Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The ability to manipulate materials at the atomic scale turn it possible to look for materials at the nanoscale that can supersede the performance of their bulk counterparts in specific tasks. Nanowires, due to their unique structural characteristics, are natural candidates for electric or heat conducting devices. When these nanowires take part of a circuit, they can subjected to an external stress that can change their intrinsic properties. In this work, we will be studying the mechanical and electronic behavior of narrow InAs nanowires, with different diameters, when subjected to extreme external stress. Our calculations use the Density Functional Theory, and the local density approximation to the exchange and correlation potential, as implemented in the VASP code. Our results reveal that the InAs nanowires exhibit a mechanical behavior which depends on the external stress and the nanowire diameter. For the narrowest diameter, it shows an elastic behavior followed by the rupture of the wire. As the nanowires turn thicker, different responses to the external stress take place. When the first chemical bonds are broken, the nanowire changes between elastic behaviors with different Young modulus. When more and more chemical bonds are broken (for the thicker nanowires), the nanowires show a plastic behavior, before the rupture. For each of these mechanical regimes, the electronic band structure of the nanowires is also analysed. / Nanofios, devido às suas caracteristícas estruturais únicas, são candidatos naturais para dispositivos condutores de eletricidade e calor. Quando estes nanofios formam parte de um dispositivo, podem estar sujeitos a tensões externas que podem alterar as suas propriedades intrínsecas. Neste trabalho estudaremos o comportamento mecânico e eletrônico de nanofios de InAs com diferentes diâmetros quando sujeitos a tensões externas extremas. Nossos cálculos usam a Teoria do Funcional da Densidade dentro da aproximação da densidade local para o funcional de exchange e correlação, como implementado no código computacional VASP. Nossos resultados revelam que os nanofios de InAs exibem um comportamento mecânico que depende da tensão externa e do diâmetro do nanofio. Para o nanofio mais estreito, observa-se um comportamento elástico da curva de tensão vs elongação ( stress vs strain ), seguido de ruptura do fio. Quando os nanofios tornam-se mais espessos, diferentes respostas às tensões extremas são observadas. Quando as primeiras ligações químicas são quebradas, os nanofios mudam de regime elástico para outro, com diferentes valores de módulo de Young. Quando mais e mais ligações químicas são quebradas, sempre do centro para as bordas, os nanofios apresentam um comportamento plástico antes da ruptura. Para cada um destes regimes mecânicos estrutura de bandas dos nanofios é também analisada.

L'objectif de ce travail de thèse est la caractérisation et la modélisation du comportement thermo-mécanique d'un acier à haut taux de carbone dans des conditions de chargement identiques à celles d'un procédé de formage incrémental à 720°C. Le regain d'intérêt des industriels pour ce type de procédé provient du fait qu'ils sont moins énergivores et permettent un ratio matière valorisée sur matière brute intéressant pour des propriétés mécaniques améliorées de la pièce formée. Le recours à l'outil numérique devient aujourd'hui une solution intéressante pour optimiser au mieux la mise au point du procédé. Son application demande, entre autres, une description fine du comportement du matériau dans les conditions de sollicitations de celui-ci, c'est-à-dire sur une large plage de vitesses de déformation et de températures. Pour cela, une caractérisation du matériau est nécessaire dans ces conditions. Le comportement mécanique d'un acier à haut taux de carbone a été étudié au travers d'essais de traction quasi-statiques et dynamiques afin de déterminer la sensibilité du matériau à la température et à la vitesse de déformation. Cette caractérisation repose sur la combinaison novatrice d'un système de chauffage par induction contrôlé par pyrométrie et d'un système d'acquisition d'images numériques. Ce dernier est utilisé pour la détermination des déformations à partir des champs de déplacement obtenus par corrélation d'images. En particulier, les effets de la température sur le module d'élasticité, l'anisotropie et l'écrouissage isotrope ont été étudiés. Les résultats de ces essais ont ensuite constitué une base de données expérimentales pour l'identification des paramètres de divers modèles de comportement thermo-élasto-visco-plastique. Ces derniers sont plus ou moins complets selon le nombre de paramètres utilisés pour décrire le comportement du matériau sur l'ensemble du domaine étudié. Cela permet d'identifier le modèle avec le meilleur ratio qualité/coût-délai pour une application donnée. Chacun des modèles étudiés dispose donc d'un domaine de définition propre. / The aim of this thesis work is the characterization and the modelisation of the thermo-mechanical behaviour of a high-carbon steel with loading conditions corresponding to those imposed by a forming process at 720°C. The renewal interest for this kind of industrial process comes from the fact that they use less energy and provide a ratio of material valued/raw material interesting to improved mechanical properties of the formed part. The use of numerical tool becomes today an interesting solution to optimize the development process. Its application requires a detailed description of the material behaviour in the loading conditions of the process, that is over a wide range of strain rates and temperatures. So, a