De nombreux secteurs industriels ont besoin de matériaux métalliques avec des propriétés de résistance à l'usure et de résistance à la corrosion dans des environnements agressifs ou à des températures élevées très élevées. Ces propriétés spécifiques, notamment mécaniques, électriques, magnétiques et optiques, peuvent être obtenues par la production de couches métalliques. Les revêtements d’alliage ou de métal nanocristallin offrent les caractéristiques de performance souhaitées.L'électrodéposition est un procédé largement utilisé pour fabriquer des revêtements sur des substrats métalliques. La structure et les propriétés des revêtements nanocristallins Co-Mo en font des matériaux prometteurs pour diverses applications. De nos jours, les alliages à base de cobalt sont utilisés dans les avions, l’automobile et l’électronique en raison de leur facilité d’utilisation. En outre, les alliages de cobalt sont largement étudiés en raison de leur utilisation prometteuse pour remplacer les alliages nocifs pour l'environnement dans le corps humain. Les alliages nanocristallins sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels, tels que la biologie, l'énergie, la nanotechnologie, l'aviation et bien d'autres.Le but de ce travail est de produire des revêtements nanocristallins de Co-Mo électrodéposés et d'étudier l'effet de la microstructure sur leur résistance à la corrosion dans des solutions physiologiques simulées.Le travail est divisé en cinq chapitres:• Chapitre I. Bibliographie. Aspects métallurgiques de l’ingénierie des surfaces métalliques pour les revêtements nanocristallins de Co-Mo.Dans ce chapitre, les aspects métallurgiques de l’ingénierie de surface des revêtements nanocristallins de Co-Mo sont présentés sur la base des données de la littérature. Différentes méthodes utilisées pour le dépôt de revêtements métalliques sont discutées.• Chapitre II. Echantillons et méthodes et techniques expérimentales.Ce chapitre présente les conditions expérimentales d'électrodéposition pour les revêtements nanocristallins de Co-Mo et les techniques utilisées pour les caractériser.• Chapitre III. Structure, propriétés mécaniques et comportement électrochimique des revêtements nanocristallins Co-Mo.Ce chapitre présente la structure, les propriétés mécaniques et le comportement électrochimique des revêtements nanocristallins Co-Mo déposés sur du cobalt pur.• Chapitre IV. Co-Mo / TiO2 revêtements nano-composites.Ce chapitre présente la structure, les propriétés mécaniques et le comportement à la corrosion des revêtements nano-composites Co-Mo / TiO2 galvanisés sur du cobalt pur.• Chapitre V. Mécanismes de croissance des revêtements nano-composites Co-Mo / TiO2.Ce chapitre étudie la structure des revêtements nanocomposites Co-Mo / TiO2 électrodéposés pour des temps d'électrodéposition courts et longs dans des conditions potentiostatiques sur des électrodes ayant la forme d’un film ou d’un disque.En résumé, des revêtements nanocristallins Co-Mo et des revêtements nanocomposites Co-Mo / TiO2 ont été obtenus par dépôt électrochimique. Leur structure et l'influence de différentes conditions d'électrodéposition sur leur structure ont été étudiées. Leur résistance à la corrosion a été testée dans des solutions physiologiques simulées. De plus, le mécanisme de croissance des couches a été déterminé sur les deux types d'électrodes.Cette thèse a été réalisée sous la forme d'une coopération en Cotutelle entre l'Université des sciences et technologies AGH Stanisław Staszic à Cracovie et l'Université de Bourgogne à Dijon pour promouvoir les relations scientifiques franco-polonaises. Ce travail a été soutenu financièrement par le gouvernement français et l'ambassade de France en Pologne. / Currently, various methods are used in surface engineering for the production of surface layers and coatings on many metal substrates to improve their performance. Different industry sectors are oriented to increase the wear resistance and corrosion resistance of materials that are used in aggressive environments or work at high temperatures. Specific properties, including mechanical, electrical, magnetic and optical, can be achieved by the production of metallic layers. Nanocrystalline and amorphous metal or alloy coatings are unique and offer the desired performance characteristics. They are often characterized by very high strength, associated with the effect of strengthening the edge grain.Electrodeposition is a widely used method of producing coatings on metallic substrates. The structure and properties of Co-Mo nanocrystalline coatings make them promising materials for various applications. Nowadays, cobalt based alloys are used in aircraft, automotive and electronics due to their good usability. In addition, cobalt alloys are widely studied due to their promising use in replacing alloys harmful to the environment or the human body. Nanocrystalline alloys are used in many industrial sectors, such as biology, energy, nanotechnology, aviation and many others.The aim of this work is to obtain electrodeposited Co-Mo nanocrystalline coatings and to investigate the effect of microstructure on their corrosion resistance in simulated physiological solutions.The work is divided into five chapters:• Chapter I. Bibliography. Metallurgical aspects of metal surface engineering for Co-Mo nanocrystalline coatings.In this chapter, metallurgical aspects of surface engineering of Co-Mo nanocrystalline coatings are presented on the basis of literature data. Various methods used for deposition of metallic coatings are discussed.• Chapter II. Samples and experimental methods and techniques.This chapter presents experimental electrodeposition conditions for Co-Mo nanocrystalline coatings and techniques used to characterize them.• Chapter III. Structure, mechanical properties and electrochemical behavior of Co-Mo nanocrystalline coatings.This chapter presents the structure, mechanical properties and electrochemical behavior of nanocrystalline Co-Mo coatings deposited on pure cobalt.• Chapter IV. Co-Mo / TiO2 nano-composite coatings.This chapter presents the structure, mechanical properties and corrosion behavior of Co-Mo / TiO2 nano-composite coatings electroplated on pure cobalt.• Chapter V. Growth Mechanisms of Co-Mo / TiO2 nano-composite coatings.This chapter investigates the structure of Co-Mo / TiO2 nanocomposite coatings electrodeposited for short and long electrodeposition times under potentiostatic conditions on the electrode from pure cobalt-shaped cobalt and pure cobalt electrode in the form of a wire.In summary, nanocrystalline Co-Mo coatings were obtained by electrochemical deposition as well as Co-Mo / TiO2 nano-composite coatings. Their structure and the influence of different electrodeposition conditions on the structure were investigated and their corrosion resistance was tested in simulated physiological solutions. In addition, the mechanism of layer growth was determined on two types of electrodes: a disk-shaped electrode and a wire-shaped electrode.This thesis was carried out in the form of Cotutelle cooperation between the AGH University of Science and Technology Stanisław Staszic in Krakow and the University of Burgundy in Dijon to promote Polish-French scientific relations. This work was financially supported by the French government and the French Embassy in Poland.

