Cette thèse traite de l'effet de l'incorporation des laitiers des hauts fourneaux (LHF) sur la microstructure et la durabilité des bétons à Ultra Haute Performance (BUHP) avec et sans activation. Trois taux de substitution du ciment par des LHF sont explorés (30%, 50% et 80%). Les résultats montrent qu'une teneur de 30% de laitier améliore légèrement la résistance à la compression, alors qu’avec 50% et 80% de LHF, la résistance à la compression chute significativement. A 3 jours, lorsque la teneur en LHF augmente, la porosité du béton augmente. A 90 jours, la réaction des LHF induit une diminution de la porosité capillaire et le réseau poreux devient plus fin. Ainsi, la perméabilité au gaz et la diffusion des ions chlore diminuent significativement. Les résultats montrent aussi que tous les bétons testés ont une profondeur de carbonatation similaire, après une année d’exposition au CO2. En effet, la diminution de la porosité, due à l’ajout des LHF est équilibrée par la diminution du pH, qui favorise la diffusion de CO2. Pour ce qui concerne l'activation, les résultats montrent que l'activation chimique/thermique des BUHP à fort dosage en LHF améliore les propriétés microstructurales, mécaniques et de durabilité du béton. D’un point de vue environnemental et en considérant l’unité fonctionnelle « 1 m3 d’un BUHP à 150 MPa », la substitution partielle du ciment par des LHF diminue les impacts environnementaux du BUHP et c’est malgré l’activation thermique. / This thesis deals with microstructural and durability performances of environmentally friendly Ultra-High Performance Concrete (UHPC) by integrating high volumes of Blast Furnace Slag (BFS) with and without activation. Three substitution rates of cement by slag are used (30%, 50% and 80%). Results show that a slag content of 30% improves slightly the compressive strength of UHPC whereas the strength of UHPCs containing 50% and 80% of slag are significantly reduced particularly at early age. At 3 days when the slag content increases, the porosity of UHPC mixtures with high slag contents increases. In contrast, at 90 days the volume of capillary pores decreases greatly and the global pores network becomes finer when cement is substituted by BFS. This results in decreasing gas permeability coefficients around (30-61%) and chloride diffusion (up to 4 times). Results show also that all tested UHPCs have quite the same CO2 depths after exposure of 1 year. Indeed, the decrease of porosity due to slag incorporation, is balanced by the decrease of pH which promotes CO2 diffusion. The chemical/thermal activation improves the packing density and the mechanical and durability properties of UHPC. From an environmental standpoint and considering the functional unit “1 m3 of UHPC with 150 MPa”, the partial substitution of cement with BFS decreases the environmental impacts of UHPC, even for thermally activated blended UHPCs.

Les évènements géologiques de surface, comme le volcanisme ou les séismes, sont le fruit d'une dynamique qui vise à dissiper la chaleur interne de notre planète. Dans le manteau terrestre, les roches sont déformées plastiquement dans des conditions extrêmes de pression, de température et de vitesse de déformation. Malgré les récentes avancées expérimentales, il est impossible de reproduire de telles conditions de déformation en laboratoire. C'est pourquoi nous proposons, dans ce travail de thèse, une approche numérique, basée sur la modélisation multi-échelle de la plasticité, des conditions du laboratoire à celles qui caractérisent le manteau terrestre. Nous avons choisi d'appliquer cette méthode à MgO, phase importante du manteau inférieur.À partir des propriétés de cœur des dislocations, nous avons utilisé la théorie des double-décrochements afin de décrire la mobilité d'une dislocation isolée en fonction de la température et de la contrainte. Nous avons ensuite implémenté, dans un code de Dynamique des Dislocations (DD), les paramètres de mobilité des différents défauts afin de décrire le comportement collectif des dislocations lors d’essais numériques de déformation. Les résultats montrent que les propriétés mécaniques de MgO dépendent fortement de la pression et de la vitesse de déformation. / Surface geological events, like volcanos and earthquakes, are due to the internal dynamics of the Earth which tends to release its internal heat. Inside the Earth's mantle, solid rocks are plastically strained under extreme conditions of pressure, temperature and strainrate. In spite of recent experimental progress, it is still impossible to reach such conditions of deformation. This is why we propose an alternative approach, based on the multi-scale modeling of plasticity, from the laboratory conditions to the Earth's mantle. We have choosen to apply our model to magnesium oxide which is a phase present in the lower mantle.From core properties, we modeled a dislocation thermally activated mobility law based on the kink pair theory. Then, we have incorporated it inside a Dislocation Dynamics code to describe the collective behaviour of dislocations throughout numerical strain experiments. Here we show that MgO mechanical properties depends significantly on pressure and strainrate.

