L'intérêt industriel des composites alumine-zircone ZTA (Zirconia Toughened Alumina) a déjà été largement démontré dans la littérature, notamment pour les applications biomédicales telles que les prothèses orthopédiques. La combinaison du renforcement par transformation de phase de la zircone et de la stabilité de la matrice d'alumine permet de dépasser les propriétés mécaniques des composés monolithiques. La dépendance des propriétés mécaniques vis-à-vis des conditions d'élaboration rend toutefois la production industrielle de tels composites très complexe. Le premier objectif de cette thèse CIFRE, en collaboration avec la société Nanoe et le laboratoire SPMS, est la production de composites alumine-zircone contenant de 2.5 à 50%m de zircone pour ensuite pouvoir les caractériser systématiquement en termes de propriétés microstructurales, structurales et mécaniques, notamment en se concentrant sur les aspects de stabilité de la phase tétragonale de la zircone. La méthode de production industrielle mise au point permet d'obtenir des composites denses à plus de 99% et présentant des microstructures fines et homogènes. Les tailles de grains des deux matériaux dans le composite sont dépendantes de sa composition en zircone mais indépendantes du taux de stabilisant dans la zircone. La comparaison des propriétés microstructurales aux résultats structuraux et mécaniques nous a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes. Hormis la variation de taille de grain et de macro-contraintes due à la différence de coefficients de dilatation thermique, l'alumine est relativement insensible à l'effet du composite. Le contrôle de la stabilité de la phase tétragonale dans les composites nécessite la prise en compte de multiples phénomènes à différentes échelles. À l'échelle de la maille, le premier effet bien connu est celui du dopage par l'oxyde d'yttrium qui stabilise la phase tétragonale. Nous avons mis un autre effet en évidence : les macro-tensions appliquées par la matrice d'alumine déstabilisent la maille tétragonale. Pourtant la rétention de la phase tétragonale de la zircone pure dans la matrice d'alumine est rendue possible par l'effet d'inhibiteur de croissance et la rigidité de l'alumine. La matrice d'alumine stabilise donc la phase tétragonale à l'échelle du grain. Cette observation nous a notamment permis de déterminer la taille critique de transformation spontanée de la zircone pure dans les composites alumine-zircone qui est comprise entre 250 et 310nm. De la même manière, l'absence de vieillissement pour les composites contenant moins de 40%m de zircone nous indique que la taille critique de vieillissement de la zircone dopée à 3%mol d'oxyde d'yttrium est comprise entre 310 et 360nm dans le composite. Il faut donc maîtriser chacun de ses effets pour obtenir à la fois le renforcement par transformation le plus efficace et la meilleure résistance au vieillissement. D'après notre étude, cet optimum se situe entre 1 et 2%mol d'oxyde d'yttrium pour des ZTA présentant une taille de grain de zircone inférieure à 300nm.

L'élaboration des céramiques nanocomposites s'impose dans l'actualité comme une des voies la plus prometteuse pour l'obtention des matériaux céramiques ayant des propriétés remarquables. Toutefois, il s'agit d'une voie compliquée puisque la nanostructure et la densification des matériaux sont en général contradictoires. En effet, les relativement hautes températures et longues périodes de temps requises pour bien densifier les matériaux céramiques nanocomposites produisent le phénomène de grossissement des grains : dans ces conditions les phases présentes dans le composite cessent d'être nanostructurées. Dans ce contexte, l'utilisation de nouvelles techniques de frittage, telles que le " Spark Plasma Sintering " (SPS), peuvent aider à la consolidation de ce type de matériaux tout en conservant une microstructure fine. Ce travail de recherche a été consacré à l'élaboration des micro-nanocomposites alumine/5vol% SiC en utilisant trois techniques de frittage : conventionnelle ou naturelle (FN), le pressage à chaud (" Hot Pressing " ou HP) et principalement le frittage par " Spark Plasma Sintering ". Dans un premier temps, l'étape de dispersion des poudres d'alumine et de SiC a été optimisée afin de préparer des barbotines stables et homogènes et des poudres composites. Puis, les meilleures performances de la technique SPS par rapport aux autres techniques de frittage ont été mises en évidence. Ainsi, l'utilisation du frittage SPS permet une meilleure maîtrise de la microstructure : densité élevée, microstructure fine et la localisation des particules nanométriques principalement en position intergranulaire.