L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier l'influence de la microstructure et de défauts géométriques sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) d'un acier inoxydable austénitique 316L. La méthodologie proposée s'appuie sur des simulations par éléments finis (EF) d'agrégats polycristallins qui permettent de décrire les champs mécaniques à l'échelle des mécanismes impliqués dans les processus d'amorçage de fissures de fatigue.Une étude numérique préliminaire, s'appuyant sur des données expérimentales issues de la littérature, est conduite sur un cuivre électrolytique à l'aide de simulations numériques d'agrégats polycristallins en 2D. L'effet du trajet de chargement et de défauts artificiels de taille proche ou légèrement supérieure à celle de la microstructure sur les réponses mécaniques mésoscopiques sont analysés. Les capacités de prédiction de quelques critères de fatigue, s'appuyant sur des quantités mécaniques mésoscopiques, sont évaluées. Il est mis en évidence que les limites de fatigue macroscopiques prédites par un critère de fatigue probabiliste sont en accord avec les tendances expérimentales observées en fatigue multiaxiale et en présence de défauts.Une campagne expérimentale a été menée sur un acier austénitique 316L. Des essais de fatigue oligocyclique sont conduits afin de caractériser le comportement élasto-plastique du matériau. Des essais de FGNC, utilisant des éprouvettes avec et sans défaut de surface (défaut artificiel hémisphérique) ont été effectués pour estimer les limites de fatigue dans différentes conditions de sollicitation (traction, torsion, traction et torsion combinée, traction biaxiale) et pour plusieurs rayons de défaut. Dans le but de compléter la caractérisation du matériau, la microstructure est étudiée à l'aide d'analyses EBSD et la texture cristallographique est mesurée par diffraction des rayons X. Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour reproduire, avec des simulations EF, les essais de FGNC sur des microstructures 2D et 3D représentatives de l'acier austénitique. L'hétérogénéité de quantités mécaniques mésoscopiques pertinentes en fatigue est discutée avec une attention particulière sur l'effet des défauts. L'approche probabiliste est appliquée aux résultats des modèles EF pour quantifier l'effet de la taille du défaut, pour différents trajets de chargement. La pertinence, vis-à-vis des observations expérimentales, des distributions de la limite de fatigue prédites est évaluée. / The aim of this study is to analyze the influence of both the microstructure and defects on the high cycle fatigue (HCF) behaviour of a 316L austenitic stainless steel thanks to finite element (FE) simulations of polycrystalline aggregates.%The scatter encountered in the HCF behavior of metallic materials is often explained by the anisotropic elasto-plastic behavior of individual grains leading to a highly heterogeneous distribution of plastic slip.Since fatigue crack initiation is a local phenomenon, intimately related to the plastic activity at the crystal scale, it seems relevant to rely on this kind of modeling to evaluate the mechanical quantities.A preliminary numerical study, based on experimental data drawn from the litterature, was conducted on an electrolytic copper using simulations of 2D polycrystalline aggregates. The effect of the loading path and small artificial defects on the mesoscopic mechanical responses have been analyzed separately. Moreover, the predictive capabilities of some fatigue criteria, relying on the mesoscopic mechanical responses, has been evaluated. It was shown that the macroscopic fatigue limits predicted by a probabilistic fatigue criterion are in accordance with the experimental trends observed in multiaxial fatigue or in the presence of small defects.An experimental campaign is undertaken on an austenitic steel 316L. Low cycle fatigue tests are conducted in order to characterize the elasto-plastic behavior of the material. Load-controled HCF tests, using both smooth specimens and specimens containing an artificial hemispherical surface defect, are carried out to estimate the fatigue limits under various loading conditions (tension, torsion, combined tension and torsion, biaxial tension) and several defect radii. To complete the characterization of the material, the microstructure is studied thanks to EBSD analyzes and the cristallographic texture is measured by X-ray diffraction. These experimental data are used to reproduce, with FE simulations, the HCF tests on 2D and 3D microstructures representative of the austenitic steel. The heterogeneity of the mesoscopic mechanical quantities relevant in fatigue are discussed in relation to the modeling. The results from the FE models are then used along with the probabilistic mesomechanics approach to quantify the defect size effect for several loading paths. The relevance, with respect to the experimental observations, of the predicted fatigue strength distributions is assessed.