Lorsque le comportement différé est régi par des mécanismes thermiquement activés, une expérience de fluage à température linéairement croissante est proposée. Le principe d'équivalence temps-température induit le déclenchement successif de chaque mécanisme. Une modélisation permet d'identifier l'énergie d'activation, la constante de temps et l'amplitude de chacun d'eux, à partir d'une seule expérience de durée limitée.<br />Appliquée à trois essences de bois (peuplier, douglas et hêtre), de la pâte à papier et du hêtre acéthylénisé, l'expérience met en évidence des anisotropies différées du bois supérieures à l'anisotropie élastique. Un accroisssement d'humidité modifie la cinétique des mécanismes. Les anisotropies et les influences des taux d'humidité induisent des hypothèses quant à la localisation des sourcres de fluage dans la matrice, les renforts ou les interfaces de ce composite.

Ce travail de thèse porte sur l'étude du décalage d'échange dans le system Co / MnPd.<br />Les échantillons ont été caractérisée structuralement en utilisant la diffraction et la réflectométrie de rayons X et magnétiquement en utilisant un magnétomètre VSM et un magnétomètre SQUID pour les mesures magnétiques.<br /> Compte tenu de la difficulté dans la compréhension des phénomènes physiques impliqués dans le décalage d'échange, un modèle phénoménologique simple a été développé dans lequel le champ magnétique moléculaire sur la couche antiferromagnétique est modélisé comme un champ magnétique extérieur appliqué. La valeur du champ de décalage est déterminée par le couplage existant entre la première et la deuxième couche AFM.<br /> L'étude des effets traînage dans les systèmes à décalage d'échange, constitue une originalité de ce travail. Le modèle de Fatuzzo Labrune, très souvent utilisé pour décrire le renversement de l'aimantation dans les couches magnétiques dures a permis la description de l'activation thermique sur la première partie du cycle dé hysteresis. Ce modèle est valable lorsqu'on considère une seule barrière d'énergie dans la nucléation des domaines magnétiques et une seule barrière pour la propagation des parois. Au delà du premier cycle d'hysteresis, les résultat expérimentaux ne peuvent être décrits par ce modèle. Les modèles qui supposent l'existence d'une large distribution des barrières d'énergie permet alors une très bonne description des effets observés.

