Cette thèse présente un travail d'élaboration et une étude structurale thermique et hygrométrique de phases Hydroxydes Doubles Lamellaire [Zn-Cr], [Zn-Al] et [Cu-Cr] intercalant des anions sulfate. Dans la première partie, nous avons optimisé les modes opératoires permettant de préparer ces composés en quantités notables et de façon reproductible. Deux variétés ont été obtenues. La première, caractérisée par une distance basale de 11 A° qui en fait un analogue du minéral shigaïte. La seconde variété, caractérisée par une distance basale de 8,9A° est obtenue par lavage à l'eau de la précédente. Par une synthèse menée dans des conditions originales, nous avons pu mettre en évidence que les HDL sulfate pouvaient intercaler des cations interlamellaires (Na+, Li+ , Mg2+, Ca2+ et Al3+). L'étude de l'évolution des domaines interfoliaire qui a montré un tassement important qui correspond au départ de l'eau interfoliaire et s'accompagne d'un changement de séquence d'empilement, soit par contrôle de la pression de vapeur d'eau à laquelle ils sont soumis. Cette étude permet de préciser les pressions auxquelles surviennent les transformations et d'établir leur réversibilité sous Ph2o croissante. L'étude gravimétrique conjointe est en bon accord avec les transformations structurales observées

Cette thèse est consacrée principalement à l'étude de deux problèmes, à savoir la conception optimale des drapages composites et l'analyse de sensibilité topologique élastostatique anisotrope. En ce qui concerne la conception des composites, nous considérons des structures de masse minimale soumises à des contraintes de raideur et flambage, où les variables de conception sont la forme de chaque pli et la séquence d'empilement. En effet, le drapage composite est constitué d'une collection de plis orthotropes dont les axes principaux peuvent prendre quatre orientations différentes: 0º , 90º , 45º , -45º. La manière dont ces orientations sont disposées dans le composite définit la séquence d'empilement. Le comportement physique du composite est modélisé par le système d'équations des plaques linéarisées de von Kármán. Afin d'optimiser les deux variables de conception, nous nous appuyons sur une technique de décomposition qui regroupe les contraintes dans une seule fonction qui dépend des formes de chaque pli uniquement. Grâce à cette approche, un problème équivalent d'optimisation à deux niveaux est établi de manière rigoureuse. Le premier niveau, aussi appelé inférieur, représente l'optimisation combinatoire de la séquence d'empilement tandis que le deuxième niveau, ou niveau supérieur, représente l'optimisation de la forme de chaque pli. Nous proposons ainsi pour le niveau inférieur une méthode combinatoire convexe, alors que pour le niveau supérieur une méthode des lignes de niveaux couplé à la notion du gradient de forme. Un cas test aéronautique est détaillé pour diverses contraintes, à savoir la compliance, le facteur de réserve et la première charge de flambement. Ensuite, nous étudions la dérivée topologique des fonctions coût qui dépendent de la déformation et du déplacement (en supposant un comportement du matériau élastique linéaire) dans un cadre 2D et 3D anisotrope général, c'est à dire où à la fois le milieu et l'inclusion peuvent avoir des propriétés élastiques arbitraires. Le développement asymptotique de la fonction coût par rapport à l'inclusion est mathématiquement justifié pour une large classe des critères et des procédures de calcul sont plus tard discutées à la vue de plusieurs exemples numériques 2D et 3D. Finalement, en dehors des sujets mentionnés précédemment, nous traitons en outre deux problèmes de conception optimale. Premièrement, nous considérons la meilleure répartition de plusieurs matériaux élastiques dans un domaine fixe, où l'interface peut être nette ou lisse. Afin d'optimiser à la fois la géométrie et la topologie du mélange, nous nous appuyons sur la méthode des lignes de niveau et la fonction distance signée pour la description des interfaces entre les différentes phases. Deuxièmement, dans le cadre de l'étude des dispositifs énergétiques complémentaires aux moteurs d'avions, nous cherchons à trouver la micro-structure optimale d'une pile à combustible micro-tubulaire par une technique d'homogénéisation inverse. Le motif périodique trouvé vise à maximiser la surface d'échange électrochimique soumis à une contrainte de perte de charge et une contrainte de perméabilité. L'agencement optimal liquide/solide découle de l'application de la méthode de lignes de niveau au problème de cellule correspondant.

