Cette thèse de doctorat a pour cadre l'étude des mécanismes physiques qui régissent la propagation d'une fissure dans les verres d'oxydes et questionne notamment l'existence et la portée de mécanismes dissipatifs aux petites échelles. Pour ce faire, la propagation sous critique d'une fissure est pilotée par un chargement en géométrie Double Cleavage Drilled Compression sous environnement contrôlé. Elle fait alors l'objet d'analyses expérimentales in-situ et postmortem sur plus de six décades d'échelles de longueur (du nm au mm) par techniques optiques et microscopie à force atomique (AFM). Une analyse 2D/3D de l'échantillon est réalisée en mécanique linéaire élastique de la rupture pour pouvoir assurer le contrôle à toutes les échelles de l'essai mécanique et exploiter les résultats. L'effet mécanique du condensat capillaire observé par AFM en pointe de fissure est modélisé sur l'exemple du modèle de zone cohésive. Ceci permet d'évaluer la pression de Laplace négative du liquide confiné et d'expliquer le mécanisme de refermeture des fissures. Une technique de corrélation d'image (DIC) est utilisée sur des séries d'images AFM in-situ. Nous montrons que la solution élastique pour le champ de déplacement de surface est valable jusqu'à une distance de 10 nm de la pointe de la fissure. Une étude expérimentale prometteuse de fractoémission a permit l'accès à la taille de la zone d'endommagement nanométrique dans les verres fracturé en régime dynamique. Les fonctions de corrélations de hauteur le long d'images AFM de surfaces de rupture lente ont été analysées. Nous montrons que la longueur de coupure de l'ordre de quelques dizaines de nm, interprétée comme taille de zone d'endommagement, découle plus probablement de la taille finie de la sonde de balayage de l'AFM et qu'en accord avec la DIC, aucune zone d'endommagement de taille supérieure à 20 nm n'est observable. / The aim of this thesis is to study the physical mechanisms which govern crack propagation in oxide glasses and to investigate in particular the existence of dissipative mechanisms at small scales. The subcritical crack propagation is controlled by a loading cell on Double Cleavage Drilled Compression samples under controlled atmosphere. Postmortem and in-situ analysis are performed on more than six decades of length scales (from nm to mm) by optical techniques and atomic force microscopy (AFM). An 2D/3D analysis of this sample is realized according to linear elastic fracture mechanics in order to discuss the experimental results and to ensure the mechanical test control at all scales. The mechanical effect of capillary condensation observed by AFM at the crack tip is modelled according to a cohesive zone model. This allows evaluating the negative Laplace pressure in the liquid and explaining the crack closure mechanism in glass. A digital image correlation technique is used on series of consecutive AFM in-situ images. We show that the elastic solution for the surface displacement field is valid up to a distance of 10 nm from the crack tip. A promising experimental study of fractoemission allowed us to access the nanometric process zone size in glasses during dynamic fracture. The height correlation functions along the AFM images of fracture surfaces were analyzed. We show that the cutoff length, found close to few ten nm and preiously interpreted as the process zone size, is most probably due to the finite size of the AFM scanning probe and in agreement with the DIC, no process zone larger than 20 nm is observable.