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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L'enjeu actuel pour les industriels de l'aéronautique est de diminuer la consommation en carburant et/ou d'augmenter le rendement des avions. A terme, Safran souhaite remplacer les aubes de turbine, actuellement en superalliage, par des aubes en matériau composite tissé de type SiC/SiBC. Il est alors important de prévoir leurs durées de vie. Ce travail a donc consisté à développer un modèle de durée de vie pour ces composites autocicatrisants. Ces matériaux tissés sont constitués de fibres Nicalon, d'une interphase de pyrocarbone et d'une matrice autocicatrisante multicouche (B4C, SiC et SiBC). La particularité de ces composites est l'oxydation de chaque constituant du matériau en fonction de l'environnement (température, atmosphère sèche ou humide). Le modèle de durée de vie développé offre un compromis entre des temps de calcul réduits, malgré la prise en compte de phénomènes physico-chimiques complexes, et une prévision de la durée de vie suffisamment précise. L'approche retenue est un couplage entre un modèle d'endommagement mécanique et un modèle physico-chimique. Un modèle de durée de vie uniaxial a été proposé afin de justifier les différents couplages nécessaires entre les parties mécanique et physico-chimique mais également pour optimiser les algorithmes de résolution. Ce modèle a permis d'identifier les coefficients pour deux nuances de matériaux. Afin de réaliser des essais de structures, un modèle de durée de vie multiaxial a été proposé et implanté dans le code de calcul ZéBuLoN. Un protocole d'identification a également été proposé dans ce travail même si les essais de caractérisation jusqu'ici réalisés ne sont pas suffisants pour identifier complètement le modèle 3D sur ces matériaux.

L'importance du traitement du signal et la transmission favorise de nouvelles applications pour les matériaux optiques non linéaires, tels que des convertisseurs de fréquence. Les cristaux sont des matériaux pour ces applications bien connues en raison de leur comportement non linéaire optique forte. Cependant, ils sont coûteux à fabriquer et dépendent fortement de l'orientation cristalline. Les verres sont des candidats possibles à cause de leurs propriétés optiques et la facilité de fabrication, mais ils ne possèdent pas de second ordre non-linéarité en raison de leur structure centrosymétrique. Cependant, un matériau composite vitrocéramique avec des cristaux ferro-électriques noyées dans une matrice de verre peut combiner les propriétés de cristaux non linéaires avec la facilité de fabrication de lunettes.Germanotellurite verre et la céramique, verre dopés avec différentes quantités d'oxyde d'argent, dans la (100-x) (70TeO2 - 10GeO2 - 10Nb2O5 - 10 - K2O) xAg2O système (x = 0 à 6% en mole), a été étudiée. L'étude se compose de l'élaboration et la caractérisation d'une céramique de verre qui peuvent répondre aux exigences de matériaux optiques non linéaires, avec une grande transparence et une activité non linéaire intense. Les caractéristiques des verres et de la céramique de verre ont été déterminées par analyse thermique, diffraction des rayons X, la microscopie électronique, UV-Vis et spectroscopie Raman. Cristallisation en vrac a été observé pour les verres d'argent dopé avec une phase cristalline unique (Ag, K) [Nb1 / 3Te2 / 3] 2O4.8, qui présente une activité seconde génération harmonique (SHG). Un seul traitement thermique a abouti transparence supérieure à un traitement thermique en 2 étapes avec un premier chauffage à la température de nucléation et un second traitement pour la croissance cristalline. Pour les modes de transmission et XRD UV-Vis similaires, les échantillons de chaleur 1-étape traités ont montré une réponse SHG deux ordres supérieur à la 2-étape.Cette différence d'intensité provient de la taille des domaines à l'intérieur des deux céramiques de verre. Le traitement thermique une étape a été trouvé, de promouvoir micron de taille domaines cristallisés, alors que le traitement thermique en deux étapes a abouti à des tailles de sous-domaine de longueurs d'onde. La réponse macroscopique SHG global a été trouvé pour présenter le comportement dipolaire typique. Ce dipôle nature vient de chaque domaine agissant comme SHG émetteur. Une caractérisation basée sur une technique de micro-Raman / micro-SHG corrélative, qui peut fournir à la fois des informations structurelles et les réponses de SHG locales dans les mêmes régions sub-micron, a été réalisée, ce qui indique que l'organisation de cristallites dans les domaines rend leur réponse SHG indépendante de polarisation de la lumière. Un modèle structural a été proposé pour expliquer la propriété dipolaire général et l'indépendance de la polarisation de la lumière. / The importance of signal processing and transmission promotes new applications for nonlinear optical materials, such as frequency converters. Crystals are well known materials for these applications because of their strong optical nonlinear behaviour. However, they are costly to manufacture and are strongly dependant on crystal orientation. Glasses are possible candidates because of their optical properties and ease of