Les industries productrices de matériaux, que ce soit dans le domaine des polymères ou celui des métaux, conçoivent de nouveaux matériaux pour répondre à des fonctions spécifiques définies par leurs clients. Elles s'appuient sur les progrès spectaculaires des dernières années dans le domaine de la modélisation des procédés et de la prédiction des propriétés d'emploi. Cependant, des efforts importants restent encore à faire dans la compréhension des relations entre une microstructure et ses propriétés de mise en forme et de tenue en service pour développer et inventer les matériaux de demain. Pour mieux comprendre les relations entre microstructures et propriétés mécaniques, les modèles basés sur une démarche micromécanique par changement d'échelles sont très utiles par leur caractère prédictif étendu. Comment représenter au mieux cette microstructure ? Quel est le rôle de la topologie, c'est-à-dire de la morphologie et l'arrangement spatial des constituants ? Quel est le rôle du comportement propre de chaque constituant sur la réponse du matériau ? Ces questions sont au centre de mes activités de recherche. Ma contribution porte plus particulièrement sur le développement de modèles micromécaniques par changement d'échelles dans deux domaines ouverts : le couplage entre des mécanismes instantanés et dépendants du temps tels que l'élasticité et la viscoplasticité et la prise en compte de la topologie dans les matériaux hétérogènes à fort contraste mécanique.<br /><br />Dans le cas d'un fort contraste mécanique, l'arrangement des phases joue un rôle du premier ordre sur les propriétés mécaniques. Il induit en particulier que seule une fraction des phases, appelée fraction effective, est active mécaniquement. Cela amène à définir des «phases mécaniques» qui (i) ne sont pas forcément définies par une homogénéité chimique ou physique et (ii) peuvent évoluer avec les conditions de chargements. On parle alors de « motif morphologique évolutif ». Le modèle autocohérent appliqué au motif morphologique de l'inclusion enrobée a été appliqué avec succès aux semi-solides où inclusion et enrobage sont tous deux composés de liquide et de solide. Il a été implanté dans un code d'éléments finis afin de simuler la mise en forme d'alliages métalliques à l'état semi-solide et en particulier le thixoforgeage en collaboration avec ASCOMETAL CREAS.<br /><br />En ce qui concerne le couplage entre des déformations élastiques instantanés et des déformations viscoplastiques dépendants du temps, un modèle de transition d'échelle, dit modèle à champs translatés, est proposé en s'inspirant de l'approximation autocohérente. Il fournit une description élastique-viscoplastique des interactions entre hétérogénéités efficace et simple à mettre en œuvre numériquement. Cet outil de transition d'échelle a été appliqué à l'étude du comportement élastique-viscoplastique d'aciers polycristallins présentant différentes microstructures en collaboration avec ARCELOR. Les lois décrivant le comportement du monocristal fondées sur la théorie de la plasticité cristalline, prenant en compte les mécanismes de déformation par glissement cristallographique et éventuellement par maclage, ont été adaptées et enrichies aux types de comportement étudiés : dépendants de la vitesse de déformation, de la température, sous sollicitations monotones ou cycliques, après vieillissement de type Bake Hardening.<br /><br />La démarche de modélisation proposée jusqu'alors décrit l'activité plastique à l'aide de variables internes homogènes à l'échelle du grain. Or la plasticité apparaît selon des événements spatio-temporels discrets. Un nouveau projet de recherche est proposé pour lever cette hypothèse de « microhomogénéité » en représentant l'activité plastique par une distribution spatiale mais périodique de « particules » de déformation. Cette approche cherche à prendre en compte l'auto-organisation spatiale de la microstructure dans les calculs de champs dans le but de rendre compte naturellement des effets de taille en plasticité.