L'objectif de ce travail est de comprendre l'influence des particules très fines sur le phénomène de ré-agglomération lors du broyage. Des billes de verre de taille 0 à 20 µm avec un pourcentage massique variant entre 0 à 1% sont ajoutées dans un tas granulaire de billes de verre de 200 à 300 µm dans un tambour tournant cylindrique de diamètre et longueur 10 cm. La présence des particules fines montre un effet ambivalent sur la stabilité du tas granulaire. Nous avons établi un diagramme de stabilité du milieu granulaire en fonction de la concentration de particules fines et cherché à quantifier l'effet des fines combiné avec d'autres paramètres (humidité relative et vitesse de rotation du tambour). La stabilité d'un tas granulaire dans un tambour tournant est déterminée par la mesure de son angle maximum de stabilité θm. Dans un premier temps, nous avons étudié l'évolution de cet angle à des vitesses de rotation différentes. Les expériences montrent qu'à faible concentration (< 0; 15%), le tas se déstabilise par avalanches lorsque le tambour tourne, θm diminue lorsqu'on augmente la quantité de fines. Quand la vitesse de rotation augmente, le mouvement du tas évolue du régime d'avalanche intermittent au régime d'écoulement continu. En revanche, lorsque la concentration des fines est supérieure à 0,15%, la déstabilisation du tas se traduit par un phénomène de stick-slip à la paroi du tambour, et la quantité de fines augmente la stabilité du tas. Ce comportement apparemment contradictoire est lié au fait que la localisation de la déstabilisation est modifiée. Dans le régime des faibles concentrations, les avalanches commencent à la surface du tas, et le remplissage de l'espace intermédiaire entre les grosses billes par les fines rend la surface de plus en plus lisse, ce qui déstabilise le tas. Par ailleurs, les fines induisent une augmentation de la cohésion du tas par la nucléation des ponts capillaires entre les grains. Ainsi, dans le régime des fortes concentrations, le tas granulaire se comporte comme un corps solide et la déstabilisation a lieu à l'interface tas-tambour. Nous avons également étudié l'influence de l'humidité relative sur la stabilité et montré que dans le régime de faible concentration de particules fines, la déstabilisation est indépendante de l'humidité. D'autre part dans le régime des hautes teneurs en fines, une humidité relative élevée induit une forte cohésion due à la condensation capillaire entre les grains et le tambour ce qui entraîne une augmentation de l'angle maximum de stabilité.

L'objectif de ce travail est de comprendre l'influence des particules très fines sur le phénomène de ré-agglomération lors du broyage. Des billes de verre de taille 0 à 20 µm avec un pourcentage massique variant entre 0 à 1% sont ajoutées dans un tas granulaire de billes de verre de 200 à 300 µm dans un tambour tournant cylindrique de diamètre et longueur 10 cm. La présence des particules fines montre un effet ambivalent sur la stabilité du tas granulaire. Nous avons établi un diagramme de stabilité du milieu granulaire en fonction de la concentration de particules fines et cherché à quantifier l'effet des fines combiné avec d'autres paramètres (humidité relative et vitesse de rotation du tambour). La stabilité d'un tas granulaire dans un tambour tournant est déterminée par la mesure de son angle maximum de stabilité θm. Dans un premier temps, nous avons étudié l'évolution de cet angle à des vitesses de rotation différentes. Les expériences montrent qu'à faible concentration (< 0; 15%), le tas se déstabilise par avalanches lorsque le tambour tourne, θm diminue lorsqu'on augmente la quantité de fines. Quand la vitesse de rotation augmente, le mouvement du tas évolue du régime d'avalanche intermittent au régime d'écoulement continu. En revanche, lorsque la concentration des fines est supérieure à 0,15%, la déstabilisation du tas se traduit par un phénomène de stick-slip à la paroi du tambour, et la quantité de fines augmente la stabilité du tas. Ce comportement apparemment contradictoire est lié au fait que la localisation de la déstabilisation est modifiée. Dans le régime des faibles concentrations, les avalanches commencent à la surface du tas, et le remplissage de l'espace intermédiaire entre les grosses billes par les fines rend la surface de plus en plus lisse, ce qui déstabilise le tas. Par ailleurs, les fines induisent une augmentation de la cohésion du tas par la nucléation des ponts capillaires entre les grains. Ainsi, dans le régime des fortes concentrations, le tas granulaire se comporte comme un corps solide et la déstabilisation a lieu à l'interface tas-tambour. Nous avons également étudié l'influence de l'humidité relative sur la stabilité et montré que dans le régime de faible concentration de particules fines, la déstabilisation est indépendante de l'humidité. D'autre part dans le régime des hautes teneurs en fines, une humidité relative élevée induit une forte cohésion due à la condensation capillaire entre les grains et le tambour ce qui entraîne une augmentation de l'angle maximum de stabilité. / The aim of this work is to understand the effect of very fine particles on the phenomenon of re-agglomeration in the grinding process. Various amount of fine glass beads of 0 to 20 µm (0 to 1% mass concentration) are added to a granular pile of glass beads of 200 to 300 µm rotated in a drum with inner diameter and length of 10 cm. The presence of fine particles shows an ambivalent effect on the stability of the granular heap. We established a stability diagram of the granular medium as a function of fine concentration and quantified the effect of fines combined with other parameters (relative humidity and rotation velocity). The stability of a granular heap in a rotating drum is determined by the measurement of the maximum angle of stability θm. Firstly, we studied the evolution of this angle with different rotation velocities. The experiments indicate that at low fine concentration (< 0:15%), the heap destabilizes through avalanches when the drum rotates, and increasing the fine quantity tends to decrease θm. When the rotation velocity increases, the granular medium transits from intermittent avalanche to continuous flow. In contrast, once the concentration is more than 0:15%, the destabilization of the heap proceeds through a stick-slip phenomenon at the drum wall, and the increase of the fraction of fines tends to increase the stability of the heap. This apparent contradictory behavior is linked to the modification of the destabilization location. In the small concentration regime, the avalanches start at the surface of the heap, and the filling of the interstitial space by the fine particles makes this surface smoother and smoother, thus destabilizing the heap. Besides, the fines induce, through the nucleation of capillary bridges between grains, an increase of the bulk cohesion of the heap. So in the large concentration regime, the heap behaves as a solid body and the destabilization occurs at its bottom. We also studied the influence of relative humidity on the granular stability in our experiment. We found out in the low fine concentration regime, the destabilization is independent of humidity. On the other hand, in the regime of high content of fines, high relative humidity induces a large cohesion due to the capillary condensation between the grains and the wall which induce the increase of the maximum stability angle.

