Mise au point d'un appareillage permettant des études in situ de réactions solide-gaz dans une large gamme de températures; étude de différentes phases du système SrFeO3-y(y = 0,5-1) en fonction de la température et de la pression partielle d' oxygène; étude des composes du système SnF2 - SnF4 et établissement d' une corrélation entre les paramètres Mössbauer et les propriétés structurales.

Les poudres propulsives pour armes sont des matériaux énergétiques dont la combustion permet l’accélération de projectiles jusqu’à des vitesses importantes. Ces matériaux énergétiques sensibles peuvent être soumis à de fortes contraintes (chocs, impacts et incendies) lors de leur utilisation. Le remplacement de certaines substances entrant dans leur formulation permet de diminuer leur vulnérabilité. En conséquence, ces poudres propulsives présentent une dynamique d’allumage différente. Ce travail de recherches est consacré à l’allumage des poudres propulsives pour armes et se présente en quatre chapitres. Un état de l’art sur le sujet est réalisé. Il porte en particulier sur la phénoménologie de l’allumage, la caractérisation de poudres propulsives, et la modélisation de l’allumage. Deux poudres propulsives sont expérimentalement analysées par thermogravimétrie, calorimétrie et spectrométrie de masse. Cette analyse permet de caractériser les différentes étapes cinétiques de la dégradation thermique de ces poudres propulsives. Un code de modélisation biphasique 2D est développé pour servir de support à la comparaison de modèles d’allumage. Le modèle implémenté décrit la chambre de combustion du canon dans les premières phases du coup de canon, lorsque le lit de poudre propulsive est compacté et que les gaz issus du dispositif pyrotechnique d’allumage le parcourent. Un modèle d’allumage est développé à partir des résultats expérimentaux obtenus au deuxième chapitre. Le code de calcul précédemment évoqué permet de comparer l’influence de différents modèles sur la propagation de l’allumage. / Gun Propellants are energetic materials whose combustion can accelerate projectiles to high speeds. These sensitive energetic materials can be subjected to high stresses (shocks, impacts and fires), potentially able to ignite them. The modification of their chemical formulation reduces such vulnerability. Consequently, these propellants have different ignition dynamics. This work focuses on the ignition of gun propellants and comes in four chapters. A state of the art on the subject is firstly made. It focuses on the phenomenology of the ignition and on energetic materials experimental characterization, and modeling of their ignition. Two gun propellants are experimentally analyzed by thermogravimetry, calorimetry and mass spectrometry. This analysis allows characterizing the various stages of the degradation kinetics of these propellants. A 2D biphasic modeling code was developed to provide support for the comparison of ignition models. It describes the combustion chamber in the early stages of the gun firing, when the propellant bed is compacted and the gases from the pyrotechnic igniter are flowing through it. An ignition model is developed from the experimental data obtained in the second chapter. The previously mentioned modeling code allows comparing the influence of different ignition models on the spreading speed of the ignition signal through the packed bed of propellant.

Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet Saveurs Vapeurs du Groupe SEB qui vise à développer une nouvelle gamme de cuiseurs vapeur. Cette thèse porte ainsi sur l’analyse des propriétés fonctionnelles de matériaux polymères soumis à deux types de vieillissement rencontrés lors de la cuisson à la vapeur. D’une part, la résistance à la coloration de ces derniers en présence de substances alimentaires colorantes a été évaluée, à 60°C et 100°C. Un colorimètre a été utilisé pour l’analyse de la couleur des échantillons, dans l’espace Lab. Les résultats montrent que seuls les polymères totalement fluorés résistent à la coloration après 1000 heures passées à 100°C. D’autres polymères, comme le polycarbonate, le PET et les polymères partiellement fluorés, ne présentent pas de coloration après 1000 heures à 60°C. La théorie de la solubilité a été utilisée pour la prévision des résultats, et semble fiable dans de nombreux cas. Son application nécessite cependant un approfondissement, car d’autres molécules présentes dans les substances peuvent interférer avec la sorption des molécules colorantes. D’autre part, la résistance de ces polymères au vieillissement hydrothermique a été étudiée, à des températures de 100°C, 120°C et 140°C. Les températures caractéristiques (par DSC, TGA et DMA) et les propriétés mécaniques par DMA ont été mesurées. La reprise d’eau des polymères a également été évaluée. La plupart des polymères, excepté le PE, le PET et les polyamides, ne présentent pas de modifications de leurs propriétés après un vieillissement de 1000 heures à 100°C. Après un vieillissement de 1000 heures à 140°C, seuls les polymères totalement fluorés, le polysulfone et l’ETFE ne montrent aucun signe de changement de propriétés. Ces premiers résultats nécessitent cependant une analyse plus poussée. Une étude des molécules éventuellement libérées durant le vieillissement permettrait de vérifier l’innocuité de ces matériaux / This work is incorporated within the framework of the project Saveurs Vapeurs (Steam Flavors) from the SEB Group, aimed at developing a new assortment of steam cooking devices. This PhD thus deals with the analysis of the functional properties of polymer materials subjected to two types of ageing found during steam cooking. First, coloration resistance of the latter in presence of coloring alimentary substances was evaluated, at 60°C and 100°C. A chromameter was used for the analysis of samples color, in the Lab color space. Results show that only fully fluorinated polymers resist to coloration after 1000 hours spent at 100°C. Some other polymers, like polycarbonate, PET and partially fluorinated polymers, do not show any coloration after 1000 hours at 60°C. The solubility theory was used for anticipation of the results, and seems to be reliable in many cases. However its use needs an in-depth study, because some other molecules found in the substances can interfere with the sorption of colored molecules. Second, hydrothermal ageing resistance of these polymers was studied, at temperatures of 100°C, 120°C, and 140°C. Parameters measured were the characteristic temperatures (by DSC, TGA and DMA) and mechanical properties by DMA. Water mass uptake was also evaluated. Most of the polymers, excepted PE, PET and polyamids, do not show any modification of their properties after 1000 hours ageing at 100°C. After ageing 1000 hours at 140°C, only fully fluorinated polymers, polysulfone and ETFE do not show any sign of properties change. These first results need however a further analysis. A study of possibly liberated molecules during ageing could allow to verify the inoffensiveness of these materials

La mesure simultanée des champs cinématiques et thermiques est très importante pour les procédures thermomécaniques. Les caméras à base de silicium sont largement utilisées pour l'observation en temps réel des champs cinématiques, principalement grâce à la corrélation d'images numériques. De plus, ils sont aussi connus pour sa sensibilité dans le spectre du proche infrarouge, ce qui permet d’acquérir des champs thermiques à l’aide d’une caméra à base de silicium. Cependant, pour la caméra à base de silicium, il y a deux problèmes principaux d’obtenir simultanément des champs cinématiques et thermiques. D’abord, dans le spectre du proche infrarouge, une petite variation de température entraînera une modification importante du niveau de gris de l'image, ce qui entraînera facilement une mauvaise qualité des images. Deuxième, la corrélation d’images numériques nécessite une surface hétérogène et contrastée, tandis que la thermographie dans le proche infrarouge nécessite une surface homogène et constante. Dans cette thèse, une technique innovante a été proposée pour ajuster automatiquement le temps d'exposition de la caméra afin d'obtenir des images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique, quel que soit l'évolution de température à la surface de l'objet observé. Cette technique a été validée par expériences différentes, notamment des expériences de chauffage d’un corps noir et des expériences de chauffage d’un échantillon réel. Les modèles radiométriques du corps noir et de la surface des échantillons calibrent respectivement. Basé sur les modèles radiométriques, des champs thermiques ont été reconstruits sur les images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique. L'expérience à haute température est réalisée pour le ballonnement des tubes où les champs cinématiques et