Dans ce travail, des derivés du dithia[3.3]paracyclophane sont étudiés pour des applications en nanostructuration de surfaces et comme nouveaux fluorophores. Dans un premier temps, l'auto-assemblage supramoléculaire de molécules est utilisé pour créer des réseaux 2D sur surface. Cependant, l'utilisation de tels substrats a tendance à annihiler les propriétés électroniques des composés adsorbés. Par conséquent, des dérivés 3D du dithia[3.3]paracyclophane sont employées afin d'éloigner le composant actif de la surface. Dans cet optique, de nouvelles molécules à base de groupements pyridine ont été conçues pour s'auto-assembler sur différents substrats. Les caractérisations préliminaires ont été effectuées afin d'étudier les propriétés d'auto-assemblage de telles molécules seules ou co-adsorbées, et les premières images de réseaux 2D auto-organisés sur graphite et or ont été obtenues par microscopie à sonde locale. Dans un second temps, de nouveaux composés sont actuellement étudiés pour électroluminescence à haute rendement à partir de la fluorescence retardée à activation thermique (TADF). Ce phénomène est généralement observé pour des molécules montrant un faible gap électronique entre ses états excités singulet et triplet, lié au faible recouvrement des orbitales HOMO et LUMO localisées sur le donneur et l'accepteur, respectivement. Dans ce contexte, nous proposons un nouveau design de molécules de type donneur-accepteur où HOMO (donneur) et LUMO (accepteur) sont séparées par un cœur cyclophane. Nous avons synthétisé deux émetteurs et leurs propriétés photo-physiques ont été étudiées en solution et à l'état solide. / In this work and due to their unique electronic properties, 3D-dithia[3.3]paracyclophane-based molecules have been studied for surface nanostructuration applications and as new fluorophore. First, the supramolecular self-assembly of molecules is used to create well-organised 2D-networks on conducting surfaces. However, the use of such substrates tends to quench any electronic properties of the adsorbed molecules. In this context, 3D-dithia[3.3]paracyclophane-based molecules were employed to lift up the active moiety from the surface. In this work, new pyridyl end-capped molecules were designed to self-assemble on any substrate. Preliminary characterisations were performed to study the supramolecular self-assembly of such molecules alone or with co-adsorbers, and the first images of organised 2D-networks on graphite and gold have been obtained by scanning probe microscopy. Second, the design of new and efficient emitter is a hot topic for the fabrication of OLED devices. A new type of compounds is currently investigated for their high electroluminescence efficiency due to thermally activated delayed fluorescence (TADF). This phenomenon is expected from molecules showing low electronic gap between singlet and triplet excited states, which is related to a low overlap of the HOMO and LUMO, localised on the electron-door and acceptor moieties of the molecule, respectively. In this sense, we propose a new design of donor-acceptor molecules where the HOMO (donor) and LUMO (acceptor) are separated by a cyclophane core. We synthesised a couple of emitters and their photophysics properties were studied in solution and in solid state.

Durant cette thèse, nous avons d'abord développé un dispositif expérimental permettant de mesurer la dynamique de l'angle de contact avec une précision record de 0,01° sur 7 décades de vitesses de la ligne triple, gamme jamais atteinte auparavant. Pour la première fois, la résolution numérique des équations de lubrification a permis de déduire l'angle de contact à l'échelle microscopique de ces mesures macroscopiques, découplant donc le problème hydrodynamique multi-échelles de la physique de la ligne de contact à petite échelle. Avec ces outils, nous avons montré qu'une pseudo-brosse - une couche nanométrique de polymères - peut complètement piloter la dynamique, en produisant des hystérésis les plus faibles jamais mesurées (<0,07° !) et des surdissipations massives provenant de la nature visco-élastique de la couche. Cette étude ouvre la voie à la nano-rhéologie, permettant de sonder la dynamique extrêmement rapide (~100 ns) de polymères confinés à l'échelle nanométrique. Grâce à un travail collaboratif fructueux, nous avons ensuite développé un modèle permettant de décrire quantitativement et de façon unifiée la dissipation hydrodynamique, l'hystérésis et l'activation thermique. Enfin, beaucoup d'efforts ont été fournis pour la fabrication de surfaces aux défauts nanométriques contrôlés en taille, forme et concentration. La dynamique s'est révélée insensible à cette échelle de désordre, la présence des défauts n'affectant que l'hystérésis. Ces résultats ont été interprétés semi-quantitativement avec des lois d'échelle, et la caractérisation complète des défauts devrait permettre à terme de développer des modèles plus quantitatifs. / During this thesis, we first developed an experimental set-up to measure contact angle dynamics with a record precision of 0.01° over 7 decades of velocity of the triple line, a range never before attained. For the first time, numerically solving the lubrication equations has allowed us to deduce the contact angle at the microscopic scale from these macroscopic measurements, and thus enabled the multi-scale hydrodynamic problem to be disentangled from the physics of the contact line at small scales. With these tools we have shown that the dynamics can be completely piloted by a pseudo-brush -a nanometric layer of polymers-, producing the lowest ever reported hysteresis (<0.07°!) and giving rise to a huge source of dissipation originating from the viscoelasticity of the coating. This study points the way towards nano-rheology, to probe extremely fast dynamics (~100 ns) of polymers confined at the nano-scale. Thanks to a fruitful collaborative work, we then developed a model that provides a single quantitative framework to account for hydrodynamic dissipation, hysteresis and thermal activation. Finally, a great deal of effort has been made to produce nano-defects whose size, shape and density are controlled. The dynamics appears to be insensitive to this scale of disorder, and the presence of defects is observed to only modify the hysteresis. These results have been interpreted semi-quantitatively with scaling laws, and we expect that the complete characterization of the defects should eventually allow the development of more quantitative models.