Ce travail de thèse a porté sur la synthèse et la caractérisation de films minces de silice mésoporeuse. La synthèse de ces matériaux est basée sur l'auto-organisation de tensioactifs qui permettent de structurer à l'échelle nanométrique un squelette, constitué ici d'un gel de silice.<br />Les paramètres pertinents influençant la structuration des films minces ont été appréhendés. En particulier, des études in situ par réflectivité des rayons X et par Diffusion en incidence rasante des rayons X (Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering, GISAXS), ont permis de mettre en évidence le rôle prédominant de l'humidité relative. Des protocoles d'extraction par rinçage à l'éthanol ont été établis pour dégager efficacement les structures mésoporeuses sans les écraser.<br />Une méthode d'analyse de la porosité des films minces a ensuite été développée. Cette méthode est basée sur l'analyse quantitative des courbes de réflectivité par la méthode matricielle. Complémentée par l'analyse des clichés GISAXS, elle nous a permis de déterminer sur couche mince non seulement la porosité, la taille des pores et des murs mais aussi la surface spécifique et la distorsion des pores.<br />Les pores de ces films mésoporeux ont une dimension idéale pour y parfaire l'étude de la condensation capillaire de l'eau. Quand l'eau pénètre dans les pores, le contraste de densité électronique décroît fortement. Ainsi, les techniques de diffusion des rayons X (réflectivité et GISAXS) permettent de suivre les isothermes de condensation et de désorption de l'eau dans les pores. La distribution de taille des pores peut alors être obtenue. Les isothermes d'adsorption d'eau ont permis également d'estimer la porosité, mais aussi d'appréhender par le biais de l'équation de Laplace, les propriétés mécaniques des films en accédant à leur module d'Young. <br />Finalement nous avons conclu cette thèse par l'étude de la fonctionnalisation des films par divers groupements fonctionnels localisés à la surface des mésopores, dans l'optique de modifier leur hydrophilicité ou leur réactivité chimique.

L'angle d?avalanche d'un tas de billes de verre dans un cylindre est modifié en présence de<br />forces de cohésion. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps à l'étude de l'évolution lente,<br />ou «vieillissement», de l'angle d'avalanche avec l'âge du tas. Nous avons montré que l'augmentation logarithmique<br />du coefficient de friction effectif entre les billes dépend de l'humidité de l'atmosphère, ce<br />qui peut être expliqué quantitativement par une augmentation progressive de la force d'adhésion due à<br />la condensation de liquide entre les grains. Nous avons également mis en évidence d'autres paramètres<br />influençant le vieillissement : usure, position du tas au repos ; et observé des effets de vieillissement en<br />présence d'éthanol. Nous avons étudié en détail la métastabilité et les effets de nucléation de la condensation<br />capillaire. Nous avons calculé l'énergie d'activation pour condenser un pont liquide entre deux surfaces<br />parallèles parfaitement lisses. Cette énergie d'activation diverge quand la taille du confinement s'approche<br />de la distance critique de nucléation. Ainsi, l'énergie d?activation est très souvent très supérieure à l'énergie<br />d'agitation thermique. Nous avons ensuite montré qu'il est possible de faire un modèle de condensation<br />capillaire thermiquement activé entre les rugosités des billes qui rend compte de la dépendance temporelle<br />du vieillissement observé avec les billes de verre. Enfin, nous avons construit un appareil à forces de surface<br />qui permet d'étudier les interactions statiques et dynamiques entre les surfaces à l'échelle du rayon de Kelvin,<br />c'est à dire à l'échelle du nanomètre. Après avoir décrit le principe et les performances de cet appareil,<br />nous exposons des premiers résultats concernant la nanorhéologie de fluides simples en milieu confiné ainsi<br />que des mesures de la dépendance de la force d'adhésion entre des surfaces de verre par rapport à la force<br />normale et au temps de contact.