Les nanoparticules bimétalliques supportées sont des catalyseurs particulièrement attractifs en raison d’une activité et d’une stabilité accrues par rapport à leurs homologues monométalliques. Dans cette thèse des solides à base d'or ont été étudiés en tant que catalyseurs de l'oxydation sélective du glucose en absence de base. Il a été mis en évidence que la variation du ratio molaire entre l’or et le second métal (Pd, Pt, or Cu) a un impact différent sur les performances catalytiques en fonction de la nature du second métal, du support et de la méthode de préparation. Les séries Au-Pd supportés sur TiO2 et préparés par la méthode de sol-immobilisation et Au-Cu supportés sur TiO2 et préparés par la méthode de précipitation-réduction ont montré un effet synergique important, en particulier lorsque le rapport entre les deux métaux était de 1. Ces catalyseurs convertissent sélectivement le glucose en acide gluconique et leur activité a été trouvée supérieure à celle des contreparties monométalliques. L'analyse XPS a démontré que les espèces Au+δ, Pd+2 et CuOH jouent alors un rôle important dans la réaction étudiée en absence de base. Le bismuth en tant que second métal n'a montré aucun effet bénéfique, au contraire du palladium et du cuivre. Les catalyseurs à base d’Au et de Pt supportés sur ZrO2 se sont avérés quant à eux très stables lorsque la teneur en or était inférieure à 0,3% en masse. La nature du support a un impact très important sur le mécanisme de la réaction conduite en absence base sur des catalyseurs à base d’or. La raison réside dans les interactions que ce support développe avec la phase bimétallique favorisant ainsi la formation des espèces actives / The supported bimetallic nanoparticles are particularly attractive catalysts due to the increased activity and stability over their monometallic counterparts. In this thesis, gold-based solids have been studied as catalysts for the selective base-free oxidation of glucose. It has been demonstrated that the variation of the molar ratio between gold and the second metal (Pd, Pt, or Cu) has a different impact on the catalytic performances depending on the nature of the second metal, the support and the method of preparation. TiO2 supported Au-Pd series prepared by the sol-immobilization method and Au-Cu series prepared by the precipitation-reduction method showed a significant synergistic effect, particularly when the ratio of the two metals was 1. Under the reaction conditions used (T = 60 °C or 80 °C, P = 5 bar air, t = 5 h), these catalysts selectivity to gluconic acid and their activity was found to be greater than that of monometallic counterparts, especially when the catalyst is supported on TiO2. XPS analysis showed that the Au+δ, Pd+2 and CuOH species played an important role in the base-free reaction. Bismuth as the second metal showed no beneficial effect, unlike palladium and copper. The Au-Pt catalysts supported on ZrO2 proved to be still active when the gold content was less than 0.3 wt.%. Ultimately, the nature of the support has a very important impact on the mechanism of the base-free reaction conducted on gold-based catalysts (formation of H2O2 in situ). The reason lies in the interactions of the support with the bimetallic phase thus favoring the formation of the active species

En rupture avec les approches classiques de métallurgie consistant à allier un ou deux éléments majoritaires avec d'autres éléments en proportions minoritaires, un nouveau concept de matériaux est né : des alliages multi-composants formant une solution solide et pour lesquels tous les composants sont fortement concentrés. Ces nouveaux alliages, appelés alliages à haute entropie, présentent des propriétés mécaniques prometteuses, telles qu'une résistance mécanique élevée combiné à une grande ductilité. Par définition, ce nouveau concept de matériau rend possible l'exploration d'un champ quasi-infini de compositions chimiques. Toutefois, la stabilité thermodynamique de ces systèmes est mal connue, limitant fortement le choix des compositions. Dans ce contexte, le premier objectif de cette étude était de déterminer le domaine d'existence de la solution solide cubique à faces centrées (cfc) pour le système Co-Cr-Fe-Mn-Ni. Pour cela, la stabilité de phase cfc a été étudiée théoriquement et expérimentalement. En utilisant l'approche Calphad (Calculation of PHAse Diagram) et une nouvelle base de données (TCHEA-1), les phases stables de 10 626 compositions ont pu être calculées, à plusieurs températures. La comparaison entre calculs et résultats expérimentaux indique que la solution solide cfc est correctement décrite par cette base de données. Ainsi, il a été montré que la phase cfc est stable sur une large gamme de composition, décrite intégralement. Il est désormais possible de choisir une composition formant une solution solide stable à haute température pour ce système. Des calculs DFT (Density Functional Theory) ont ensuite permis d'analyser l'évolution de l'enthalpie de mélange en fonction de la composition mais aussi du nombre d'éléments. Des différences notables ont pu être constatées avec les prédictions faites par la base de données TCHEA-1. De plus, ces calculs ont mis en avant l'absence d'interaction ternaire et quaternaire pour le système d'étude. Ensuite, l'influence de la composition sur le durcissement par solution solide a été étudiée, pour permettre l'optimisation des propriétés mécaniques. Ainsi, l'évolution des propriétés structurelles et mécaniques des alliages multi-composants a été étudiée expérimentalement. Vingt-cinq alliages du système Co-Cr-Fe-Mn-Ni formant une solution solide