Ce travail de thèse met en évidence deux phénomènes microscopiques dissipatifs au voisinage de la ligne de contact dans les phénomènes de capillarité et d'adhésion. L'étude s'appuie sur des expériences dynamiques et des modélisations théoriques. La mesure expérimentale de quantités macroscopiques et la théorie hydrodynamique permettent d'extraire les informations dynamiques localisées au voisinage la ligne de contact. Les différents phénomènes dissipatifs localisés au voisinage de la ligne de contact ont pour origines les propriétés des substrats sur lesquels se déplace la ligne de contact. Pour une surface rigide hétérogène, nous avons développé un modèle rhéologique de la ligne de contact fondé sur l'hydrodynamique, permettant d'établir théoriquement l'évolution temporelle de la ligne de contact et de ses déformations. Une décomposition modale fondée sur la réduction de l'énergie par la théorie du chemin de réaction fournit une prédiction quantitative de la dynamique thermiquement activée de la ligne de contact, en accord avec l'expérience réalisée. Pour un substrat déformable, à partir de l'analyse de deux expériences différentes de mouillage dynamique et de l'estimation de la dissipation dans le substrat, fondée sur sa viscoélasticité, nous avons développé une compréhension générale du comportement dynamique d'une ligne de contact sur un substrat viscoélastique. Pour finir, ce modèle de dissipation viscoélastique est appliqué au cas de l'adhésion réversible, où expérimentalement nous mesurons la dynamique de pelage et de recollement sur un substrat viscoélastique. Cette extension à l'adhésion permet de relier les phénomènes interfaciaux en une compréhension générale / This thesis reveals two dissipative microscopic phenomena close to the contact line in the fields of capillarity and adhesion. The study is based on dynamic experiments and theoretical predictions. Experimental measurement of macroscopic quantities and the hydrodynamic theory give access to dynamic information located close to the contact line. The different dissipative phenomena, located close to the contact line, originate from the properties of the substrates on which the contact line moves. For a heterogeneous rigid surface, we have developed a rheological model of the contact line based on hydrodynamics, in order to theoretically establish the temporal evolution of the contact line and its deformations. A modal decomposition based on the reduction of the energy by the reaction path theory allows a quantitative prediction of the thermally activated dynamics of the contact line, in agreements with the experiment carried out. For a deformable substrate, based on the analysis of two different experiments of wetting dynamics and on the estimation of the dissipation in the substrate founded on its viscoelasticity, a general understanding of the dynamical behavior of contact lines on viscoelastic substrates is achieve. Finally, this viscoelastic model is applied to the case of weak adhesion, where experimentally we measured the peeling dynamics from a viscoelastic substrate. This extension to adhesion bridge the gap between different interfacial phenomena into a general understanding