La condensation à l'équilibre dans les milieux poreux met en jeu l'adsorption et la condensation capillaire. La distribution des dimensions de pores détermine le rôle de chaque phénomène. Le spectre poreux du mortier est étudié par trois méthodes comparées: injection de mercure, sorption d'azote,condensation d'eau. Les transferts de masse isothermes résultent de la combinaison de la diffusion moléculaire et effusive de la vapeur et de l'écoulement visqueux du liquide, L'équilibre local peut-être satisfait ou non. Sur la base d'expériences d'imbibition à quatre températures, avec mesure gammamétrique de la teneur en eau, on analyse la nature des transferts dans le mortier. Le schéma de la superposition d'un flux diffusif de vapeur et d'un flux visqueux de liquide aboutit à certaines contradictions. Le coefficient de transfert expérimental peut être expliqué, aux faibles teneurs en eau, par la diffusion de vapeur dans les macropores interconnectés, et aux fortes teneurs en eau par l'écoulement visqueux du liquide dans des chemins composés de pores de toutes dimensions. Aux teneurs en eau moyennes, on propose un schéma où la phase gazeuse contient des ilots liquides intervenant par un mécanisme de condensation-évaporation avec équilibre local. Des expériences d'humidification du mortier au contact d'air humide ventilé font apparaître un transfert considérablement plus lent qu'en imbibition. La diffusion de vapeur vers le matériau ne suffit pas à expliquer le phénomène. On conclut que les îlots liquides, sièges ici uniquement de condensation, n'interviennent pas dans le transfert, assuré par la seule diffusion gazeuse. On propose en outre un schéma de transfert hors-équilibre comportant une loi gouvernant la vitesse de condensation.

Dans ce travail réalisé au Centre de Morphologie Mathématique and IFPEN, on s'intéresse à la microstructure et aux propriétés physiques d'alumines mésoporeuses. Il s'agit d'un supporte de catalyseur utilisés notamment dans les processus industriels de raffinage du pétrole. Fortement poreux, ce matériau est formé de ''plaquettes'' distribuées de manière désordonnée à l'échelle de la dizaine de nanomètres. Les propriétés de transport de masse du support de catalyseur sont fortement influencées par la morphologie de la microstructure poreuse. Ce travail porte sur la modélisation de la microstructure et des propriétés de transport des alumines mésoporeuses, à l'aide d'outils numériques et théoriques dérivés de l'analyse d'image et de la théorie des ensembles aléatoires. D'une part, on met en place des méthodes de caractérisation et de modélisation des microstructures, qui s'appuient sur, entre autre, des images obtenues par microscopie électronique en transmission (MET) et des courbes de porosimétrie azote. D'autre part, on utilise des méthodes d'homogénéisation numérique à champs complets par transformées de Fourier rapide (FFT).Dans un premier temps, le matériau est caractérisé expérimentalement par porosimétrie azote et résonance magnétique nucléaire à gradient de champ pulsé (RMN-GCP). Les images MET sont obtenus sur des échantillons d'épaisseur variable, filtrées et caractérisés par des fonctions de corrélation, notamment. Le bruit à haute fréquence issu de la membrane de carbone est identifié et pris en compte dans la modélisation de l'imagerie MET. À partir des images MET 2D, un modèle aléatoire à deux échelles est proposé pour représenter la microstructure 3D. Il prend en compte la forme des plaquettes d'alumines, leurs tailles, les effets d'alignement locaux et d'agrégation, qui sont identifiés numériquement. La procédure est validée à l'aide de comparaisons entre modèle et images expérimentales, en terme notamment de fonctions de corrélation et de surface spécifique, mesurées par porosimétrie azote.Dans un deuxième temps, une méthode de simulation des courbes d'isothermes de porosimétrie dans des milieux poreux périodiques ou aléatoires est développée. Basée sur des opérations morphologiques simples, elle étend un travail antérieur sur la porosimétrie au mercure. L'adsorption multicouche à basse pression est simulée à l'aide d'une dilatation tandis que les ménisques de l'interface vapeur-liquide intervenant pendant l'adsorption sont simulés à l'aide de fermetures de la phase solide par des éléments structurants sphériques. Pour simuler la désorption, une combinaison de fermetures et de bouchages de trou est utilisée. Le seuil de désorption est