cfc ont été traités. Le paramètre de maille a été mesuré par rayons X tandis que la dureté et le module d'élasticité ont été étudiés par nano-indentation. Le rôle de chaque élément sur le comportement mécanique fut ainsi explicité. Finalement, un modèle permettant d'estimer le durcissement de solution solide pour ce système est étudié / For a long time, development of alloys was restricted to one principal element, or two, with minor elements added for performance optimization. In 2004, a new concept of materials was born: multi-component alloys forming a solid-solution and in which all components are very concentrated. These new alloys, named high entropy alloys, can combine high mechanical resistance and large ductility. By definition this new material concept should make it possible to explore an almost infinite field of chemical compositions. But in the meantime, the thermodynamic stability of these systems was poorly known and severely limits the choice of alloy compositions. In this context, the first objective of this study was to fully determine the composition range of existence of a unique fcc solid solution within the multi-component Co-Cr-Fe-Mn-Ni system. To address this problem, the phase stability was theoretically and experimentally investigated. Using the Calphad approach and a new database (TCHEA-1), the stable phases of 10 626 compositions could be calculated, at several temperatures. The comparison between calculation and experimental results indicates that the fcc solid solution is accurately described by this database. Finally, it was shown that the fcc phase is stable over a wide range of composition, which was completely described. Now, it is possible to choose a priori a composition which will form a solid solution within this system. The heat of mixing of the fcc phase were compared between density functional theory (DFT) and Calphad calculations for binaries, ternaries, quaternaries and quinary systems. Significant differences were found with the predictions made by the TCHEA-1 database. In addition, these calculations have highlighted the absence of ternary and quaternary interaction for the Co-Cr-Fe-Mn-Ni system. However, the influence of the composition on the fcc solid solution strengthening was not fully understood, which limits mechanical optimization. So, the evolution of structural and mechanical properties of multi-components alloys was experimentally investigated. Several alloys from the Co-Cr-Fe-Mn-Ni system forming a unique fcc solid solution were processed. The lattice parameter was measured by XRD while the hardness and elastic modulus were measured by nano-indentation. The role of each element on the mechanical behaviour is presented. Finally, a model to assess the solid solution strengthening for this system is studied

Dans le cadre de ce projet de thèse, des microstructures innovantes « composites » Ni-W constituées d’amas de Tungstène multi-cristallins (à grains fins) immergés dans une matrice de la solution solide Ni(W) cfc ont été élaborées par frittage flash (Spark Plasma Sintering (SPS)). Différents alliages ont ainsi été fabriqués en contrôlant de manière très précise les fractions volumiques respectives des deux élément Ni et W. En outre, le fait que le Ni soit un matériau particulièrement ductile contrairement au W plus résistant, peut conférer au matériau un bon compromis ductilité/résistance mécanique. Ainsi, en ajustant les taux respectifs de Ni et/ou de W, nous avons réussi à faire cohabiter dans un même matériau les micro-mécanismes de déformation propres à chaque phase, dont les caractéristiques et les évolutions sont ensuite analysées lors de sollicitations mécaniques conventionnelles ou in situ sous Synchrotron. Ainsi, nous avons mis en évidence le rôle de chacune des phases constituant la microstructure vis-à-vis du comportement macroscopique. Il est clairement montré que la proportion et l’arrangement spatial de la phase de W sont des facteurs influents sur la fragilité d’ensemble ainsi que sur les transferts de charge entre phases. Concernant la phase ductile, nous avons pu mesurer des déformations du réseau cristallin d’amplitude inhabituelle, que nous avons reliées à la densité initiale importante de joints de type ∑3, densité qui ensuite diminue fortement sous sollicitation mécanique. / As part of this thesis project, innovative “composites” microstructures Ni-W composed by clusters of multi crystallized (ultra fine grain) W embedded in a matrix of a cfc Ni(W) solid solution were elaborated by spark plasma sintering (SPS). Several alloys were processed by controlling precisely the respective volume fractions of the two elements Ni and W. In addition, Ni is a particularly ductile material unlike the more resistant W. So, it may give to the material a good compromise between ductility and mechanical resistance. Thus, by adjusting the respective fractions of Ni and/or W, we obtained in the same material the specific deformation micro-mechanisms of each phase, the characteristics and evolutions of those deformations were after analyzed during conventional mechanical stresses or under in situ Synchrotron. Thus, we have highlighted the role of each phase constituting the microstructure regarding the macroscopic behavior. It is clearly shown that the proportion and spatial distribution of the W phase are key factors on the overall brittleness as well as on the load transfer between the phases. Concerning the ductile phase, we underscored deformations of unusual amplitude, which are connected to the high initial density of ∑3 boundary grains, which then decreases sharply under mechanical stress.