Émanant d’une collaboration entre le laboratoire CNRS du GREMI et le CEA le Ripault, l’objectif de cette thèse est de réaliser une étude exhaustive sur les conditions d’élaboration des électrodes de pile à combustible PEMFC par procédés plasma, dont l’enjeu est d’améliorer l’activité électro-catalytique du catalyseur employé qu’est le platine (Pt). A même quantité, la répartition du platine sur son support se révèle être un critère déterminant sur les performances délivrées par les PEMFCs. De cette observation, plusieurs axes de recherche ont été proposés et chacun d’entre eux a permis d’obtenir de nouveaux résultats. Le régime de pulvérisation magnétron à haute puissance pulsée (HiPIMS) est étudié dans le cas de dépôt de matériaux nobles pures (Pt, Au, Pd) et alliés (Pt5Pd95 et Pt50Pd50) et a permis de révéler une vapeur métallique ionisée conséquente lors du dépôt (10 % à 90 % selon l’élément). Les résultats obtenus sur le régime HiPIMS ont permis la modification de la distribution d’une faible quantité fixée de Pt (20 μg.cm−2) déposée sur la profondeur des couches de diffusion des gaz (GDL), améliorant incidemment les performances des PEMFCs (+80 % à 0.65 V, la tension à puissance nominale). Ce résultat est complété par ceux obtenus sur l’élaboration de catalyseur alliés, notamment sur la disposition du matériel catalytique au niveau de la structure des agrégats (+93 % à 0.65 V pour Pt5Pd95 en dépôts successifs). Une autre étude a permis d’étudier la modification de répartition du Pt en contact avec la membrane électrolyte. La surface de membrane échangeuses de proton est alors initialement structurée. Ces structurations de surface des membranes montrent une amélioration globale des performances PEMFCs pour les architectures CCB (Catalyst Coated Backing) et CCM (Catalyst Coated Membrane) d’un facteur 1.3 jusqu’à 12, respectivement. / From a collaboration between the CNRS laboratory of the CEA and GREMI Ripault, the objective of this thesis is to conduct a complete study on the conditions for producing electrodes of PEM fuel cell by plasma processes in order to improve the electro-catalytic activity of the catalyst (Pt). The platinum atoms on its support appears to be a one of the most important factor determining the performance delivered by the PEMFCs. From this observation, several lines of research have been proposed and each of them has yielded new results. The High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) process is studied in case of depositions of noble materials (Pt, Au, Pd) and alloy (Pt5Pd95 and Pt50Pd50) and revealed an ionized metal vapor consequent upon deposition (10 % to 90 % depending of the element). The results obtained on the HIPIMS process have allowed a change in the distribution of a small fixed amount of Pt (20 μg.cm−2) deposited on the depth of the gas diffusion layer (GDL), incidentally improving the performance of PEMFCs (+80% at 0.65 V, the voltage at rated power). This result is complemented by those obtained on the development of allied catalysts, especially with the arrangement of the catalytic material on the aggregates structure (+93 % at 0.65 V for Pt5Pd95 in successive deposits). In order to modify the Pt atoms distribution on the membrane support, another study has been realized. The surface of the proton exchange membrane has been structurated before the Pt deposition. Such structuration have shown an increase of the overall performance of PEMFCs in the case of CCB (Catalyst Coated Backing) and CCM (Catalyst Coated Membrane) architecture with an improvement factor of 1.3 up to 12, respectively.

Ce manuscrit de thèse de doctorat présente les travaux de développement d’un granulomètre optique pour la caractérisation de suspensions de nano et microparticules individuelles ainsi que d’agrégats. La mesure repose sur l’analyse suivant différents angles de la diffusion statique et dynamique de l’échantillon placé dans une cuve spectrophotométrique cylindrique. Il intègre différentes solutions originales telles qu’un éclairage par un faisceau laser de forte ellipticité, une détection sous le plan de diffusion conventionnel et l’utilisation d’une méthode de post-traitement qualifiée de « filtre quasi-statique ». Ces solutions permettent d’éliminer l’essentiel des problèmes liés aux réflexions spéculaires et diffuses de la cuve d’analyse, de même que les variations des dimensions du volume de mesure avec l’angle de diffusion et les cas de désalignement même léger du système goniométrique. Les signaux mesurés sont inversés avec des méthodes d’estimation de paramètres. Pour les particules sphériques, le problème direct est résolu avec la théorie de Lorenz-Mie. Pour les agrégats, il l’est avec un modèle d’agrégat fractal, des approximations par dipôles discrets ou Rayleigh-Gans-Debye. Les performances de cet instrument, de conception volontairement simple et robuste, ont été testées avec succès sur des nano et micro suspensions diluées, monomodales et bimodales, de latex et silice colloïdale, de même que des agrégats de particules aciculaires et sphériques. Il permet de caractériser la taille, la morphologie et la concentration absolue de particules dans la gamme de taille 20nm-2µm. / This PhD thesis manuscript presents the work conducted to develop an optical particle siz-ing instrument for the characterization of individual nano and microparticles, as well as their aggregates, in liquid suspensions. The measurement is based on the multi-angular analysis of the static and dynamic light scattering of a sample into a cylindrical spectrophotometric cell. This instrument integrates various innovative solutions such as an illumination by a high ellipticity laser beam, a detection under the conventional scattering plane and a post-processing method operating as a quasi-static filter. These solutions make it possible to elim-inate most of the problems associated with the specular and diffuse reflections of the analy-sis cell, as well as the harmful variations of the probe volume dimension with the detection angle and in case of a slight misalignment of the system. The signal inversion is performed with parameters estimation methods. For spherical particles, the direct problem is solved with the Lorenz-Mie theory. For aggregates, it is solved with a fractal aggregate model and approximations based on discrete dipoles or Rayleigh-Gans-Debye theories. The perfor-mance of this instrument, of a deliberately simple and robust design, has been successfully tested on dilute nano and micro suspensions of latex and colloidal silica, mono and bimodal, as well as aggregates of acicular and spherical particles. It allows to characterize the size, the morphology and the absolute concentration of particles in the size range 20nm-2μm.