thermiques sont observés. La corrélation d'images numériques a été effectuée globalement afin d'obtenir des champs cinématiques. Pour effectuer la thermographie du proche infrarouge sur la surface de l’échantillon, le modèle radiométrique est étalonné selon une partie des pixels les plus brillants. Dans ce cas, 20% des pixels les plus brillants sont utilisés pour effectuer l'étalonnage des modèles radiométriques. Basée sur le modèle en utilisant 20% des pixels plus brillants, les champs thermiques sont reconstruits. Combiné avec les coordonnées connues du champ cinématique par corrélation d'images numériques, le champ thermique et le champ cinématique dans les mêmes coordonnées peut être obtenu. / Simultaneous measurement of kinematic and thermal full fields are very important for thermomechanical procedures. Silicon-based cameras are widely used to perform real-time observation of the kinematic fields, mainly thanks to digital image correlation. Moreover, they are known to be as well sensitive in the near-infrared spectral range, thus the acquirement of thermal fields using silicon-based cameras is possible. However, there are two main problems for the silicon-based camera to obtain simultaneously kinematic and thermal fields. One is that in the near-infrared spectral range, a small temperature variation will lead to a large modification in the image gray level, which easily leads to poor quality images. Another is that digital image correlation needs a heterogeneous and contrasting surface, while the near-infrared thermography needs a homogeneous and constant surface. In this thesis, an innovative technique was proposed to automatically adjust the exposure time of the camera to obtain kinematically and thermally exploitable images whatever the temperature evolution occurs on the surface of the observed object. This technique was validated by different experiments, including blackbody heating experiments and realistic specimen heating experiments. Radiometric models of blackbody and specimen surfaces ware calibrated respectively. Based on the radiometric models, thermal fields have been reconstructed on the kinematically and thermally exploitable images. High temperature tube ballooning experiment is conducted to perform both kinematic and thermal fields. Global digital image correlation was performed to obtain kinematic fields. To perform near-infrared thermography on the specimen surface, radiometric model is calibrated based on portions of the brightest pixels. In this case 20% of the brightest pixels are used to perform radiometric model calibration. Based on the radiometric model using 20% of the brightest pixels, the thermal fields are reconstructed. Combined with the known coordinates of kinematic fields by digital image correlation, the thermal fields at the same coordinates as kinematic fields can be obtained.

L’originalité de ce travail repose sur une approche physique et physico-chimique des propriétés de mélanges de polylactides de chiralité différentes (poly L-lactique acide et poly D-lactique acide) et sur l’influence de cette chiralité sur les propriétés des phases amorphes de ces matériaux. Les matériaux sont des mélanges élaborés à partir de deux homopolymères (PLLA et PDLA) selon deux méthodes ; coulée en solution ou par extrusion. Nous avons étudié des matériaux totalement amorphes et cristallisés de façon isotrope afin de générer une phase amorphe plus ou moins confinée. Il est montré que le mélange pouvant donner naissance à une phase cristalline stéréocomplexe ne peut être obtenu que dans certaines conditions. Les résultats des analyses thermiques et de perméation ont montré que le mélange PLLA/PDLA améliore certaines propriétés du matériau, notamment des propriétés barrières à l’eau et aux gaz plus élevées par rapport aux homopolymères parents. Afin d’étudier la mobilité moléculaire des phases amorphes, du vieillissement physique et de la relaxation structural (relaxation α et β), le concept de Région de Réarrangement Coopératif (CRR) a été appliqué. Il a été montré que les phases amorphes des homopolymères et du mélange ont exactement les mêmes propriétés à la transition vitreuse et dans l’état vitreux lorsque les matériaux sont totalement amorphes. / The originality of this work is based on analysis of physical and physicochemical properties of polylactide mixtures of different chirality (poly L-lactic acid and poly D-lactic acid) and on the influence of the chirality on the amorphous phase’s properties. The materials mixtures are elaborated from two homopolymers (PLLA and PDLA) according to two methods; solution casting or extrusion. Totally amorphous and isotropically crystallized materials with more or less confined amorphous phase were studied. It is shown that a stereocomplex crystalline phase can be obtained only under certain experimental conditions. The results of the thermal and permeation analyzes showed that the PLLA / PDLA mixture improved certain properties of the material, namely higher barrier properties towards liquid water and gases were obtained compared to parent homopolymers. In order to study the molecular mobility of amorphous phases, physical aging and structural relaxation (α and β relaxation), the Cooperative Rearrangement Region (CRR) concept has been applied. It has been shown that the amorphous phases of the homopolymers and the mixture have exactly the same properties at the glass transition and in the vitreous state when the materials are totally amorphous.

