Thèse--Méd.--Reims, 1973. N°: N° 37. / Les photogr. manquent. Bibliogr. ff. I-XVI.

La technologie de tissage 3D a été développée comme une réponse à la faible résistance au délaminage des structures de composite stratifiées en insérant des renforts fibreux dans l’épaisseur de la structure. Pourtant, cette technologie ne permet pas de positionner des fibres dans le plan autre que dans les directions à 0° et 90°. Cela implique de faibles résistances au cisaillement dans le plan. Pour cela une technologie de tissage 3D multiaxial a été développée permettant une insertion de fils dans d’autres orientations du plan. Dans cette thèse, une nouvelle technique dédié à produire des préformes 3D multiaxial tissées avec la possibilité de contrôler l’ordre des couches est présentée. Les paramètres des fils constitutifs et de la cellule unitaire des échantillons fabriqués sont mesurés avec l’investigation de la géométrie des fils (section et trajectoire) au sein de la structure. Associé à ces développements expérimentaux, un modèle géométrique, en tant qu’outil de conception permettant de décrire les préformes élaborées, a été développé. Cette modélisation géométrique permet de générer un VER, à l’échelle mésoscopique de la structure. Afin d’évaluer l’influence de ces préformes 3D sur les caractéristiques mécaniques, une chaîne numérique par éléments finis a été mise en place afin de calculer le comportement élastique équivalent. Les résultats sur les propriétés élastiques permettent de quantifier l’apport des fils dans le plan, comparativement aux structures 3D tissées. L’influence de l’ordre des couches dans l’épaisseur est également mis en évidence sur la minimisation des contraintes interlaminaires sur les dans le composite. / 3D weaving technology is developed in response to the poor delamination resistance of laminated composite structures by insertion through the thickness fiber reinforcements. However, this technology is limited relatively to a possibility to insert in-plane yarns oriented other than 0° and 90°. This results in reduction of the in-plane off axis tensile properties and the in-plane shear resistance. Therefore, 3D multiaxis weaving technology has been developed in order to enable this insertion. In the thesis, a novel technique able to produce 3D multiaxis woven preforms is presented with the possibility to control the sequencing of yarn layers. The constitutive yarns and unit cell parameters of the produced samples have been measured with investigation of yarns geometry (cross section shape and path) within the structure, by analyzing the captured micrographs for the samples cross section. Predictive geometrical model has been developed. This model is indispensable design tool providing approximate estimation of the geometrical properties of the dry preforms and composites. Moreover, a geometric modeling approach is improved helping to construct an RVE of this structure as accurate as possible based on the elaborated geometrical characterization. Based on the developed RVE, a mechanical modeling has been also improved and completed using the finite element method serving firstly, to evaluate the bias yarns effect on the elastic stiffness and in-plane off-axis properties in comparison with equivalent 3D orthogonal woven composite. Secondly, it helps to investigate the influence of the in-plane layers sequence on the induced interlaminare stresses at the composite free edges.

Les renforts fibreux secs utilisés dans les composites structuraux sont composés d'un arrangement de fils eux-même constitués de milliers de fibres. Etant données la complexe architecture multi-échelle et la faible cohésion entre leurs constituants, ils montrent des propriétés en traction de plusieurs ordres de grandeurs supérieurs à ceux en flexion. Dans ce contexte, ce travail porte sur l'étude de la traction et de la flexion de matériaux fibreux en tenant compte de leur réalité géométrique à l'échelle mésoscopique, à la fois expérimentalement et analytiquement. Les matériaux tissés, ayant une ondulation périodique, sont considérés. Une nouvelle méthodologie a été développée pour la modélisation du comportement de structures ondulées (avec une variable rapide) en re-projetant des forces, moments et déplacements sur l'axe neutre de la structure. Les solutions exactes des problèmes sur la traction et flexion d'une poutre sont obtenues. En parallèle, les tissus et fils extraits ont été testés en flexion et traction. Les rigidités des fils ont été extraites en couplant l'analyse d'image et une méthode inverse. En général les résultats