Depuis les années 90, dans le contexte de la pénurie annoncée d'énergies fossiles et de modifications climatiques, un regain d'intérêt s'est fait sentir pour les énergies renouvelables et, parmi elles, pour la thermoélectricité. Cette dernière permettant la conversion directe entre énergies thermique et électrique devrait permettre la récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur, durant les processus industriels. Cependant, à l'heure actuelle, l'efficacité de la conversion thermoélectrique, évaluée à partir du facteur de mérite, ZT, n'est pas suffisante pour des applications à grande échelle. Cependant, pour évaluer l'impact potentiel de la thermoélectricité, il est nécessaire de prendre en compte d'autres critères que celui de l'efficacité relativement faible de la thermoélectricité, qui la cantonne dans des niches spécifiques, et tels que la faible toxicité des matières premières, leur abondance, leur faible coût et leur facilité de mise en œuvre. Diverses familles de matériaux répondent à ces critères parmi lesquelles les plus favorables sont les siliciures pour les matériaux inorganiques et les polymères conducteurs pour les composés organiques. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au disiliciure de chrome (CrSi2) et au polymère PEDOT:PSS.Parmi les siliciures, CrSi2 est un candidat prometteur mais sa grande conductivité thermique est un handicap par rapport aux matériaux conventionnels. Elle peut cependant être réduite par nanostructuration. Nous présentons une étude CrSi2 nanostructurés (10-15 nm) obtenus soit par four à arc suivie d'un broyage mécanique, soit par mécanosynthèse. Ces poudres sont chimiquement stables jusqu'à 1073 K. A plus hautes températures, des phases secondaires apparaissent, notamment CrSi. Grâce à la technique SPS, CrSi2 a pu être densifié jusqu'à 94% en maintenant une taille nanométrique (30-45 nm) ce qui a conduit à une réduction de la conductivité thermique d'un facteur 2 par rapport au composé CrSi2 massif. Malheureusement, le facteur de mérite ZT n'a pas été amélioré en raison de l'accroissement de la résistivité électrique.Guidés par des calculs DFT, nous avons explorés de nouvelles voies de dopage pour améliorer les propriétés thermoélectriques de CrSi2. Des alliages Cr1-xTixSi2, Cr1-xZrxSi2 et Cr1-xMoxSi2 ont ainsi été synthétisés et nous avons étudié leurs propriétés thermoélectriques. A Tamb, le dopage au Ti semblerait de ne pas significativement améliorier le facteur de puissance (PF) pour une porosité de 11% par rapport à nano-CrSi2. Par contre, pour 2% Zr, PF a été amélioré d'un facteur 1.7 pour une porosité de 30%. En plus, il semblerait que le PF de Cr0.98Zr0.02Si2 avec une porosité de 0% est amélioré d'un factuer 1.9 par rapport au CrSi2 massif. Néanmoins, à hautes températures il existe encore un potentiel d'amélioration pour le dopage au Ti. Bien qu'il soit métastable, l'alliage Cr1-xZrxSi2 a pu être obtenu jusqu'à 5% Zr. Une optimisation supplémentaire est encore nécessaire pour les alliages dopés au Ti et Zr. L'alliage Cr1-xMoxSi2 est le plus prometteur avec une amélioration significative du facteur de Mérite (ZTmax > 0.2) pour 10% et 20% de Mo entre 500 et 700 K. Ces valeurs sont supérieures à celle du massif bien que toujours du même ordre de grandeur que le meilleur ZT obtenu pour CrSi2.Enfin, nous avons élaboré des composites à base de CrSi2 associé à du Polypyrrole (PPy) ou du PEDOT:PSS. Aucune amélioration significative n'a été obtenue pour le composite PPy-CrSi2. Dans le cas du PEDOT:PSS, nous avons testé la fonctionnalisation de CrSi2 pour améliorer sa dispersion dans le polymère. Nous avons montré qu'un agent de fonctionnalisation avec un groupement phosphonique réagissant avec Cr est le plus efficace. Cette étape est très prometteuse car il s'agit de la première étude de ce type effectuée dans le cas de l'élaboration de composites à base de siliciures intermétalliques pour des applications thermoélectriques. / In the context of renewable energies, which is related to the shortage of fossil energies and climate change, thermoelectricity has regained interest in recent years (1990s). The concept of this technology is the direct conversion between thermal and electrical energies. This can contribute to a progress in the industrial sector. However, the efficiency of the thermoelectric materials, denoted ZT (figure of merit), is not sufficient for large scale applications. Nevertheless, thermoelectricity can be found in the niche market sector where other criteria are taken into account such as the abundance of the raw elements, their price and toxicity. Several families meet these criteria with the silicides as inorganics materials and conductive polymers as organics materials being the most favorable. The objective of this dissertation was to investigate the chromium disilicide (CrSi2) and PEDOT:PSS.Among the silicides, CrSi2 stands as a promising candidate for thermoelectric applications. However, its relatively high thermal conductivity compared to the conventional materials is considered as a drawback. Therefore, we were interested in nanostructuration in order to reduce this thermal conductivity. Nanostructured CrSi2 is synthesized by arc melting followed by mechanical milling or mechanical alloying with a grain size of 10-15 nm. These powders have a good chemical stability up to 1073 K. Above this temperature, secondary phases, such as CrSi, are formed. SPS processing permits to efficiently densify our pellets up to 94% while maintaining nanometric grain size (30-45 nm). This leads to a reduction of the thermal conductivity by a factor of 2 compared to bulk CrSi2. However, the Figure of merit (ZT) does not improve as the electrical resistivity increases.DFT calculations predict that some doping elements have potentiality to improve CrSi2 electronic structure. Therefore, Cr1-xTixSi2, Cr1-xZrxSi2 et Cr1-xMoxSi2 alloys are synthesized in order to enhance the thermoelectric properties of CrSi2. At RT, The power factor of Cr0.9Ti0.1Si2 seems not to be improved compared to nano-CrSi2 for a porosity of 11%. On the other hand, 2% Zr doping improved the power factor by 1.7 at RT for a porosity of 30%. It also seems that for 0% porosity, the power factor of Cr0.98Zr0.02Si2 is improved by a factor 1.9 compared to bulk CrSi2. Nevertheless, an improvement could be predicted at high temperatures for Cr0.9Ti0.1Si2. Although Cr1-xZrxSi2 alloy is metastable, we were able to synthesize it by mechanical alloying up to 5%. Further optimization is needed for improving the thermoelectric performances of Ti and Zr- doped CrSi2 . On the other hand, Cr1-xMoxSi2 alloys seem to be the most promising as an increase of the Figure of merit is observed with a ZTmax reaching values larger than 0.2 for Cr0.9Mo0.1Si2 and Cr0.8Mo0.2Si2 in the temperature range of 500-700 K. These values are higher compared to the bulk but still in the same order of magnitude as for the highest ZT value report for CrSi2.We then elaborated CrSi2 based composites with Polypyrrole (PPy) and PEDOT :PSS. No significant enhancement was observed for PPy-CrSi2 composites. In order to improve the dispersion of CrSi2 in the PEDOT :PSS, we have tested the functionnalization. Preliminary tests show that grafting agents with phosphonic acid group is the most efficient by reacting with Cr. This step is very promising as no study till date reported the functionnalization approach for the elaboration of silicides based composites, especially for thermoelectric applications.