Une analyse critique de la modélisation des échanges thermiques des câbles d’énergie en galerie est réalisée, avec l’étude de facteurs d’influences propres aux modes de pose des câbles dans ces ouvrages. Les câbles, de plusieurs kilomètres, chauffent du fait du courant transmis dans leurs âmes. Ils sont alors refroidis par une convection forcée turbulente, dans l’axe des câbles, et échangent par rayonnement avec les parois. Pour étudier ce refroidissement, un banc d’essais expérimental a été conçu, en similitude de Reynolds, modélisant différents câbles soumis à un écoulement turbulent développé. Les résultats sont comparés et étayés par des simulations numériques 3D, développées sous l’outil OpenFOAM. Les études réalisées ont permis de mettre en évidence la mésestimation importante de l’échange convectif par la norme existante. Celle-ci propose un refroidissement qui se compose en réalité pour un tiers de l’effet de supports maintenant les câbles et d’un autre tiers d’un écoulement encore en début d’établissement. Le dernier tiers étant le refroidissement effectif des câbles. L’impact des groupements des câbles est aussi étudié, avec un résultat étonnant où un groupe de deux câbles en nappe est trouvé mieux refroidis qu’un seul, lorsque ceux-ci sont placés en proche paroi de la galerie. A l’issue des travaux, une unique loi de refroidissement conservative est proposée, permettant de modéliser tous les cas traités. Cette loi a un impact important sur l’intensité maximale admissible des câbles, qui est dégradée de 5% à 9% par rapport à précédemment pour un cas idéalisé. / A critical analysis of the thermal rating of power cables in tunnels is carried out, with the study of factors of influence specific to cable laying constrains. The heat generation in the cables, due to the transiting current, is dissipated by an axial turbulent forced convection and by radiation with the tunnel walls. To characterize this cooling, an experimental mock-up tunnel has been designed, modelling various cables in a fully-developed turbulent flow. The results are compared and bolstered by 3D numerical simulations, developed under the OpenFOAM code. The studies have highlighted an important underestimation of the convective exchange by the existing standard. Their cooling law is actually a sum of the effects of racks supporting the cables, for a third, and the effect of a flow still underdeveloped for another third. The last third being the actual cooling of the cables. The impact of groups configurations is also studied, with an astonishing result for groups of two cables, which are better cooled than a single cable case, when installed close to a wall. Following the analysis, a single conservative cooling law is proposed to model all studied cases. This law has a significant impact on the permissible current in the cables, which is downgraded from 5% to 9% from previous ratings.