material characterization is required in those conditions. The mechanical behaviour of a high-carbon steel was studied through quasi-static and dynamic tensile tests in order to determine the temperature and strain rate sensitivity of the material. This characterization is based on the innovative combination of an induction system controlled by pyrometry and a digital image acquisition system. This one is used for the determination of strains from displacement fields obtained by digital image correlation. In particular, effects of temperature on the modulus of elasticity, anisotropy and isotropic hardening were studied. Results of these tests allow us to establish an experimental database for the identification of parameters of various thermo-elasto-visco-plastic models. These are more or less complete depending on the number of parameters used to describe the material behaviour throughout the studied area. The model with the best ratio quality/cost-delay for a given application can be identified. Each of studied models has a specific domain of validity.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:49:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09664.pdf: 8203522 bytes, checksum: 192d1f285465eac45fb40c8c811cb761 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:49:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09664.pdf: 8203522 bytes, checksum: 192d1f285465eac45fb40c8c811cb761 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Résumé : Le but de cette étude est de développer un concept d’isolant acoustique à base de matières recyclées. Ce projet, initié par le Ministère des Transports du Québec (MTQ), s’inscrit dans la conception d’écrans antibruit répondant aux exigences actuelles du développement durable et de la loi sur l’environnement. L’isolant acoustique devra donc être également recyclable. Un matériau de type coupe-son est caractérisé par son indice d’affaiblissement sonore. Plus un matériau est lourd, plus il est isolant. Cependant, un phénomène physique provoque une importante chute de son efficacité à une fréquence précise dépendant de la rigidité spécifique du matériau (i.e. rapport du module d’Young sur la masse volumique). Il devra donc avoir une masse importante tout en ayant un module d’Young adéquat pour éviter ce phénomène. Le polyéthylène basse densité linéaire (LLDPE), thermoplastique recyclable de grande consommation, est alors alourdi avec des billes d’acier de grande taille (3.175 mm) afin d’augmenter la rigidité spécifique du composite résultant. Le composite ainsi formé montre néanmoins une augmentation du module d’Young qui compense l’ajout de masse. Cette augmentation est causée par la liaison interfaciale entre le LLDPE et les billes de fer. Pour limiter cette cohésion, un effort de traction a été effectué sur les échantillons. Ceci a eu pour effet de briser le lien mécanique à l’interface des billes et du LLDPE. En conséquence, le module a suffisamment chuté pour atteindre des valeurs inférieures au matériau brut. De plus, l’augmentation de la fraction volumique va de pair avec la réduction du module d’Young. Un modèle analytique de prédiction du module d’Young en fonction de la fraction volumique de billes d’acier a été également établi. Il a été comparé aux modèles existants et a montré de bons résultats avec les mesures. Des simulations acoustiques de la perte par transmission ont par la suite été effectuées sur les composites obtenus afin d’évaluer leurs performances par rapport aux matériaux usuels (e.g. béton, gypse, verre,…) et par rapport à des écrans antibruit existants. Les résultats ont démontrés que les composites peuvent parfaitement se substituer aux matériaux utilisés et présentent dans certains cas de meilleurs résultats. || Abstract : The aim of this study is to develop a concept of an acoustic reflective material using recycled materials. This project, initiated by the Ministre des Transports du Quebec (MTQ), fits with the current requirements of sustainable development and environmental law. So the acoustic material should be also recyclable. An acoustic reflective material is characterized by its sound transmission loss. The heavier the material is, the better is its sound transmission loss. However, a physical phenomenon causes a significant drop in efficiency at a specific frequency depending on the specific stiffness of the material (i.e., the ratio of Young’s modulus and density) So the material must be heavy and should have a Young modulus adapted to avoid this phenomenon. Linear low density polyethylene (LLDPE), a largely available recyclable thermoplastic material, is then weighed down with large steel balls (3.175 mm diameter) to increase the specific stiffness of the resulting composite. However, the composite thus formed shows an increase of its Young's modulus that compensates for the added mass. This increase is caused by the interfacial bonding between the LLDPE and steel balls. To limit this bonding, a tensile stress was applied on the samples. This had the effect of breaking the mechanical link at the interface. As a result, the modulus has dropped to a value below that of the raw material. In addition, the increase in volume fraction of steel balls goes hand in hand with the reduction of the Young's modulus. An analytical model for predicting Young's modulus as a function of volume fraction of steel balls was also established. It was compared to existing models and shown good agreement with measurements. Simulations of the acoustic transmission loss are subsequently carried out on the obtained composites to evaluate their acoustical performance compared to conventional materials (e.g. , concrete, gypsum, glass, ...) and to existing noise barriers. The results show that the developed composites can fully replace conventional materials and show better results in some cases.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:45:52Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:05:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 07542.pdf: 8778356 bytes, checksum: 4518d6e06c451cc0d8b83aa7b2a1ac53 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:45:52Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:05:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 07542.pdf: 8778356 bytes, checksum: 4518d6e06c451cc0d8b83aa7b2a1ac53 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