La compacité des matériaux granulaires est une grandeur qui intéresse un grand nombre de secteurs, notamment les bétons hydrauliques. Lorsque les fractions granulaires ne possèdent pas des rapports de tailles infinis, deux interactions géométriques se développent : l’effet de paroi et l’effet de desserrement. La première peut se décrire ainsi : une grosse particule isolée constitue un « intrus » contre lequel viennent se ranger les petites particules, créant un supplément de vides à l’interface. La seconde se produit lorsque les petits grains sont insuffisamment fins pour se glisser entre les gros. Nous analysons comment elles sont prises en compte dans un certain nombre de modèles d’empilement en nous fixant finalement sur celui de de Larrard et al. : le modèle d’empilement compressible (MEC), l’un des plus efficaces. Dans celui-ci, les effets de paroi et de desserrement sont quantifiés par l’intermédiaire de deux coefficients dont les expressions sont obtenues par lissage de données expérimentales en fonction du rapport des diamètres fins/gros. Cependant, il n’existe aucune théorie pleinement satisfaisante permettant de les obtenir. Cette thèse vise à combler ce chaînon manquant. Nous avons conduit notre étude dans le cadre des empilements ordonnés et compacts de particules afin d’être en adéquation avec les hypothèses de constitution du MEC qui propose, comme préalable à l’obtention de la compacité réelle, la détermination d’une compacité virtuelle définie comme la compacité maximale susceptible d’être atteinte si l’on pouvait déposer, un à un, chaque grain à son emplacement idéal. Cette façon de procéder permet la création de cellules élémentaires juxtaposées. Dans ce cadre, l’interaction exercée par une espèce granulaire sur une autre de taille différente est menée à partir d’une étude localisée autour d’une particule « intruse » de la classe dominée, entourée de particules de la classe dominante. La simulation numérique apporte une confirmation de la validité du modèle. En plus de fournir des coefficients d’effets de paroi et de desserrement très proches de ceux prédits théoriquement, elle a permis l’étude d’empilements désordonnés de compacité maximale pour des billes bidispersées sans frottement dont les rapports de tailles valent 0,2 et 0,4. Le concept de « pressions partielles », qui tient compte à la fois des aspects géométrique et mécanique, a permis d’affiner la notion de classe dominante et de mieux appréhender la constitution du squelette porteur de l’édifice granulaire. En plus des zones constituées par les « fins dominants » et par les « gros dominants », il existe une zone mixte que nous avons dénommée « zone de synergie du squelette porteur » où les « pressions partielles » fines-grosses sont les plus importantes. En tenant compte de la nouvelle théorie développée pour les interactions géométriques, le modèle d’empilement compressible (MEC) subit une évolution et devient le MEC 4-paramètres, qui sont : les coefficients d’effet de paroi et d’effet de desserrement, le rapport de tailles de caverne critique et l’indice de compaction du mélange. Ce dernier ayant subi un nouvel étalonnage, le MEC 4-paramètres montre son efficacité quant à la prédiction de compacités sur mélanges binaires à partir de l’analyse de 780 résultats obtenus sur différents types de matériaux. Enfin, un modèle visant à prédire la viscosité d’une suspension concentrée de particules sphériques multidimensionnelles suspendues dans un fluide visqueux est présenté. Compatible avec la relation d’Einstein, il fait appel au concept de changement d’échelle de Farris et à une loi de viscosité de type Krieger-Dougherty. Lorsque la fraction volumique de solide atteint sa valeur critique, la suspension devient empilement et le mélange atteint la compacité du squelette solide déterminée par le MEC 4-paramètres / Packing density of granular materials is a quantity which interests many sectors, in particular hydraulic concrete. When two monodimensional grain classes have no very different sizes, two geometrical interactions develop : the wall effect and the loosening effect. The first one express the perturbation of the packing of the small grains at the interface between large and small grains. The second one occurs when small grains are not enough fine to insert into small cavities created by the touching larger grains. We analyze how they are taken into account in existing packing models. We select finally the compressible packing model (CPM) of de Larrard et al., one of the most effective. In this one, wall effect and loosening effect are quantified by two coefficients. They can, of course, be calculated from experimental results on binary mixtures, as a function of fine/coarse diameter ratios. However, there is no satisfactory theory allowing to calculate them. This doctoral thesis is done to fill this missing link. Ordered and very packed piles of particles are used as a reference frame to be in adequation with the CPM assumptions which require, before the calculation of the real packing density, the determination of a virtual packing density. The latter is defined as the maximum packing density attainable if each particle could be positioned in its