De nombreux liquides subissent un changement de volume lorsqu'ils gèlent. Pour l'eau et certaines solutions aqueuses, l'expansion volumétrique au cours de la solidification peut entraîner une série de problèmes mécaniques. Dans l'industrie automobile, l'expansion de changement de phase (ECP) met en cause la sécurité des réservoirs des véhicules aux saisons froides. Une des questions les plus problématiques est l'expansion de la solution aqueuse d'urée (SAU) dans le réservoir du système SCR des véhicules diesels. Lorsque le liquide gèle, les composants intérieurs ainsi que le réservoir lui-même peuvent être endommagés dû à la pression apportée par la dilatation du liquide solidifié. Dans le centre , une méthode numérique est fortement attendue afin de prévoir la répartition de la température, des contraintes ainsi que de la déformation des composants lors d'un processus de solidification. Du fait que les informations sur la solution d'urée restent limitées, la structure de la glace cristalline ainsi que ses comportements mécaniques sont principalement passés en revue. La préférence d'orientation de croissance des grains de glace à l'interface de cristallisation met en évidence, l'hypothèse de l'ECP non-isotropique pour des problèmes de solidification. Une série de tests mécaniques a été réalisée afin d'obtenir les propriétés basiques de SAU à l'état solide à différentes températures. Une méthode « différence-volume » a été appliquée pour mesurer la variation de la densité de la SAU lors du processus de solidification. Pour la suite, des études analytiques thermiques et mécaniques sont effectuées. Pour l'aspect thermique, le problème classique de Stefan est passé en revue. Un schéma de différence-finie est proposé et il permet de calculer la position de l'interface et les profils de température pour un modèle sphérique. Pour l'aspect mécanique, un modèle sphérique similaire est établi à la base de l'ECP non-isotropique. Les solutions analytiques des contraintes et de la pression liquide sont présentées en fonction de la position de l'interface. Une méthode éléments-finis thermo-mécaniquement couplée est développée afin de simuler efficacement les contraintes thermiques, les déformations et la pression liquide dans un problème de solidification avec des relations constitutives de comportement non-linéaires. Les contraintes thermiques sont calculées en chaque point d'intégration en résolvant les équations elasto-viscoplastiques avec l'ECP non-isotropique. Le problème aux limites est résolu par la méthode de Newton-Raphson. Cette procédure est implémentée dans le package Abaqus via un UMAT. La méthode est validée d'abord pour les aspects algorithmiques par les solutions analytiques, puis pour les paramètres de comportement retenus par une série de tests expérimentaux. De plus, une étude de cas réaliste sur un réservoir de la SAU est introduite. Les avantages et les limitations de la méthode numérique lors d'une application sont évalués. / Many liquids involve a change in volume when they freeze. For water and some aqueous solutions, the volumetric expansion during solidification may invoke a series of mechanical issues. In automobile industries, the security of tanks installed in vehicles is challenged by the Phase-Change Expansion (PCE) of the freezing liquid in cold conditions. One of the most problematic issues is the expansion of Aqueous Urea Solution (AUS) in the SCR tank of diesel vehicles. As the liquid freezes, interior components may be deformed under the stress or pressure of the expanding AUS, potentially leading to failures of the storage tank. In the product center, a numerical method is of high demand to perform thermo-mechanical analysis to predict the temperature and stress distribution during a liquid solidification process in their tanks. In this work, a bibliographic study is carried out first on the basic knowledge of the ice and AUS. Due to the very limited information on urea solution in the literature, the structure and behaviors of freshwater ice are mainly reviewed. The grain orientation preference at the growth interface of polycrystalline ice provides the evidence of non-isotropic PCE for the solidification problem. A series of mechanical tests have been performed to characterize the basic properties of the solidified AUS at different temperatures. The density evolution is measured using a volume-difference method. Then, both thermal and mechanical analytical studies are performed. The classical thermal Stefan problem is reviewed and a finite-difference scheme is proposed to calculate the interface position and temperature profiles of a spherical solidification model. Mechanically, a similar spherical model is established based on the non-isotropic PCE phenomenon of ice growth. The solutions of stress distribution and liquid pressure evolution are given as a function of the solidification interface position. Finally, an efficient thermo-mechanical FEM is proposed to evaluate the thermal stress, strain, displacement and pressure in solidification problems with highly nonlinear relations. Three particular methods for treating the liquid phase with fixed-grid approaches are introduced. The thermal stress is computed at each integration point by integrating the elasto-viscoplastic constitutive equations with non-isotropic PCE. Then, the boundary value problem is solved using the full Newton-Raphson method. This procedure is implemented into the FE package Abaqus via a UMAT subroutine. The numerical model is validated first for the algorithmic aspect by the analytical solutions, and then for the parametric calibration by a series of benchmark tests. In the end, a realistic study case on a real-size AUS storage tank is introduced. Advantages and limitations of the numerical method in the application are evaluated.