L'objectif général de cette thèse de doctorat est de caractériser les propriétés de membranes PFSA de type Nafion N115 et Nafion NRE212 en termes de sorption d'eau, de propriétés de transport et de propriétés mécaniques, sur une large gamme de conditions expérimentales. Nous avons réalisé de très nombreuses mesures afin de comparer les résultats avec les données de la littérature, souvent dispersées. Des protocoles simples et reproductibles nous ont permis de mesurer les propriétés des membranes et d'étudier l'influence de certains paramètres sur leur variation. Les échantillons ont par exemple été séchés à différentes températures et nous avons étudié l'effet de ce prétraitement thermique sur la capacité de sorption, les propriétés de transport et les propriétés mécaniques. Les membranes Nafion ont également été exposées à une température modérée (60°C - 80°C) et à une humidité relative constante (RH = 0.3 à 0.95) pendant plusieurs semaines, conditions à l'origine d'un phénomène dit de "vieillissement hygrothermique" qui affecte leur capacité de sorption et leur conductivité protonique. De tels effets ont été observés mais ils se sont révélés réversibles et sans conséquences notables en terme de performances une fois les membranes utilisées en pile à combustible. Nos résultats peuvent être utilisés dans des études impliquant le transport et la gestion de l'eau dans les piles à combustible ainsi que leur durabilité, en particulier pour de la simulation numérique ou de la modélisation. Plus fondamentalement, ils peuvent aider à comprendre la thermodynamique de sorption et les phénomènes de transport dans les membranes PFSA / The overall aim of this PhD thesis was to characterize the properties of commercial Nafion N115 and Nafion NRE212 membranes in term of water sorption, transport, and mechanical properties over a wide range of experimental conditions. Because of the high dispersion of the data in the literature, our primary objective was to gather a comprehensive set of experimental measurements and to compare them with published results. Simple and reproducible protocols allowed us to measure the membrane properties over a wide range of experimental conditions and to study the influence of certain parameters on their evolution. For example, the samples were heat-treated at different temperatures and the effect of thermal history on water sorption, transport and mechanical properties was investigated. Nafion membranes were also exposed to moderate temperature (60°C - 80°C) and constant relative humidity (RH = 0.3 to 0.95) for long periods of time, which is known to cause a so-called ?hygrothermal aging? resulting in a decrease in their sorption capacity and proton conductivity. Such effects were observed but they appeared to be reversible and without noticeable consequences in term of fuel cell performance. Our experimental results can be used in studies involving water transport, water management and durability of fuel cells, especially for numerical simulation or modelling. More fundamentally, they can help understanding the thermodynamics of sorption and transport phenomena in PFSA membranes

Les origines de la variabilité des propriétés du matériau béton de chanvre sont nombreuses. On distingue celles liées aux propriétés des ses constituants et du matériau lui-même auxquelles il faut ajouter les dispersions qui résultent des méthodes utilisées pour caractériser ce béton. Ce travail de thèse, s’intéresse à l’étude de la variabilité des propriétés du béton de chanvre en tenant compte de ces différentes sources et en particulier au type de chènevotte utilisée. L’étude bibliographique réalisée permet de comprendre le matériau béton de chanvre, notamment ses constituants, les méthodes de caractérisations en usage ainsi que l’ampleur de la variabilité et de la sensibilité de ses propriétés vis-à-vis des différents paramètres. Cet état de l’art, permet en outre d’identifier les paramètres à considérer dans le cadre de cette thèse. Notre travail de thèse est alors subdivisé en 4 chapitres en plus de l’étude bibliographique. Dans le deuxième chapitre, une étude multicritère sur les propriétés des chènevottes est présentée. Après une campagne expérimentale de caractérisation de 13 types de chanvre, une analyse des résultats à deux niveaux est réalisée. Elle prend en compte, la masse volumique, la capacité d’absorption d’eau et la granulométrie. Dans un premier temps on présente les résultats de l’étude mono-caractéristique ; il s’agit de la comparaison d’une caractéristique donnée pour l’ensemble des chènevottes. Dans un second temps, on présente les résultats de l’étude multicritère. Il s’agit d’analyser l’ensemble des chènevottes en prenant en comptes les différentes caractéristiques à la fois. A l’issue, les chènevottes sont classées en trois groupes. Le chapitre 3 constitue une étude préliminaire tenant compte des différents paramètres sources de variabilités des propriétés du béton de chanvre, comme le laboratoire d’essai (équipements), la gâchée, la taille