Au cours des vingt dernières années, la diffusion inélastique de la lumière par les modes propres de vibration des nanoparticules, appelés modes de Lamb, s’est avérée être une méthode très efficace pour caractériser la taille et les propriétés mécaniques des nano-objets. La fréquence de résonance d’une nano-sphère, dans la gamme du gigahertz, est donnée, en première approximation, par le ratio de la vitesse acoustique du matériau massif et la taille du confinement. Les raffinements du modèle théorique permettent d’obtenir, à partir de ces modes de vibration, des informations essentielles sur la géométrie et l’environnement local des nano-objets. L’objectif de cette thèse est de sonder le domaine de validité du modèle de Lamb, d’analyser les différents impacts de l’environnement sur ces modes de vibration et de développer de nouvelles méthodes pour les mesurer. Plusieurs aspects de l’interaction avec le milieu extérieur peuvent ainsi être pris en considération selon le type de système étudié. D’une part, la délocalisation de l’onde acoustique dans le cas de systèmes cœur-coquille, qui est gouvernée par les impédances acoustiques respectives du cœur et de la coquille, et qui se traduit par un couplage mécanique. D’autre part, l’effet de masse inertielle induite par la présence de ligands organiques à la surface de la particule qui modifie la fréquence de résonance. La validité de ces deux approches est ainsi discutée en fonction de la configuration des objets considérés, puis ces modèles théoriques sont appliqués à des cas réels tels que des nanoparticules cœur-coquille et des nano-plaquettes de semi-conducteurs ou des agrégats métalliques colloïdaux. L’effet de masse inertielle s’avère non négligeable pour des objets de petites tailles et il est ainsi montré la faisabilité de réaliser des nano-balances ultra-sensibles capable de sonder l’environnement proche des nano-objets. Par ailleurs, dans le cas des agrégats d’or, cette approche permet de discuter les limites du modèle de Lamb, basé sur la théorie des milieux continus, sur des vibrations n’impliquant que six atomes. Ainsi, grâce à la spectroscopie Raman basses fréquences, il apparait que les résultats expérimentaux des vibrations de ces objets s’accordent à la fois avec l’approche des milieux continus en considérant l’effet de masse inertielle et aussi avec les calculs de dynamique moléculaire. Finalement, le développement expérimental d’un montage optique capable de mesurer ces modes Raman basses fréquences sur une particule unique en milieu liquide est présenté. Cette approche nécessite de localiser une particule en milieu liquide à l’aide de nano-pinces plasmoniques puis d’exalter le signal Raman basses fréquences en stimulant les modes de vibration par électrostriction. Les perspectives étant d’appliquer cette méthode à l’étude de la dynamique vibrationnelle de nano-objet unique tel que des virus ou des protéines / Over the past twenty years, inelastic light scattering by vibrational eigenmodes of nanoparticles, called Lamb modes, has proven to be an effective method for characterizing the size and mechanical properties of nano-objects. The resonant frequency of a nano-sphere, in the gigahertz range, is given, as a first approximation, by the ratio of the acoustic velocity of the bulk material and the size of confinement. The refinements of the theoretical model allow to obtain, from these eigenmodes, information on the shape and local environment of nano-objects.The objective of this thesis is to probe the domain of validity of the Lamb model, to analyze the different impacts of the environment on eigenmodes and to develop a new strategy to measure them. Several aspects of interaction with the external medium can be considered depending on the system studied. On the one hand, the delocalization of the acoustic wave in the case of core shell systems is ruled by the acoustic impedance of the core and the shell and leads to a mechanical coupling. On the other hand, the inertial mass effect induced by the presence of organic ligands on the surface of the particle modifies the resonant frequency. The validity of both approaches is discussed according to the configuration and these models are applied to real cases, such as semiconductor core shell nanoparticles and nanoplatelets, or gold colloidal clusters. The inertial mass effect is significant for small objects and it is shown the feasibility to realize ultra-sensitive nano-balance capable of probing the local environment of nano-objects. Furthermore, in the case of gold clusters, this approach makes it possible to discuss the limit of the Lamb model, based on continuum mechanics, to interpret vibrations involving only six atoms. Thanks to low frequency Raman spectroscopy, it appears that the experimental results are in good agreement with both the continuum mechanics approach, by considering the inertial mass effect, and also with density functional theory (DFT) calculations. Finally, the experimental development of an optical set-up capable of measuring low frequency Raman modes on a single nanoparticle in a liquid medium is presented. This technic requires to localize a nanoparticle in a liquid medium with plasmonic tweezers and to enhance the low frequency Raman signal by stimulating vibrational modes with electrostriction. The perspectives are to apply this method to the dynamical study of a single object such as viruses or proteins.