fabrication but they possess no second-order nonlinearity due to their centrosymmetric structure. However, a glass-ceramic composite with ferroelectric crystals embedded in a glass matrix can combine the nonlinear properties of crystals with the easiness of fabrication of glasses.Germanotellurite glass and glass ceramics, doped with different amounts of silver oxide, in the (100-x)(70TeO2 – 10GeO2 – 10Nb2O5 – 10 K2O) – xAg2O (x=0-6 mol%) system, has been studied. The study consists of elaboration and characterization of a glass ceramic that can fulfil the requirements of nonlinear optical materials, with high transparency and intense nonlinear activity. The characteristics of the glasses and glass ceramics were determined by thermal analysis, X-ray diffraction, electron microscopy, UV-Vis and Raman spectroscopies. Bulk crystallization has been observed for the silver-doped glasses with a unique crystal phase, (Ag,K)[Nb1/3Te2/3]2O4.8, which presents second harmonic generation (SHG) activity. A single heat treatment yielded higher transparency than a 2-step heat treatment with a first heating at the nucleation temperature and a second treatment for crystal growth. For similar UV-Vis transmission and XRD patterns, the 1-step heat treated samples showed a two order higher SHG response than the 2-step one.This intensity difference comes from the size of domains within the two glass ceramics. The 1-step heat treatment was found to promote micron sized crystallized domains, while the two step heat treatment yielded sub-wavelength domain sizes. The global SHG macroscopic response was found to present typical dipolar behaviour. This dipole nature comes from each domain acting as SHG emitter. A characterization based on a correlative micro-Raman/micro-SHG technique, which can provide both structural information and local SHG responses within the same sub-micron areas, was performed, indicating that the organization of crystallites inside the domains makes their SHG response independent of light polarization. A structural model has been proposed to explain the general dipolar property and the light polarization independence.

Cette thèse se démarque des études traditionnelles des assemblages céramiques archéologiques conduites au Kenya qui mettent l’accent sur les décorations et les formes. L’approche ici privilégiée est l’approche technologique. Elle a pour objectif d’offrir des informations additionnelles sur une poterie dont la caractérisation ethno-linguistique soulève des débats contradictoires. Cette thèse pose la question de l’origine de la « Tana Ware » (7ème siècle avant JC), où le terme de « ware » décrit un ensemble d’attributs intrinsèques (style et matériau). En appliquant l’approche technologique à la Tana ware, cette recherche a pour objectif : -d’une part de tester l’hypothèse d’Abungu (1989) d’après laquelle la Tana ware est une production des groupes Cushitic,-d’autre part de tester l’hypothèse de Chami (1994) d’après laquelle la Tana ware est une production des groupes Bantu.La thèse ici présentée aboutit aux résultats suivants : 1. La Tana Ware a été faite par des groupes Bantu ; 2. Le groupe Meru-Tigania dont la tradition est proche de celle de la Tana ware pourrait correspondre à un groupe qui vécu sur la côte jusqu’au 17ème siècle ; 3. Les décorations de la Tana ware ont été empruntées auprès des Cushitic. Cette thèse avance que ces emprunts sont issus d’interactions entre les deux groupes ethnolinguistiques durant l’âge de fer ou même avant ; 4. les interactions entre les deux groupes ont pu être de l’ordre non seulement du contact, mais aussi du mariage, la technique de façonnage du colombin pour faire le bord, telle qu’elle est observable sur la Tana ware, ayant pu résulter d’un emprunt auprès des Cushitic. Cet emprunt pourrait précéder l’âge du Fer et ne concerner qu’une partie du groupe Bantu. Les résultats obtenus au cours de cette thèse ouvrent dès à présent de nouvelles perspectives pour identifier les groupes ethnolinguistiques qui ont participé au peuplement du Kenya. En particulier, ils invitent à revoir les assemblages céramiques Urewe, Kwale et Gatung’ang’a considérés jusqu’à présent comme des marqueurs de l’expansion Bantu. / This thesis is a departure from the traditional archaeological pottery analysis in Kenya, where emphasis has been on decorations and forms. It uses a technological approach to offer additional information on Bantu pottery whose social boundary has been a cause of disagreement between different researchers. Pottery decorations and forms have been/are still powerful instruments in defining archaeological spatial and temporal distribution of prehistoric populations, but the ability of these attributes as social boundary markers is limited by their overt visibility on the finished product. Whilst this explicit visibility is an advantage for archaeologists who seek to explore temporal and spatial distributions of different wares, it is also