d’éprouvette et le type de chanvre. Les résultats obtenus montrent la nécessité d’étudier l’impact du type de la chènevotte. Par ailleurs, la dispersion considérable obtenue pour les résultats du module d’Young est vraisemblablement associée à sa méthode de calcul. Il devient alors important d’approfondir l’étude de son impact sur les valeurs du module d’Young obtenues. Le chapitre 4 vise justement à étudier les méthodes de calcul du module d’Young. Les différentes méthodes de la littérature sont alors utilisées pour exploiter les courbes contrainte-déformation dont les essais ont été réalisés dans les mêmes conditions. Les variabilités observées sur les résultats vis-à-vis de chacune des méthodes permettent alors de mettre en évidence leur impact et de proposer la méthode « flottante » comme étant la plus pertinente. Par ailleurs, un modèle permettant de décrire la loi de comportement mécanique du béton de chanvre est proposé. Il permet de déterminer la courbe enveloppe correspondant à la courbe expérimentale issue du chargement monotone, et permet également de reproduire la courbe expérimentale issue d’un chargement cyclique. Dans le dernier chapitre, en se basant sur les résultats du chapitre 2, neuf types de chanvre ont été sélectionnés pour la confection des éprouvettes de l’étude. Dans les mêmes conditions (fabrication et essai), il a été mis en évidence expérimentalement l’impact de la chènevotte sur les propriétés mécaniques avec un facteur égal à 10 entre les valeurs faibles et élevées. La réponse mécanique caractérisée par des faibles (<5%), moyennes (>5% et <8%) et fortes (>8% et <20%) niveau de déformation a été mis en évidence. Ces variabilités, restent cependant moins marquées pour la conductivité thermique et la masse volumique du béton de chanvre. L’étude met en évidence l’intérêt d’une étude approfondie sur l’interaction liant/chènevotte pour une meilleure compréhension de l’impact de la chènevotte sur le béton de chanvre. / The origins of the variability of hemp concrete material properties are numerous. They include among others those related to the properties of its constituents and material itself as well as the methods used for their characterizations. This thesis is interested in the study of the variability of hemp concrete properties taking into account these different parameters and in particular the type of hemp particles used. The litterature review corried out allowed to present the hemp concrete material, the properties of its constituents, their methods of characterization and also the extend of properties variability and sensitivity due to various parameters. Furthermore, it allowed to identify the parameters to be considered in the context of this thesis. Therefore, this thesis is devided into four chapters in addition to the literature review. In the second chapter, a multi-criteria study on the properties of hemp particles is presented. After an experimental study of characterization for 13 types of hemp particles, a two level analysis of result is performed. It takes into account the density, water absorption capacity and particle size distributions. First, the results of the single characteristic study are presented; it is about a comparison of a given characterstic for all hemp particles at the same time. Secondly, the results of the multi-criteria study are presented. In this last case, the analysis is corried out by taking into account all hemp particles and characteristics, both at the same time. The outcome of this study allowed to classify hemp particles into three groups from which, low, medium and high mechanical peformances are expected, respectively. Chapter 3 is a preliminary study taking into account various parameters as sources of variability for hemp concrete properties, such as the testing laboratory (equipments), the batch, the specimen size and hemp particles type. The obtained results highlight the need for further investigations about the impact of hemp particles type. Moreover, the considerable dispersion in the results of Young’s modulus is likely associated with its calculation method. It then becomes important to deepen the study of its impact on the values of Young’s modulus obtained. The chapter 4 aims to answer the problem found on the method for calculating the Young’s modulus. Various methods from literature are used to analyse the stress-strain curves from samples manufactured under the same conditions. The variability observed in results with respect to used method allowed to highlight their impact and to provide the floating method as the most pertinent since it presents less variability. In addition, a model to describe the mechanical behavior law of hemp concrete is proposed. It allows to determine the enveloppe curve which corresponds to experimental curve from the monotonic loading. It can also allow to reproduce the experimental curve from a cyclic loading. In the last chapter, based on the results of chapter 2, nine types of hemp particles were selected for the preparation and manufacturing of specimens of the study. Under the same conditions (manufacturing and test), it has been demonstrated experimentally the impact of hemp particles on mechanical properties with a factor 10 between low and high values from obtained results. The mechanical response characterized by low (<5%), medium (>5% and <8%) and high (> 8% and <20%) level of deformation have been highlighted. These variabilities remain, however less marked for thermal conductivity and density of hemp concrete material. This study highlights the interest of a comprehensive study on the interaction binder/hemp particles for a better understanding of the impact of hemp particles on hemp concrete.