La réponse optique linéaire et non linéaire d'assemblages moléculaires et de nano particules métalliques bidimensionnels a été déterminée. Dans un premier temps, l'étude a porté sur des films moléculaires de DiA, un composé amphiphile ayant une forte réponse non linéaire. La conclusion marquante de cette partie est la mise en évidence par des mesures de génération de second harmonique de l'apparition de la chiralité dans les agrégats moléculaires initialement non chiraux à très forte compression. Dans la seconde partie, l'étude optique linéaire et non linéaire des films de particules métalliques d'or et d'argent révèle la présence d'agrégats dont la taille et la mobilité dépendent de la densité moyenne de particules en surface. L'observation de fortes fluctuations de l'intensité mesurée lors de la compression a nécessité la mise en œuvre d'une approche dynamique de ces mesures mettant en évidence les mécanismes à l'œuvre dans ces films et les temps caractéristiques associés.

L'étude de l'irradiation dans le système moléculaire à l'échelle du nanomètre est un domaine d'investigation innovant des sciences des radiations. Le Dispositif d'Irradiation d'Agrégats Moléculaires (DIAM) est conçu en vue les conséquences de l'irradiation dans des petits systèmes moléculaires modèles comme les agrégats d'eau protonés. L'irradiation provoque la fragmentation en plusieurs fragments neutres ou chargés. La technique de spectrométrie de masse COINTOF (Correlated Ion and Neutral Time of Flight) permet la détection corrélées des fragments neutres et chargés issus de la dissociation d'un système moléculaire préalablement sélectionné en masse et en vitesse. Les données collectées sont traitées et structurées pour permettre l'analyse statistique des corrélations sur un grand nombre d'événements de fragmentation. Parallèlement à l'identification des canaux de fragmentation, la technique COINTOF permet la mesure de leur rapport de branchement et de leur section efficace. La méthode est présentée pour la dissociation induite par collision sur un atome d'argon, d'agrégats d'eau protonés H+(H2O)n:[2;7], accélérés à 8keV. L'efficacité de détection, information déterminante pour la production de données quantitatives, est mesurée à partir des données et étudiée en fonction de la distribution l'amplitude des signaux de détection. Enfin, un nouveau système de cible constituée de nanogouttes de gaz rares a été développé / The study of irradiation in molecular systems at the nanometer scale is an innovative field of research in radiation sciences. The DIAM set-up (Dispositif d'Irradiation d'Agrégats Moléculaires) is designed in order to observe and to characterize the consequences of radiation action on model molecular nanosystems such as protonated water clusters. Irradiation induces the fragmentation of the nanosystem in several neutral and charged fragments. The COINTOF (Correlated Ion and Neutral fragments Time of Flight) mass spectrometry techniques allows the correlated detection of the neutral and charged fragments resulting from the dissociation of a mass and velocity selected molecular system. The data processing is performed before the statistical analysis of the fragment production over a large number of fragmentation events. In parallel with the fragmentation channel identification, branching ratio and cross sections are measured with the COINTOF technique. The method is presented here for the collision induced dissociation on argon atoms of protonated water clusters H+(H2O)n, n=2-7, accelerated at 8keV. The detection efficiency, key parameter for the production of quantitative results, is measured from the set of data itself and studied as a function of the amplitude distribution of the detection signal. Finally, a new set-up for production of rare-gas nanodroplets target has been developed