expérimentaux ont démontré un lien entre l'ondulation de la structure et les propriétés résultantes. De plus, ils ont montré l'applicabilité de la méthode d'homogénéisation réalisée. Enfin, l'approche permet de poser et résoudre le problème d'optimisation de l'architecture fibreuse au travers de la géométrie des fils constitutifs. / Dry fiber reinforcements used in structural composites consist of arrangements of yarns themselves consisting of alignments of thousands of fibers. Due to the complex multi-scale architecture and low cohesion between their constituents, they exhibit tensile properties several orders of magnitude higher than the bending ones. This work aims at studying the tensile and bending behaviors of fibrous materials, taking into account their meso-scale architecture, both experimentally and analytically. Woven fabrics, owing a periodic and corrugated geometry of their inter-weaved yarns, are under consideration. A new methodology has been developed for the modeling of the stress-strain state of corrugated structures (with fastly variable parameters) re-projecting applied forces, moments, and displacements on the neutral axis of the structure. The exact solutions for the problems about tension and bending of a beam have been obtained. In parallel, fabrics and constituting yarns have been tested on a bending set-up based on the cantilever principle. Tensile tests have also been performed on yarns extracted from the considered fabrics. Tensile and bending properties of yarns have been identified from tests coupling image analysis and inverse method. In general, the experimental results have demonstrated the link between the structure with corrugated constituents and its mechanical response to loadings. Also, they have justified the applicability of the multi-scale homogenization method for the prediction of effective properties. Finally, the approach permits to set and to efficiently solve the problem of the optimal design of fibrous materials from the crimped constituents geometry.

Les médias fibreux nontissés sont des structures textiles très répandues dans le cadre de la filtration de l'air et plus particulièrement pour des particules fines de taille inférieure à 1 µm. Dans cette application, on recherche toujours un compromis entre l'efficacité de filtration (capture des particules) et la perte de charge (écoulement du fluide). Les caractéristiques structurelles des nontissés sont des facteurs primordiaux quant aux propriétés finales de filtration recherchées. L'approche est ici originale, car nous proposons de développer nos propres nontissés filtrants à l'aide d'outils de productions proches de l'industrie. Nous pouvons ainsi sélectionner des critères de structures (épaisseur, masse surfacique, type de fibres, diamètre des fibres etc.) adaptés aux propriétés de filtration de l'air que nous souhaitons étudier. Sur l'ensemble des caractéristiques structurelles étudiées nous avons montré que le paramètre le plus significatif sur les propriétés de filtration est le diamètre des fibres. Lorsqu'il diminue, nous augmentons l'efficacité mais au détriment de la perte de charge. L'expression de la longueur surfacique de fibres a été définie et est apparue comme un paramètre pertinent pour rendre compte des propriétés de filtration. Nous avons par ailleurs mis en évidence que la compacité augmentait fortement l'efficacité et la perte de charge. Notre étude sur des échantillons à base d'un mélange de diamètres de fibres montre que l'efficacité de filtration devait être assurée dans de tels mélanges par une longueur surfacique de fibres fines suffisante, alors que la quantité de fibres de diamètre plus élevé permet une structuration du média fibreux garantissant une perte de charge faible. La production de nanofibres par le procédé electrospinning nous a permis d'obtenir des échantillons avec des fibres de 250 nm de diamètre. L'amélioration du compromis efficacité/perte de charge observée est due à des nombres de Knudsen de fibres plus élevés que pour des échantillons microfibres. La modélisation des propriétés de filtration montre dans le cas d'échantillons idéalisés (fibres cylindriques, diamètre de l'ordre de 10 µm etc.) que la théorie est plutôt conforme avec les expérimentations. Cependant nous avons montré qu'en utilisant des mélanges de fibres ou des formes de section de fibres spéciales, ces modèles présentent certaines limites. Nous avons proposé des pistes avec notamment la prise en compte de nombreuses caractéristiques de la structure fibreuse afin d'obtenir des résultats plus proches des expérimentations.