disadvantageous since it makes it possible for communities which are socially, ethnically, and linguistically distinct to copy from each other hence making these two salient pottery features unreliable indicators of social boundaries. Therefore, this study puts emphasis on the forming stage, which is not obvious on the finished product and must be learnt by apprenticeship only through kinship, as demonstrated by numerous ethnographic studies. Using chaîne opératoire as an analytical tool for archaeological material and ethnographic, experimental and ethno-historical data as reference and interpretive tools, this study sought to establish the social boundaries of makers of Tana ware which is a disputed Iron Age pottery of Bantu speakers. Some archaeologists attribute its origins to Bantu speakers whilst others attribute it to Cushitic speakers. Archaeological data was collected from Manda and Ungwana sites assemblages and ethnographic reference data was collected from Cushitic and Bantuspeakers from the Coastal and Highland regions of Kenya. Ethno-historical data was derived from library resources while experimental data were obtained from the field. This study demonstrated that due to the nature of archaeological peopling and interactions which exposed different ethnolinguistic groups to material cultures of the other, borrowing of cultural traits took place causing distinct populations to have pottery of similar decorations and forms. It has also demonstrated that pottery chaîne opératoire can show population continuity or discontinuity from archaeological to modern times. Most importantly, this thesis has demonstrated that Tana ware has its origins from Bantu speakers, and that its decorations have their origins from Cushitic speakers. It has also confirmed the movement of Meru ethnic group from the Coast of Kenya to Mt. Kenya region, by providing tangible data to linguistic, historical and oral evidences. The last part of this work gives directions of future research on pottery analysis in Kenya, and outlines some questions pertaining to Bantu and Cushitic speakers which remain to be answered.

Les régions de la moyenne et haute Tyrrhénienne, la Ligurie et la Provence ont connu pendant le VIème millénaire BCE d’intenses activités maritimes et d’échange, dans le contexte de la néolithisation de la Méditerranée occidentale et intimement liées à l'exploitation et à la circulation des matières premières telles que l'obsidienne, le silex et les roches vertes; dans ce contexte, la définition de la circulation céramique constitue évidement un point central pour la compréhension des rapports économiques et culturels entre les différents groupes néolithiques.Afin de contribuer à la recherche sur le complexe culturel du Néolithique ancien de la zone considérée, nous avons abordé les échanges et les interactions possibles entre les différents groupes grâce à la caractérisation de la matière première des productions céramiques, leur origine et leur diffusion. Notre méthodologie est fondée sur l'analyse pétrographique (microscope stéréoscopique et/ou microscope optique) des matériaux céramiques de certains des principaux sites du techno-complexe Impressa-Cardial afin de déterminer les potentielles zones d'origine des matières premières et les choix techniques de production, par la confrontation des données de géo-ressources et des céramiques archéologiques.Sur la base des résultats d’analyses obtenus, nous avons essayé de définir les productions céramiques et leur circulation entre la moyenne-haute Tyrrhénienne, la Ligurie et la Provence, pour les différentes étapes chrono-culturelles du Néolithique ancien. / Intense seafaring and cultural/commercial exchanges took place in the region among the Central-Northern Tyrrhenian sea, Liguria and Provence during the VI millennium BCE; these contributed to the neolithisation of the western Mediterranean and were intimately linked to the exploitation and circulation of raw materials, such as obsidian, chert and greenstone. Within this framework, the assessment of ceramic circulation paths is obviously central to understand the economic and cultural relations between different Neolithic groups.Exchanges and potential interactions between different groups were assessed by characterising raw materials used in pottery production, as well as their provenance and diffusion, in order to contribute to research on the early Neolithic in the above mentioned areas.The methodology was aimed at sourcing raw materials and defining technical choices in pottery production by petrographic analyses (stereo- and / or optical microscope) of ceramic samples from some key sites of the Impressa-Cardiale Ware techno-complex, and on their comparison with geo-resources and archaeological pottery data.Pottery production and circulation among the Tyrrhenian, Liguria and Provence areas, in distinct chrono-cultural stages of Early Neolithic, was defined upon the results of these analyses.