Cette thèse est consacrée à l'étude de composés riches en magnésium innovants destinés au stockage solide de l'hydrogène. Le but est de déstabiliser l'hydrure de Mg et d'accélérer sa cinétique de sorption par des effets d'alliage et de nano-structuration. La première famille de composés concerne les phases pseudo-binaires Mg6Pd1-xMTx (MT = Ni, Ag, Cu). Leurs propriétés structurales et les effets de substitution du Pd ont été étudiés par diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et microsonde de Castaing. Les propriétés thermodynamiques et cinétiques d'hydrogénation de ces matériaux ont ensuite été déterminées par réaction solide-gaz. Différents mécanismes d'hydrogénation sont mis en jeu en fonction de l'élément de substitution. La nature des phases formées lors de la réaction d'hydrogénation modifie la stabilité des systèmes métal-hydrogène. Ainsi, la transformation de métal à hydrure est caractérisée par au moins deux plateaux de pression. Le premier plateau a lieu à une pression proche de celle de Mg/MgH2, alors que le second se produit à pression plus élevée. La détermination des valeurs d'enthalpie et d'entropie de réaction ont permis de quantifier la déstabilisation atteinte. Les meilleures cinétiques de désorption sont obtenues pour l'alliage au Ni, grâce à l'effet catalytique de la phase Mg2NiH4 formée lors de l'hydrogénation. La seconde approche vise à combiner les effets d'alliage et de nano-structuration. Des nanoparticules de Mg6Pd atteignant des tailles aussi petites que 3 nm sont confinées dans des matrices carbonées nano-poreuses. En comparant leurs propriétés d'hydrogénation à celles de l'alliage massif équivalent, on démontre non seulement que la cinétique de (dés)hydrogénation des nanoparticules est bien plus rapide, mais aussi que leur état hydrogéné est déstabilisé. Enfin, des nano-composites MgH2-TiH2 ont été synthétisés par broyage mécanique sous atmosphère réactive. L'ajout d'un catalyseur (TiH2) et la nano-structuration du Mg permettent de considérablement accélérer les cinétiques d'absorption et désorption d'hydrogène dans le Mg. Afin de comprendre le rôle de la phase TiH2 sur les propriétés cinétiques remarquables de ces nano-composites, leurs propriétés structurales ont été déterminées par diffraction des rayons X et des neutrons. L'existence d'une interface cohérente entre les phases Mg et TiH2 est d'importance majeure pour faciliter la mobilité de H au sein du nano-composite. De plus, il est démontré que les inclusions de TiH2 freinent la croissance de grain de Mg/MgH2, permettant ainsi de maintenir la nano-structuration des composés lors de leur cyclage / This thesis is dedicated to the study of novel magnesium-rich compounds for solid state hydrogen storage. The aim is to destabilize Mg hydride and accelerate its sorption kinetics by alloying and nanostructuration. The first family of compounds concerns the Mg6Pd1-xTMx (TM = Ni, Ag, Cu) pseudo-binary phases. Their structural properties and the effects of Pd substitution have been studied by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and electron microprobe analyses. Their thermodynamics and kinetics of hydrogenation have been determined by solid-gas reaction. Different hydrogenation mechanisms take place depending on the substituting element. The stability of the metal-hydrogen system is altered by the nature of the phases formed during hydrogenation reaction. Thus, metal to hydride transformation is characterized by at least two absorption plateau pressures. The pressure of the first plateau is similar to that of Mg/MgH2 while the second one occurs at higher pressure. The enthalpy and entropy of reaction are determined to quantify the destabilizing effect of Pd by TM substitution. Best desorption kinetics are found for the Ni containing alloy thanks to the catalytic effect of the Mg2NiH4 phase formed on hydrogenation. The second approach aims to combine alloying with nanostructuration effects. Nanoparticles of Mg6Pd as small as 3 nm are confined into nanoporous carbon matrix. By comparing their hydrogenation properties with those of the bulk alloy, we demonstrate that not only the (de)hydrogenation kinetics are much faster for the nanoparticles, but also that their hydrided state is destabilized. Finally, MgH2-TiH2 nanocomposites were synthesized by mechanical milling under reactive atmosphere. The addition of a catalyst (TiH2) and Mg nanostructuration allow strongly accelerating the sorption kinetics of hydrogen in Mg. To understand the role of the TiH2 phase on the outstanding kinetics of these nanocomposites, their structural properties have been determined by X-ray and neutron diffraction. The existence of a coherent interface between Mg and TiH2 phases is of major importance to facilitate H-mobility within the nanocomposite. Furthermore, it is shown that the TiH2 inclusions inhibit the Mg/MgH2 grain growth, thus maintaining the composites nanostructure during their cycling

Malgré les efforts de la communauté scientifique, les cellules solaires multijonctions à base de matériaux amorphes, sont limitées par la dégradation sous lumière des matériaux actifs qu'elles emploient - notamment, le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) ou le silicium-germanium amorphe (a-SiGe:H). Compte tenu de la facilité avec laquelle les dispositifs multijonctions peuvent être fabriqués dans cette filière couches minces, pour que cette filière reste compétitive sur le marché photovoltaïque, il est nécessaire de déposer des matériaux présentant les meilleures propriétés de transport possible, avec une énergie de gap variable comprise entre celle du silicium microcristallin hydrogéné (µc-Si:H, 1.1 eV) et celle du a-SiH (1.7 eV), et peu sensibles au vieillissement sous lumière. Le but de ces travaux de thèse était de développer une nouvelle classe de matériaux satisfaisant les critères précédemment cités, alliant carbone et silicium. En effet, les alliages silicium-carbone microcristallins hydrogénés (µc-Si1−xCx:H), sont des candidats prometteurs pour la réalisation de cellules photovoltaïques (PV): d'une part, la structure microcristalline devrait les rend moins sensible au vieillissement sous lumière, et d'autre part, il est possible de faire varier l'énergie de gap en modifiant le taux de carbone de l'alliage. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés structurales et électriques de ces alliages à l'aide de nombreuses techniques de caractérisation complémentaires, et en faisant varier de nombreux paramètres de dépôt afin de déterminer celles permettant d'obtenir les meilleures propriétés possibles. Nous avons montré en particulier que ces alliages sont composés de cristallites de taille sous-micrométrique, enrobé dans une matrice de silicium-carbone amorphe (a-Si1−xCx:H). En plus, ces matériaux sont caractérisés par une croissance colonnaire, typique du µc-Si:H, avec la taille moyen des grains qui est contrôler en prévalence par la puissance RF utilisé pour le dépôt. L'incorporation de carbone, qui ne peut pas se passer dans la phase cristalline, cause la formation d'un tissue amorphe interstitielle qui enrobe les grain et en empêche la croissance. Ainsi, l'analyse de l'ensemble de nos résultats nous a permis de proposer un modèle cohérent de la croissance de ces alliages. Les propriétés électriques de nos matériaux ont été étudiées à l'aide des mesures de courant d'obscurité et de photocourant en régime stationnaire, de spectroscopie par interférométrie laser et de photocourant modulé. Nous avons pu établir une corrélation directe entre les propriétés électriques et les conditions de dépôt, mettant notamment en évidence que la présence des cristallites assure une conductivité plus élevée par rapport à du a-Si1−xCx:H, et que l'incorporation de carbone amène à des énergies de gap plus grandes que celle du µc-Si:H. Nous avons également montré que les meilleurs matériaux étaient obtenus pour des puissances RF faibles, de l'ordre de 113 mW/cm2. Des résultats de caractérisation de cellules photovoltaïques de type p-i-n ou n-i-p réalisées à partir de nos alliages, ont été aussi présentés. Les rendements obtenus restent encore modestes (de l'ordre de 3,5%) mais nous avons mis en évidence qu'il est possible de faire varier la tension de circuit ouvert (Voc) des cellules en changeant le taux de carbone incorporé dans les alliages. Ainsi, un paramètre autre que la dilution de silane lors du dépôt peut être utilisé pour contrôler Voc. Ces dispositifs sont les tout premiers déposés et nécessitent encore des étapes d'optimisation. Néanmoins, l'étude approfondie que nous avons réalisée sur ces alliages nous laisse penser qu'ils ont un potentiel intéressant pour les applications PV. / Despite continuous effort, thin-film silicon multi-junction solar cells are still limited by the light-induced degradation of amorphous materials that they employ − hydrogenated amorphous silicon layers (a-Si:H) or amorphous silicon-germanium (a-SiGe:H) layers. To survive, this technology must fully benefit from the ease with which it allows multi-band gap photovoltaic (PV) devices to be assembled. To this end, materials that are stable under light soaking and have an electronic band gap between that of hydrogenated microcrystalline silicon (µc-Si:H, 1.1 eV) and that of a-Si:H (1.7 eV) are needed. The goal of this PhD thesis was to develop a new class of materials satisfying all these requirements by alloying carbon and silicon. Indeed, hydrogenated microcrystalline silicon-carbon alloys (µc-Si1−xCx:H) are a promising candidate for expanding the toolbox of useful materials for thin-film photovoltaics. The interest in these alloys lies in the possibility of easily varying their effective band gap by changing the amount of carbon in their composition. In this thesis, the usefulness of such materials in thin-film PV devices was probed using a broad range of deposition and characterization techniques. Using thin-film growth techniques at low temperatures (175−300° C), the range in which such electronically useful materials can be grown has been explored. It was confirmed that even in the condition of small crystallites, no stable sub-stoichiometric Si-C crystalline phase exists (i.e. no parallel for silicon-rich c-SiGe has been observed). Under all deposition techniques utilized, these materials were composed of submicron-size silicon crystallites embedded in an amorphous silicon-carbon (a-Si1−xCx:H) matrix. However, while the presence of the crystallites assures a higher conductivity compared to a-Si1−xCx:H, the carbon incorporation leads to an effective energy gap larger than that of microcrystalline silicon, supporting our investigation of these materials as promising optoelectronic layers. In the first part of this work, different Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition strategies have been investigated to achieve the widest range of processing conditions and to learn the most about the growth conditions required to produce a high quality µc-Si1−xCx:H material. Material properties were extensively characterized both on the structural side and also from an electrical point of view, in order to establish a correlation between the deposition parameters and the microstructural, transport and defect-related properties. The extensive set of results has allowed the proposal of a coherent growth model for such µc-Si1−xCx:H thin films. Exploiting these results, PV devices using these alloys as active layers were made. Although the absolute levels of efficiency (around 3.5 %) are not as high as state-of-the-art microcrystalline silicon, this work showed that it is possible to obtain variations in the open circuit voltage by varying the amount of carbon incorporated in such µc-Si1−xCx:H alloys. This important result shows that a process parameter other than silane dilution can be used to control this aspect of device performance. PV performances are modest so far, which is expected as these are the first ever results concerning the application of such a new class of materials as the active layer in thin-film solar cells. However, with further advancements in such materials, their replacement of the less stable a-SiGe:H is not unforeseeable.