Cette thèse traite de la simulation numérique de systèmes composés de nombreuxobjets distincts, et dont le principal mécanisme d'interaction consiste en des contacts inélastiques avec frottement solide.On trouve de nombreuses occurrences de tels systèmes dans la nature,par exemple sous la forme de sable ou d'une chevelure humaine ;aussi la reproduction numérique de leur dynamique trouve des applications diverses, allant de considérations géotechniques à la production d'effets spéciaux réalistes pour le cinéma.Une difficulté majeure pour la simulation de tels systèmes concerne la non-régularité de leur dynamique ; à une échelle de temps macroscopique, on observe par exemple des sauts dans les vitesses des constituants lors d'impacts.La première partie de ce manuscrit est ainsi dédiée à la conception d'algorithmes efficaces permettant de prendre en compte les contacts avec frottement de Coulomblors de la simulation de systèmes mécaniques discrets. La méthode que nous proposons, basée sur un algorithme de type Gauss--Seidel avec stratégie hybride, s'avèrerobuste et perfomante sur le problème délicat de la simulation virtuelle de chevelures.La second partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude de systèmes à une échelle beaucoup plus grande, au delà du million de grains. Puisque le calcul de toutes les forces de contacts pour chaque paire de grains s'avérerait trop coûteux, on adopte un point de vue macroscopique en utilisant le formalisme des milieux continus. On propose ainsi d'adapter les méthodes développées pour la simulation de systèmes discrets à la résolution de la rhéologie dite de Drucker--Prager, une relation entre la contrainte et le cisaillement du matériau exprimant l'influence moyennée des forces de frottement.On montre que cette approche nous permet de retrouver le comportement qualitatif de matériaux granulaires secs observé expérimentalement.Finalement, nous proposons un nouveau modèle numérique pour l'étudedes dynamiques couplées d'un matériau granulaire immergé dans un fluide Newtonien,et montrons une nouvelle fois que les algorithmes développés pour la mécanique discrètes'avèrent également pertinents dans le cas continu. / This dissertation focuses on the numerical simulation of mechanical systems consisting of a large number of discrete pieces interacting with each other through contacts and dry friction. Examples of such systems --- for instance, sand or human hair --- are common in natural environments; being able to predict their dynamics is therefore of great importance for diverse applications ranging from geotechnical considerations to engaging visual effects for feature films.A major difficulty that complicates the numerical simulation of such complex systems stems from the nonsmoothness of their dynamics. For instance, from a macroscopic viewpoint, the velocity of the individual constituents may exhibit instantaneous jumps when impacts occur.The first part of this manuscript will be dedicated to the establishment of efficient algorithms for the numerical simulation of discrete mechanical systems subject to contacts and Coulomb friction. We advocate using a Gauss--Seidel algorithm with a hybrid local solver, and show that this strategy performs robustly in the challenging context of virtual hair simulation.The second part of this dissertation will focus on much bigger systems, consisting of millions or billions of grains.As computing every force between pairs of contacting grains quickly becomes intractable, we embrace a continuum viewpoint instead. We show how the numerical methods devised for the simulation of discrete mechanical systems can be adapted to thesimulation of flows governed by the Drucker--Prager rheology --- a constitutive relationship between the material's stress and strain rate that macroscopically models the action of frictional contact forces. This approach allows us to capture qualitative features of granular flows that have been observed experimentally. Finally, we propose a new numerical model for the coupled simulation of a granular continuum with a surrounding fluid, and show that once again, we are able to leverage efficient algorithms from discrete contact mechanics to solve the resulting equations.