ideal location. This approach allows the creation of elementary juxtaposed cells. In that context, the effect of a smaller grain (loosening effect) or a larger grain (wall effect) on the packed class is based on the study of a foreign sphere surrounded by dominant class neighbours. The numerical simulation confirms the validity of the model. In addition to predict wall effect and loosening effect coefficients close to those determined theoretically, numerical simulation was used to predict the solid fraction of maximally dense disordered packings of bidisperse spherical frictionless particles with 0,2 and 0,4 size ratios. The « partial pressures » concept, that includes both geometrical and mechanical aspects, allows to complete and improve the notion of dominant class and to better understand the build-up of the granular skeleton. In addition with « small grains packed » and « large grains packed » zones, the numerical simulation has highlighted a joint zone, called « synergism zone of the granular skeleton » where « partial pressures » fine-large particles are the most important. With this new theory developed for geometrical interactions, the compressible packing model (CPM) is evolving to the new 4-parameter CPM which are : the wall effect coefficient, the loosening effect coefficient, the critical cavity size ratio and the compaction index of the mixing, which requires a new recalibration. The 4-parameter CPM demonstrates its efficiency to predict the packing density of binary mixtures from the analysis of 780 results obtained on different types of materials. Finally, a model intended to predict the viscosity of a multimodal concentrated suspension with spherical particles suspended in a viscous fluid is presented. We resort to the iterative approach advocated by Farris and to a power-law relation (Krieger-Dougherty type) for the relative viscosity, compatible with the Einstein relation appropriate for a dilute suspension. When the solid volume fraction reaches its critical value, the suspension is jammed and the mixture reaches the packing density of the solid skeleton calculated with the 4-parameter CPM

La diffusion Compton inverse est l’interaction entre un photon et un électron de haute énergie. Il en résulte l’émission d’un nouveau photon d’énergie supérieure à celle du photon incident suivant la trajectoire de l’électron. Ces propriétés rendent possible la création d’une source de rayonnement X hautement directive, monochromatique accordable dans une large gamme spectrale. Il suffit d’accélérer les électrons sur quelques mètres pour leur faire gagner l’énergie minimale requise. Les photons proviennent d’une chaîne laser fortement amplifiée. Une telle source est donc relativement compacte, peu couteuse à mettre en oeuvre et facilement accessible aux utilisateurs. Elle est particulièrement adaptée aux besoins des musées ou des hôpitaux pour des applications comme l’analyse d’oeuvres historiques ou la radiothérapie. L’objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre une source de rayonnement X par diffusion Compton inverse en bout de ligne de l’accélérateur ELSA (Electrons et Laser, Sources X et applications). L’installation ELSA comprend un accélérateur linéaire d’électrons appartenant à la Direction des Applications Militaires du Commissariat à l’Energie Atomique à Bruyères-le-Châtel (CEA DAM). Le but est de produire des impulsions de rayonnement X ultra-courtes dans une gamme énergétique allant de 10 à 100 keV. Elle servira notamment à la caractérisation de détecteurs à réponse ultra-rapide développés à la DAM. Un système optique destiné à augmenter le flux de rayonnement X produit a été développé. Il consiste à replier la trajectoire du laser pour empiler les impulsions au point d’interaction. Dans le même but, une mise à niveau de l’installation à été réalisée afin d’augmenter l’énergie des électrons de 18 à 30 MeV. Les résultats expérimentaux ont enfin été comparés aux résultats obtenus à l’aide de simulations PIC 3D. / X-ray sources based on inverse Compton scattering process produce tunable near-monochromatic and highly directive X-rays. Recent advances in laser and accelerator technologies make the development of such very compact hard X-ray sources possible. These sources are particularly attractive in several applications such as medical imaging, cancer therapy or culture-heritage study, currently performed in size-limited infrastructures. The main objective of this thesis is the development of an inverse Compton scattering source on the ELSA linac of CEA at Bruyères-le-Châtel as a calibration tool for ultra-fast detectors.A non-resonant cavity was designed to multiply the number of emitted X-ray photons. The laser optical path is folded to pile-up laser pulses at the interaction point, thus increasing the interaction probability. Another way of optimizing the X-ray yield consists in increasing the electron bunch density at the interaction point, which is strongly dependent on the electron energy. A facility up-grade was performed to increase the electron energy up to 30 MeV. The X-ray output gain obtained thanks to this system was measured and compared with calculated expectations and 3D PIC simulations.