En raison de l'augmentation de la demande d’allègement pour les véhicules automobiles, des solutions doivent être créées pour permettre aux constructeurs automobiles de passer d'aciers hautement formables mais lourds à des alliages d'aluminium moins formables mais plus légers pour les carrosseries en blanc. Les alliages d'aluminium de la série 6xxx, basés sur le système Al-Mg-Si-Cu, se sont révélés prometteurs en termes de résistance mécanique et de résistance à la corrosion, mais, l'une de leurs principales limitations concerne leur formabilité. Cette thèse vise à comprendre l'effet des additions de Si, Mg et Cu sur les propriétés mécaniques et de formabilité de la série AA6xxx. La calorimétrie différentielle à balayage et les essais de dureté sont utilisés pour identifier les effets de l'addition de solutés sur la microstructure d’amas de solutés après vieillissement naturel et pré-vieillissement. Les essais de traction donnent accès aux principales propriétés mécaniques : limite d'élasticité, résistance à la traction, taux d’écrouissage et allongement uniforme. Le test de sensibilité à la vitesse de déformation est effectué à l'aide de sauts de vitesse afin d'obtenir non seulement la sensibilité à la vitesse ascendante, mais moins classiquement la sensibilité à la vitesse descendante. Enfin, à l'aide d'équations constitutives, les propriétés mécaniques sont utilisées dans une modélisation par éléments finis pour saisir l'évolution de la déformation et de la vitesse de déformation dans la transition de la striction diffuse à localisée. Dans le cas du vieillissement naturel d'un mois (NA1m), deux types d'amas ont été détectés, une espèce moins stable thermiquement ayant une forte dépendance aux teneurs en Cu et Mg, et une espèce plus stable thermiquement ayant la même sensibilité à toutes les espèces de solutés. Lorsque les échantillons sont pré-vieillis, puis laissés pendant un mois (sNA1m), seule l’espèce d’amas thermiquement plus stables et également sensible à tous les ajouts de solutés existe. La formation de ces différents types d’amas en fonction du traitement thermique s'est traduite par les effets de l'ajout de solutés spécifiques sur les propriétés mécaniques observées. Dans l'état NA1m, les effets des additions de Cu et de Mg à l'alliage ont montré les plus fortes augmentations de la limite d'élasticité et du taux d’écrouissage, par rapport aux additions de Si. Ceci contraste avec la condition sNA1m pour laquelle les additions de Cu, Mg et Si augmentent toutes la limite d'élasticité de façon égale tandis que les additions de Cu se sont avérées avoir le plus fort effet sur l'augmentation du taux de durcissement par déformation, suivies par l'effet d’additions de Si, tandis que les additions de Mg n'ont pas eu d'effet. Les tests de sensibilité à la vitesse de déformation ont révélé une asymétrie entre les tests de variation vers le haut et vers le bas, selon laquelle la sensibilité à la vitesse de variation vers le bas est plus grande que la sensibilité à la vitesse de variation vers le haut. De plus, on a constaté que les ajouts de Si augmentent à la fois la sensibilité à la vitesse de déformation à variation ascendante et à variation descendante dans les conditions NA1m et sNA1m. Enfin, l'application de ces propriétés mécaniques à l'étude de l'évolution des strictions diffuse et locale a démontré que l'augmentation de l'exposant d’écrouissage retarde l'apparition du col diffus, par ailleurs l’augmentation de la sensibilité à la vitesse de déformation permet une distribution plus uniforme des déformations et des vitesses de déformation, permettant ainsi la stabilisation et la propagation du col de striction et retardant l'apparition du col local. L'effet de la sensibilité à la vitesse de déformation ascendante s'est révélé plus important que la variation descendante en raison de l'intensité de l'augmentation de la vitesse de déformation à l'intérieur du col sur une zone beaucoup plus petite. / Due to the increased demand for light weighting in automotive vehicles, solutions need to be created to allow automotive manufacturers to switch from highly formable but heavy steels to less formable but lighter aluminium alloys for body-in-white components; doors, roofs, hood. The 6xxx-series of aluminium alloys, based on the system of Al-Mg-Si-Cu, have shown promise for providing adequate strength and corrosion resistance but still, in the current state, one of their main limitations concerns their formability. This thesis aims to understand the effect of Si, Mg, and Cu additions under two different processing routes on the mechanical and formability properties of the AA6xxx-series. Differential scanning calorimetry and hardness testing are used to identify the effects of solute additions on the cluster states after natural ageing and pre-ageing. Tensile testing is used to capture the main mechanical properties: yield strength, tensile strength, strain hardening rate, and uniform elongation. Strain rate sensitivity testing is performed using dynamic strain rate changes to obtain not only the strain rate sensitivity due to rate-change increases (termed up-change), but uniquely, the strain rate sensitivity for rate-change decreases (termed down-change). Finally, using constitutive equations, the mechanical properties are used in combination with finite element modeling to capture the evolution of the strain and strain rate distribution in the evolution and transition of diffuse to local necking. It was found that in the case of natural ageing for one month (NA1m) two cluster types were detected, a less thermally stable species having a high dependency on the Cu and Mg contents, and a more thermally stable species being equally sensitive to all solute species. When samples were first pre-aged, then allowed to naturally age for one month (sNA1m) only the more thermally stable cluster species being equally sensitive to all solute additions existed. The formation of these different cluster types dependent on the heat treatment translated into the effects of specific solute additions on the observed mechanical properties. In the NA1m condition, the effects of Cu and Mg additions to the alloy showed the largest increases on the yield strength and strain hardening rate, as compared to Si additions. This is in contrast to the sNA1m condition whereby Cu, Mg, and Si additions all increased the yield strength equally while Cu additions proved to have the strongest effect on increasing the strain hardening rate, followed by the effect of Si additions, while Mg additions did not have an effect. From the strain rate sensitivity tests, an asymmetry between the up-change and down-change tests was observed whereby the down-change strain rate sensitivity was found to be larger than the up-change strain rate sensitivity. Additionally, Si additions were found to increase both the up-change and down-change strain rate sensitivity in both the NA1m and sNA1m conditions. Finally, the application of these mechanical properties to the onset and evolution of the diffuse and local neck demonstrated that increasing the strain hardening exponent delays the onset of diffuse necking, while increasing both the up-change and down-change strain rate sensitivities provides a more uniform strain and strain rate distribution around the neck, permitting the stabilization and propagation of the neck and delaying the onset of local necking. The effect of the up-change strain rate sensitivity was found to be more important than the down-change due to the intensity of the strain rate increase in the interior of the neck occurring over a much smaller area.