Ces travaux ont pour objet l’élaboration de nouvelles structures poreuses non tissées antibactériennes. Différentes stratégies ont été développées : l’une a consisté à élaborer des mats poreux par electrospinning en utilisant un polymère biosourcé et biocompatible et l’autre voie consistait à modifier un support fibreux provenant d’un masque de protection respiratoire commercial. La méthode des assemblages par interactions ioniques en superposant de façon alternative les couches de polymères cationiques et les polymères anioniques à la surface du filtre médian en polypropylène (PP) a permis d’élaborer de nouvelles structures ayant de bonnes propriétés antioxydantes et antibactériennes. Le polymère anionique, dérivé du polymère de cyclodextrine présente l’avantage de pouvoir encapsuler un agent antimicrobien biosourcé, le carvacrol. Une autre approche a consisté à modifier des supports en PP avec de l'acide tannique, un polyphénol d'origine naturelle. Dans cette étude, deux stratégies ont été mises en place afin de fonctionnaliser le PP avec de l’acide tannique (AT). La première est l’extrusion réactive du PP avec l’AT en présence (ou non) de peroxyde de dicumyle (DCP) pour greffer directement l’acide tannique sur le PP. La deuxième stratégie consiste à polymériser l’AT au travers d’une couche poreuse de PP extraite d’un masque de protection commercial, afin de permettre l’immobilisation physique de l’AT à la surface du mat fibreux en PP. Le greffage en surface via un procédé “grafting from” a également été étudié. Ces matériaux ont montré de bonnes propriétés antiradicalaires. / The purpose of this work is to develop new antibacterial non-woven porous structures. Different strategies were developed: one was to develop porous structures by electrospinning using a biosourced and biocompatible polymer, the other was to modify a fibrous support from a commercial respiratory protection mask. Assembling materials using ionic interactions by alternatively superposing cationic polymer layers and anionic polymers on the surface of the polypropylene (PP) median filter allowed to develop new structures with good antioxidant and antibacterial properties. The anionic polymer, derived from the cyclodextrin polymer, has the advantage of being able to encapsulate a bio-based antimicrobial agent, carvacrol. Another approach was to modify PP filters with tannic acid, a naturally occurring polyphenol. In this study, two strategies were implemented to functionalize PP with tannic acid (TA). The first is the reactive extrusion of PP with TA in the presence (or not) of dicumyl peroxide (DCP) to directly graft tannic acid onto PP. The second strategy consists in polymerizing the TA through a porous layer of PP extracted from a commercial mask, in order to allow the physical immobilization of the TA on the surface of the PP fibrous mat. Surface grafting using a "grafting from" process was also studied. These materials have shown good anti-free radical properties.

La qualité microbienne de l'air intérieur représente un enjeu sanitaire important, notamment dans le secteur professionnel. Ces travaux de thèse ont permis d'étudier les conditions favorisant le développement des espèces microbiennes collectées sur des médias fibreux utilisés dans des CTA, ainsi que leur réentrainement an aval de la filtration, susceptible de dégrader la qualité de l'air. La première partie de l'étude s'est déroulée en laboratoire à partir de la filtration d'un consortium bactérien - fongique composé de Staphylococcus epidermidis et Penicillium oxalicum. L'influence de trois paramètres a été étudiée sur la croissance microbienne : le taux d'humidité relative (HR) de l'air, la nature du média fibreux, la présence/absence de flux d'air. Les résultats ont révélé notamment que quelles que soient les conditions,S. epidermidis n'arrive pas à croître. En revanche, lorsque l'HR de l'air approche 100%, P. oxalicum se développe sur les filtres et des spores sont relarguées en aval des filtres après une reprise de la filtration. Une seconde partie de l'étude a consisté à travailler avec un aérosol atmosphérique semi urbain. Deux unités de filtration d'air ont fonctionné pendant 5 mois en parallèle. La ventilation d'une des deux unités a été stoppée chaque week-end et redémarrée en début de semaine. Un suivi de la température, de l'humidité de l'air, de la perte de charge des filtres et de la concentration des particules totales dans l'air en amont de la filtration a été assuré tout au long de l'étude. Les concentrations en microorganismes cultivables ont été mesurées chaque semaine en amont et en aval de chaque filtre, notamment au redémarrage de la ventilation. En fonction des variations saisonnières de la concentration des microorganismes, les résultats ont montré en particulier des efficacités de filtration vis-à-vis des particules bactériennes faibles, voire négatives, dans l'unité de filtration fonctionnant en continu.

Les matériaux architecturés font émerger de nouvelles possibilités en termes de propriétés structurales et fonctionnelles, repoussant ainsi les limites des cartes d'Ashby. Le terme "matériaux architecturés" inclus toute microstructure conçue de façon astucieuse, de sorte que certaines de ses propriétés soient optimisées. Les exemples sont nombreux : composites fibreux et particulaires, matériaux cellulaires, structures sandwiches, matériaux tissés, structures treillis, etc. Un enjeu de taille pour l'emploi de tels matériaux est la prédiction de leurs propriétés effectives. Dans ce travail, deux types de microstructures sont considérées : des structures auxétiques périodiques et des milieux fibreux aléatoires. Les auxétiques sont des matériaux apparus au milieu des années 1980, présentant un coefficient de Poisson négatif. On attend des auxétiques qu'ils présentent des propriétés mécaniques améliorées, comme le module de cisaillement ou la résistance à l'indentation. Les milieux fibreux aléatoires considérés dans ce travail sont constitués de fibres 3D infinies interpénétrantes aléatoirement distribuées et orientées. Ce type de structure aléatoire est très défavorable à la détermination d'une taille de volume élémentaire statistiquement représentatif. Pour les deux types de matériaux, l'homogénéisation numérique à l'aide de la méthode des éléments finis est implémentée dans le but d'estimer les propriétés thermiques et mécaniques effectives.