Le but du travail est d'étudier la structure supramoléculaire de mélanges de tensioactif hydrophile, n-octyl-beta-glucoside (C8G1), et d'un extractant d'ions métalliques hydrophobe, le tributyl-n-phosphate (TBP), en présence d'eau, d'huile et de sels. Les systèmes classiques d'extraction ionique (composés d'une phase aqueuse, d'huile et d'extractant dont le but est d'extraire un soluté de la phase polaire sont passés en revue. L'aspect colloïdal et les transitions de phases que l'on retrouve dans ces systèmes sont souvent décrits singulièrement. Nous avons transposé l'approche « diagramme de phases » issue de la physico-chimie des systèmes moléculaires organisés à ces systèmes d'extractant afin d'orienter globalement l'analyse de ces systèmes complexes. La discussion est basée sur des considérations géométriques. Un modèle thermodynamique a été développé en considérant les contraintes d'empilement des ces extractants dans le film moléculaire formant les micelles inverses d'extractant dans l'huile. Ce modèle a permis de prédire la solubilité de l'eau au sein de ces micelles inverses ainsi que leurs tailles obtenues expérimentalement. Dans une deuxième partie, le comportement physico-chimique des phases aqueuses et organiques composées respectivement d'eau/C8G1 et de TBP/huile/eau ont été étudiées, en s'intéressant particulièrement aux effets de sels, par des techniques de diffusion de rayons X aux petits angles, diffusion dynamique de la lumière et de spectroscopie UV-visible. Dans la dernière partie la description complète de la microémulsion en faisant varier la balance hydrophile-hydrophobe du mélange C8G1 et TBP a été obtenue en combinant des mesures de diffusion de neutrons aux petits angles et d'analyse chimique (Karl-Fischer, Carbone Organique Total, ICP-OES…). Le comportement co-surfactant du TBP a été déterminé par comparaison aux co-surfactants classiques que sont les n-alcools (4<n<8). Les compositions de films moléculaires mixtes de C8G1/TBP et de C8G1/n-hexanol, obtenues expérimentalement, ont été confirmées par un modèle basé sur des paramètres géométriques moléculaires. Nous avons tenté d'exploiter les propriétés interfaciales de ces molécules pour le contrôle des cinétiques d'extraction liquide-liquide d'ion et la séparation d'ion « sans solvant » par flottation. / The presented work describes the supramolecular structure of mixtures of a hydrophilic surfactant n-octyl-beta-glucoside (C8G1), and the hydrophobic metal ion extractant tributylphosphate (TBP) in n-dodecane/water as well as in the presence of salts.In the first part, basic solvent extraction system, composed of water, oil and extractant, will be introduced. The focus, however, lies on the extraction of multivalent metal ions from the aqueous phase. During this extraction process and in the following thermodynamic equilibrium, aggregation and phase transition in supramolecular assemblies occur, which are already described in literature. Notably, these reports rest on individual studies and specific conclusions, while a general concept is still missing. We therefore suggest the use of generalized phase diagrams to present the physico-chemical behaviour of (amphiphilic) extractant systems. These phase diagrams facilitated the development of a thermodynamic model based on molecular geometry and packing of the extractant molecules in the oil phase. As a result, we are now in the position to predict size and water content of extractant aggregates and, thus, verify the experimental results by calculation.Consequently, the second part presents a systematic study of the aqueous and organic phase of water/C8G1 and water/oil/TBP mixtures. The focus lies on understanding the interaction between metal ions and both amphiphilic molecules by means of small angle x-ray scattering (SAXS), dynamic light scattering (DLS) and UV-Vis spectroscopy. We confirmed the assumption that extraction of metal ions is driven by TBP, while C8G1 remains passive. In the third and last part, microemulsions of C8G1, TBP, water (and salt) and n-dodecane are characterized by small angle neutron scattering (SANS), and chemical analytics (Karl Fischer, total organic carbon, ICP-OES,...). The co-surfactant behaviour of TBP was highlighted by comparison to the classical n-alcohol (4<n<8) co-surfactants. The compositions of the C8G1/TBP and C8G1/n-hexanol interfacial mixed films obtained experimentally were confirmed by the prediction of a model based on the molecular geometrical parameters. We furthermore exploit the interfacial properties of these molecules to control the kinetics of liquid-liquid extraction and attempt a “solvent free” ion separation using flotation.

Afin de mieux comprendre les évolutions structurales mises en évidence dans les oxydes lamellaires de formule générale Li_1+x(Ni_0.425Mn_0.425Co_0.15)O₂ utilisés comme électrode positive pour batterie lithium-ion, la structure du composé Li₂MnO₃a été étudiée en détail.<br />Obtenu selon différentes voies de synthèses, réalisées à différentes températures, ce matériau qui peut être considéré comme un matériau model à fait l'objet d'une étude cristallographique où l'utilisation de la microscopie électronique a été privilégiée. Deux types de défauts ont été identifiés. D'une part, l'existence de fautes d'empilement au sein du matériau a été démontrée. Leurs conséquences sur les clichés de diffraction électronique et les diagrammes de diffraction des rayons-X ont étés expliquées permettant d'unifier les controverses présentent à ce sujet dans la littérature. D'autre part, l'étude de la stabilité thermique du composé Li₂MnO₃ a mis en évidence l'apparition de défauts de type « phase spinelle » en surface des grains lorsque la température de traitement thermique devient supérieure ou égale à 900°C. Le traitement du matériau par la voie acide a pu être étudié et le mécanisme de désintercalation chimique du lithium par la voie acide a finalement pu être précisé. Il est montré que ce mécanisme est le même quelle que soit la taille des particules.