated for different loadings.