Le mot “asbeste” (incombustible) est utilisé pour indiquer un groupe de silicate à habitus fibreux, appartenant aux familles des serpentines et des amphiboles. Selon la législation italienne (D.L. 15/08/91), les six silicates fibreux définis comme asbeste sont: le chrysotile, l'amosite et la crocidolite (variétés fibreuses de la grunérite et de la riébeckite), l'anthophyllite, la trémolite et l'actinolite. Ces minéraux sont constitués de fibres incombustibles, chimiquement stables, inertes et flexibles. A cause de leurs propriétés chimiques et physiques, les asbestes ont été considérés comme les plus importants matériaux inorganiques en vue d'applications industrielles et technologiques. À la fin des années 50, on découvrit la corrélation entre l'exposition à l'asbeste et le développement du mésotéliome pleural et du carcinome. Depuis quelques décennies, le risque asbeste n'est pas considéré comme seulement confiné au cadre professionnel, mais également en tant que risque potentiel pour l'environnement. Par conséquent, l'actuelle législation impose des lois sévères pour la réglementation de l'utilisation des roches et des sols potentiellement porteurs d'asbestes. <br />Le caractère pathogène des fibres d'asbeste est associé aux facteurs suivants : i) faciès fibreux (un minéral est défini comme fibreux si le rapport longueur/diamètre est plus grand de 3 :1) ; ii) facteurs chimiques et minéralogiques (types de fibre, composition chimique, réactivité de surface) ; iii) la bio persistance. Ces facteurs sont interconnectés car les dimensions de la fibre influencent sa réactivité superficielle, la composition de la fibre contrôle sa bio persistance et la bio persistance est aussi associée au faciès de la fibre. <br />Dans les Alpes Occidentales, les minéraux fibreux sont concentrés dans la Zone Piémontaise des Schistes Lustrès à méta-ophiolites. Cette étude fait partie d'une projet multidisciplinaire intitulé « Le risque asbeste dans les Alpes Occidentales », visé à l'étude de la présence, du risque et de la possible inactivation des minéraux fibreux dans les Alpes Occidentales. Ce projet, financé par l'Assessorato all'Ambiente de la Regione Piemonte, a été coordonné par le Centro Interdipartimentale « G. Scansetti » de l'Université de Torino. Cette étude se fonde sur les questions suivantes : i) Quels sont les minéraux fibreux dans les vallées de Susa et de Lanzo ? ii) Où ces minéraux sont-ils concentrés ? Quelles conditions génétiques contrôlent leur croissance ? iii) Quel est le pourcentage les minéraux fibreux dans les serpentines? Sur la base de ces questions, cette thèse a été organisée en six chapitres :<br />•Chapitre 1 – Les six minéraux fibreux définis comme asbeste sont présentés et leur potentiel pathogène est discuté.<br />•Chapitre 2 – La Zone Piémontaise des Schistes Lustrés à méta-ophiolites est décrite brièvement.<br />•Chapitre 3 – Ce chapitre traite de la caractérisation minéralogique et chimique des minéraux fibreux reconnus dans les serpentinites étudiées, c'est-à-dire des minéraux du groupe des serpentines (chrysotile et lizardite), la balangéroïte, le diopside, la trémolite et la carlosturanite. Pour chacun de ces minéraux sont présentées la structure cristallographique, les propriétés optiques, la composition chimique et les propriétés vibrationnelles (Μ-Raman et FTIR).<br />•Chapitre 4 – Ce chapitre traite de l'étude pétrologique des serpentinites des vallées de Susa et de Lanzo, réalisée par microscopie optique et électronique, et spectroscopie Μ-Raman. Dans la première partie, les mécanismes de la serpentinisation sont présentés et les microstructures des serpentinites sont décrits en détail. Dans la deuxième partie, les cinq générations de veines métamorphiques reconnues dans les serpentines sont décrites en détail et des modes de formation sont proposés. La trajectoire P-T estimée pour les serpentinites, sur la base des observations microstructurales et des données thermobarométriques, est discutée à la lumière des diagrammes Μ(Ca2+/Mg2+)-Μ(SiO2) et P-T, calculés grâce à la technique des pseudosections.<br />•Chapitre 5 – Ce chapitre traite du problème de la détermination quantitative des minéraux fibreux dans les roches. Dans la première partie, les techniques traditionnelles pour la détermination quantitative de l'asbeste dans le matériel solide sont présentées. Dans la deuxième partie, deux nouvelles techniques sont décrites en détail. La première est basée sur la spectroscopie FTIR appliquée à une mélange de antigorite + chrysotile. La deuxième sur l'analyse des images SEM (BSE) associée à la spectroscopie micro-Raman.<br />•Chapitre 6 – Il s'agit du chapitre de conclusion, où sont brièvement discutés les résultats, les questions encore ouvertes et les perspectives futures de ce travail.