Une étude des effets de couplage d'échange et de magnétorésistance dans des systèmes bicouches ferrimagnétique/ ferrimagnétique amorphes a été réalisée grâce aux résultats obtenus à l'aide de diverses techniques complémentaires : mesures d'aimantation, de susceptibilité, de magnétorésistance, réflectométrie de neutrons polarisés et dichroïsme magnétique des rayons X. Tout comme dans le système FeF2/Fe, des propriétés de décalage d'échange inhabituelles ont été observées dans les bicouches Gd40Fe60/Tb12Fe88. Elles ont pu être expliquées, à basse température et des faibles champs de refroidissement, à l'aide d'un modèle de chaîne de spins 1D considérant le gel de la configuration magnétique dans la couche de TbFe lors du refroidissement sous champ. Dans ce cadre nous avons pu expliquer les évolutions du champ d'échange et du décalage en aimantation en fonction de la valeur du champ de refroidissement. En revanche, afin d'expliquer les évolutions de la coercitivité et les effets de traînage magnétique, il nous a fallu tenir compte de l'influence de la température et du renversement du GdFe sur l'évolution des configurations magnétiques au sein du TbFe. Le rôle de domaines latéraux a également été étudié. La présence d'une paroi d'interface bien contrôlée dans les systèmes GdFe/TbFe ou GdFe/GdFe a, de plus, permis d'étudier les effets de magnétorésistance induits par une paroi magnétique d'interface. Si les variations de résistance observées à bas champ s'interprètent en terme d'anisotropie de magnétorésistance, les phénomènes de magnétorésistance intrinsèques aux matériaux amorphes doivent être pris en compte pour expliquer nos observations pour des forts champs magnétiques. Ces résultats ont été finalement utilisés pour comprendre les mesures de magnétorésistance obtenues sur des vannes de spins GdFe/GdFe/Cu/GdFe.

Le sujet de cette thèse est l'étude des effets de taille finie sur les propriétés fondamentales de matériaux utilisés dans les dispositifs associés au stockage magnétique de l'information. Nous proposons l'approche multiniveaux comme alternative possible pour augmenter les densités de stockage des media planaires ou perpendiculaires, continus ou discrets. En fonctionnement, une couche doit être manipulée sans modifier l'état magnétique des autres couches. La première partie de ce mémoire est consacrée à l'étude des effets de taille finie sur les couplages magnétostatiques dans des systèmes composés de deux couches ferromagnétiques à base de cobalt/platine à anisotropie perpendiculaire, séparées par un métal non-magnétique. Pour des états désaimantés, nous avons mis en évidence la corrélation des configurations en domaines des couches, attribuée aux couplages inter-couches. Pour différentes impulsions de champs, la réplication des domaines nous a permis d'observer des états rémanents singuliers permettant de mieux comprendre le phénomène. Pour des réseaux de nanostructures, la réplication due aux couplages intra-nanostructure se manifeste par un décalage en champ du cycle d'hystérésis sur la couche de plus faible champ coercitif. Le seconde partie de ce mémoire traite des effets de taille finie sur les propriétés d'anisotropie d'échange pour des bicouches ferromagnétique/antiferromagnétique typiquement utilisées dans les têtes de lecture d'ordinateurs. Pour des systèmes à anisotropie planaire, nous avons montré que les nanostructures et les antiferromagnétiques minces sont plus sujets à l'activation thermique. Il en résulte une augmentation ou une réduction du champ d'échange pour les nanostructures par rapport aux couches continues en fonction des conditions d'épaisseur d'antiferromagnétique et de température. Ces résultats permettent de lever certaines contradictions apparentes de la littérature. Pour des couches continues à anisotropie perpendiculaire, l'orientation relative des spins du ferromagnétique et de l'antiferromagnétique influence de manière significative les propriétés d'anisotropie d'échange. L'impression des domaines du ferromagnétique dans l'antiferromagnétique, par traitements thermiques permet de générer des cycles d'hystérésis « doubles » et d'ajuster leurs propriétés magnétiques. Des premiers résultats prometteurs concernant les effets de taille finie sur les propriétés des systèmes à anisotropie perpendiculaire ont été obtenus.