obtenu par une analyse de la percolation de la phase gazeuse. La méthode, d'abord validée sur des géométries simples, est comparée à des résultats antérieurs. Elle prédit une hystérésis et les distributions de pores associées à la porosimétrie. Nous l'appliquons aux modèles de microstructures 3D d'alumines mésoporeuses et proposons un modèle à trois échelles afin de rendre compte du seuil de pression pendant la désorption. En plus de la courbe de désorption, ce modèle reproduit les fonctions de corrélation mesurées sur les images MET.Dans un troisième temps, la diffusion de Fick, la perméabilité de Darcy, et les propriétés élastiques sont prédits à l'aide de calculs de champs complets par FFT sur des réalisations des modèles d'alumines mésoporeuses à deux et trois échelles. Les coefficients de diffusion effectifs et les facteurs de tortuosité sont prédits à partir de l'estimation du flux. Sont étudiés les effets de forme, d'alignement et d'agrégation des plaquettes sur les propriétés de diffusion à grande échelle. Les prédictions numériques sont validées au moyen des résultats expérimentaux obtenus par méthode RMN-GCP. / In a work made at Centre de Morphologie Mathématique and IFPEN, we study the microstructure and physical properties of mesoporous alumina. This is a catalyst carrier used in the petroleum refining industry. Highly porous, it contains disordered ''platelets'' at the nanoscale. The mass transport properties of the catalyst carrier are strongly influenced by the morphology of the porous microstructure. We focus on the modeling of the microstructure and of transport properties of mesoporous alumina, using numerical and theoretical tools derived from image analysis and random sets models. On the one hand, methods are developed to characterize and model the microstructure, by extracting and combining information from transmission electron microscope (TEM) images and nitrogen porosimetry curves, among others. On the other hand, the numerical homogenization relies on full-field Fourier transform computations (FFT).The material is first characterized experimentally by nitrogen porosimetry and pulse-field gradient nuclear magnetic resonance (PFG-NMR). TEM images, obtained on samples of various thicknesses are filtered and measured in terms of correlation function. The high-frequency noise caused by carbon membrane support is identified and integrated in the TEM image model. Based on the 2D TEM images, a two-scale random set model of 3D microstructure is developed. It takes into account the platelet shape, platelet size, local alignments and aggregations effects which are numerically identified. The procedure is validated by comparing the model and experimental images in terms of correlation function and specific surface area estimated by nitrogen porosimetry.Next, a procedure is proposed to simulate porosimetry isotherms in general porous media, including random microstructures. Based on simple morphological operations, it extends an earlier approach of mercury porosimetry. Multilayer adsorption at low pressure is simulated by a dilation operation whereas the menisci of the vapor-liquid interface occurring during adsorption are simulated by closing the solid phase with spherical structuring elements. To simulate desorption, a combination of closing and hole-filling operations is used. The desorption threshold is obtained from a percolation analysis of the gaseous phase. The method, validated first on simple geometries, is compared to previous results of the literature, allowing us to predict the hysteresis and pore size distribution associated to porosimetry. It is applied on 3D microstructures of mesoporous alumina. To account for the pressure threshold during desorption, we propose a refined three-scale model for mesoporous alumina, that reproduces the correlation function and the desorption branch of porosimetry isotherms.Finally, Fick diffusion, Darcy permeability, and elastic moduli are numerically predicted using the FFT method and the two-scale and three-scale models of mesoporous alumina. The hindering effects in diffusion are estimated by the Renkin's equation. The effective diffusion coefficients and the tortuosity factors are estimated from the flux field, taking into account hindering effects. The effects of platelet shape, alignment and aggregation on the diffusion property are studied. The numerical estimation is validated from experimental PFG-NMR results.