L’utilisation des matériaux constitués de fibres synthétique ou naturelle est en pleine expansion et concerne de nombreux secteurs : industrie automobile, aéronautique, électrique, filtration de l’air ou applications médicales. Malgré des procédés de fabrication et des natures de fibres différents, ces matériaux ont pour point commun d’être constitués d’un réseau de fibres liées entre elles par des liaisons. Les papiers et les cartons sont, par exemple, constitués de fibres de cellulose naturelles liées chimiquement. A l’heure actuelle, les mécanismes de fissuration dans de tels milieux sont encore mal compris. Ils dépendent fortement (a) des propriétés des constituants : géométrie et propriétés mécaniques des fibres et des contacts fibre-fibre, (b) des caractéristiques des réseaux fibreux : géométrie et arrangement des fibres, et des caractéristiques du réseau poreux induit : porosité, distribution de taille des pores, répartition spatiale des pores, etc. et (c) des modes de sollicitations mécaniques. Dans ce type de matériaux, les effets d’échelles doivent être pris en compte pour compléter les approches mécaniques traditionnelles. Les récents progrès en mécanique expérimentale et en simulation numérique permettent de mener une telle étude de l’échelle de la fibre à celle du réseau fibreux.Cette thèse a donc pour but de mettre en place des outils d’analyse des microstructures et des mécanismes de fissuration dans les milieux fibreux à faible densité. Pour cela, (i) des essais de micromécaniques seront couplés à des méthodes d’imagerie (ESEM, microtomographie à rayons X, stéréocorrélation) afin de caractériser expérimentalement les milieux et leur endommagement (ii) Cette étude vient compléter les travaux expérimentaux menés dans les deux laboratoires 3SR et LGP2 (ANR ANAFIB http://anafib.hmg.inpg.fr/spip.php?rubrique1) et sera complétée par des simulations numériques des essais réalisés en collaboration avec Per Isaksson de l’Université d’Uppsala (Suède). / Materials made up of synthetic or natural fibres are increasingly developed in various domains: papermaking, composite, automotive and aeronautic industries for structural, packaging, air filtration or medical applications. Despite the variety of manufacturing processes of such materials, all of them can be considered as being formed by a network of fibres interconnected via bonds. For instance, in the case of materials made up of natural cellulosic fibres such as papers or boards, fibres are chemically linked.Crack propagation phenomena in such materials remain poorly understood even though it can be presumed that such mechanisms depend on:- (i) the geometrical and mechanical properties of the constituents of individual fibres and fibre-fibre bonds,- (ii) the architecture of the fibrous network, for example the spatial distributions of fibres, bonds and pores and the size distributions of pores and bonds,- (iii) the applied mechanical loadings.In such materials, scale effects must be investigated in order to improve the classical approaches used to understand crack propagation mechanisms. Recent progresses in both experimental mechanics and numerical simulation approaches allow such a study from the fibre scale up to the fibre network scale to be carried out.The proposed PhD aims first at developing an original experimental approach to analyse microstructure changes and crack propagation phenomena for low density papers. For that purpose x-ray microtomography or ESEM, and stereo-correlation experiments will be carried out to investigate microstructural changes and deformation mechanisms at all relevant scales (see the illustration given in ).