L'observation spatiale exige l’utilisation de systèmes à très haute résolution avec de grandes dimensions. La conception de ces systèmes implique la détection et associe des systèmes d'actuation pour assurer un positionnement très stable de composants optiques. Toutefois, les matériaux actuellement utilisés pour l’actionnement piézoélectrique (PZT) montrent des propriétés fortement diminuées à très basse température. Ce travail explore les performances de composés piézoélectriques PMN-xPT à des températures cryogéniques. La dépendance en température des céramiques PMN-xPT est comparée à la dépendance thermique de PZT dur (PZT-4) et doux (PZT5H) sous forme de céramiques de la température ambiante à 10 K. Les compositions en PMN-PT de structure quadratique présentent des constantes piézoélectriques stables dans la plage de température 250 - 100 K. Les plus hautes valeurs de constantes piézoélectriques sont observées pour le composé PMN-38PT dans la gamme de température 200 à 50 K. Toutes les céramiques présentent des performances décroissantes en fonction de la température. Ce comportement est attribué à un «freezing out» des contributions extrinsèques du phénomène de piézoélectricité, mais est également dû à une contribution d’effets quantiques. Le facteur de qualité mécanique (Qm) augmente très rapidement à partir de 50 K pour tous les composés. Ceci pourrait être dû à de faibles processus de relaxation à très basses températures. Les transducteurs acoustiques actuels fonctionnent avec des céramiques à base de plomb, et plus particulièrement avec des céramiques PZT. Ce matériau a de fortes propriétés électromécaniques. Cependant à cause de la toxicité du plomb, nous devons trouver des composés sans plomb afin de remplacer le PZT. Dans ce travail de recherche, un oxyde mixte synthétisé par voie classique, (K, Na, Li) (Nb, Ta, Sb) O3 sous forme de céramiques est étudié. Ce composé possède d’excellentes densités (98% dth) et de bonnes propriétés électromécaniques à température ambiante. L’étude de la texturation de ce composé montre que par la méthode de coulage en bande, nous pouvons obtenir une certaine orientation des céramiques (60%). / Space borne observation requires extremely high resolution systems with large dimensions. The design of such systems implies associating sensing and actuation systems to insure a highly stable positioning of optical components. However, the currently used PZT materials for piezoelectric actuation show strongly diminished strain at cryogenic temperatures. This work explores the performances of PMN-xPT piezoelectric materials at cryogenic temperatures. Temperature dependence of PMN-xPT ceramics is compared with hard PZT (PZT-4) and soft PZT (PZT5H) ceramics from RT to 10 K. PMN-PT tetragonal compositions exhibit stable piezoelectric constant in the 250-100 K range. The highest values of piezoelectric constant are observed for PMN-38PT in the 200-50 K range. All ceramics exhibit decreasing performances versus cooling temperature. This behaviour is attributed to a “freezing out” of extrinsic contributions to piezoelectricity [12] but is also due to a contribution of quantum effects [13, 14]. The mechanical quality factor (Qm) increases very quickly from 50 K to 10 K for all samples. This fact could be due to low relaxation processes at very low temperatures. Today acoustic transducers operate with lead-based ceramics, and more particularly lead–zirconate–titanate (PZT). This material is very powerful thanks to these high electromechanical properties. However cause of lead toxicity we have to find new materials without lead in order to replace PZT. In this paper, main guidelines to develop lead-free ceramics are given specially for acoustic transducer. A conventional mixed oxide and carbonate route to synthesis (K,Na,Li)(Nb,Ta,Sb)O3 lead-free ceramics is presented. Excellent density (98% dth) and good electromechanical properties were observed at room temperature.