Cette étude porte sur la sensibilité à la fragilisation par l'hydrogène (FPH) d'un alliage base nickel, l’Inconel 718 issu d’un procédé de fabrication additive (FA), sous sollicitation cyclique. Cematériau est utilisé pour la réalisation de certains composants des ensembles propulsifs d’Ariane qui sont fabriqués par Ariane Group. Dans ce domaine, certaines pièces sont sollicitées sous « ambiancehydrogène ». Ainsi, le risque de fragilisation de ces pièces est une problématique de premier ordre.Pour cela, nous avons caractérisé l’état métallurgique d’un Inconel 718 FA à différentes échelles structurales afin d’observer un possible impact du procédé de mise en œuvre sur la microstructure, puis d’envisager sa conséquence sur le comportement mécanique et la sensibilité à la FPH de l’alliage. Notons que nous avons conduit une étude plus réduite sur un alliage forgé afind’avoir des éléments de comparaison. Afin de comprendre les mécanismes de fragilisation par hydrogène de l’Inconel 718 FA, il est nécessaire de connaitre l’état et la mobilité de l’hydrogène dans le matériau. Des analyses deperméation électrochimique (PE) et gazeuse (PG), ainsi que de spectroscopie de désorption thermique (TDS) apportent des éléments de compréhension des mécanismes de piégeage et de diffusion de l’hydrogène. Ils permettent de discuter l’implication des joints de grains dans les mécanismes dediffusion ainsi que l'effet des hétérogénéités microstructurales sur les mécanismes de piégeage dans l’Inconel 718 FA.D'autre part, l’influence de l’hydrogène sur le comportement mécanique a été questionnée en traction et en fatigue oligocyclique en terme de comportement élasto-viscoplastique, de processus d’initiation, de propagation de fissure en fatigue et de ténacité. Dans ce cadre nous présentons, dans unpremier temps, l’étude du comportement en traction et sa sensibilité à l’hydrogène pour l’Inconel 718 FA. Nous questionnons lors de cette partie l’effet de la vitesse de sollicitation sur les mécanismes defragilisation ainsi que sur les différentes interactions hydrogène/matériau. Des essais de traction interrompue ont été réalisés afin de questionner l’effet de l’hydrogène sur le comportement viscoplastique et notamment questionner les interactions hydrogène/plasticité.Dans un deuxième temps, le comportement en fatigue de l’Inconel 718 FA en présence d’hydrogène gazeux est interrogé à l’aide d’essais de fatigue pour un rapport de charge, R de 0,1 sous une pression d’hydrogène de 300 bar. Il est clairement mis en évidence une réduction du nombre decycles à rupture en présence d’hydrogène ainsi qu’un changement de mode de rupture. L’impact de l’hydrogène a été évalué sur les étapes d’initiation et de propagation de fissures ainsi que sur la ténacité du matériau en fonction de la métallurgie de l’alliage.L'ensemble des résultats obtenus permettent une discussion de la sensibilité du matériau à la FPH, tenant compte en particulier des interactions hydrogène/plasticité. / This study focuses on the hydrogen embrittlement sensitivity (HE) under cyclic loading of a nickel based alloy, Inconel 718, manufactured by the additive manufacturing process (AM). This material is used in some components of Ariane cryogenic engines that are manufactured by ArianeGroup. Some of these components are solicited under "hydrogen atmosphere", and the risk of embrittlement is a major problem.The metallurgical states of the Inconel 718 AM alloy have been characterized at different structural scales in order to observe a possible impact of the manufacturing process on the microstructure and discuss the possible consequences on the mechanical behaviour of the alloy underhydrogen pressure. Moreover, a forged alloy has also been studied for comparison.To discuss the mechanisms of hydrogen embrittlement in the material, it is first necessary to study the hydrogen behaviour in the material. Electrochemical and gaseous permeation analyses as well as TDS were performed to provide insights into the mechanisms of hydrogen diffusion. Fromthese results, the involvement of grain boundaries in the diffusion mechanisms and the effect of microstructural heterogeneities on the trapping mechanisms in this material have been discussed.On the other hand, the influence of hydrogen on the mechanical behaviour has been investigated under monotonic and cyclic loading in terms of elasto-viscoplastic behaviour, crack initiation process, fatigue crack propagation and toughness. In a first part, the tensile behaviour of the Inconel 718 AMunder hydrogen pressure has been considered. The effects of the loading rate on the mechanisms of embrittlement have been addressed. Moreover, interrupted tensile tests have been carried out to identify the effect of hydrogen on the viscoplastic behaviour and allowing to discuss hydrogen /plasticity interactions.The fatigue behaviour of Inconel 718 AM in the presence of hydrogen gas was investigated by cyclic tests for a 0.1 load ratio (R) under a 300 bar H2 at room temperature. It has been shown that hydrogen leads to a clear decrease of the number of cycles to rupture and to a change in failure mode.The impact of hydrogen has been evaluated on the fatigue crack initiation and propagation stages as well as on the toughness of the material.Finally, all the obtained results allowed a discussion of the hydrogen embrittlement sensitivity of the material, taking into account the hydrogen / plasticity interactions.

Cette thèse présente l'étude et la réalisation d'un composant à base de polymère électro-optique pour la conversion de signal du domaine optique vers le domaine hyperfréquence. Le principe physique mis en oeuvre dans le composant est celui du mélange à trois ondes, ce mélange ayant lieu dans un polymère non-linéaire (électro-optique). Après une introduction présentant brièvement les applications possibles pour un tel composant et les technologies concurrentes, les bases des principes physiques mis en oeuvre dans le composant sont présentées. Les différents matériaux qui constituent le composant sont étudiés dans le domaine quasi-statique, le domaine hyperfréquence, et dans le domaine optique. Un choix des matériaux pour la réalisation est alors opéré. Le dimensionnement du composant est ensuite présenté. La structure retenue est similaire à celle d'un modulateur de phase optique : un guide optique enterré sert de diélectrique à une ligne microruban en charge de récupérer le signal hyperfréquence généré dans le polymère électro-optique. La fabrication du composant est détaillée, en décrivant chaque étape. Les composants réalisés sont alors testés. Même si le principe physique que nous avons cherché à mettre en oeuvre pour réaliser la conversion de fréquence est validé par le bon fonctionnement des composants de test en modulation, les mesures en génération de signal hyperfréquence sont très difficilement reproductibles. Aux fréquences auxquelles nous avons travaillé (inférieures à 40 GHz), le rendement de la conversion est trop faible (de l'ordre de -100 dB). De tels composants pour la conversion de fréquence du domaine optique vers le domaine hyperfréquence doivent être envisagés pour des fréquences de travail bien plus élevées (de l'ordre du térahertz).