Thermoplastic composites that have been reinforced by thermotropic liquid crystalline (TLCP) fibrils in the microscale and by nanoparticles in the nanoscale are defined as multi-scale wholly thermoplastic composites (WTCs). Multi-scale WTCs have been proposed as lightweight replacements with high performance for some traditional glass fiber (GF) and carbon fiber (CF) reinforced composites materials in various applications. TLCPs are known for performing mechanical properties similar to those of the lower end of CF but significantly better than those of GF. To enhance the mechanical properties of TLPC reinforced WTCs, carbon nanotubes (CNTs) are considered being used as a secondary enhancement in WTCs. CNTs have gathered significant interest in the last 30 years because of their high aspect ratio, high mechanical properties, and other high-performance properties. The focus of this work is on investigating the processing conditions of generating in situ injection-molded multi-scale WTCs, then extending the technology to dual-extrusion and fused filament fabrication (FFF) and obtain high-performance multi-scale WTC products. This dissertation initially focused on investigating the processing conditions, in particular mixing histories and processing temperature profiles, of generating in situ injection-molded multi-scale WTCs, which consist of a representative TLCP, scCO2 aided exfoliated CNTs, and the thermoplastic matrix polyamide 6 (PA 6). The supercooling behavior of the TLCP and thermal stability of PA 6 are studied by applying the rheological methods of small amplitude oscillatory shear (SAOS). Multiple mixing histories with CNTs and processing temperature profiles are analyzed based on the criterion of maximizing tensile properties of multi-scale WTCs and minimizing thermal degradation of the matrix. Under the optimum processing conditions, the in situ injection-molded multi-scale WTCs exhibit a 26% and 34% tensile modulus and strength enhancement, compared to the in situ injection-molded WTCs with no CNTs. Scanning electron micrograph (SEM) images were used to understand the enhancement. The second part of this work is to extend the scCO2 aided in situ multi-scale WTCs processing technology to dual-extrusion and FFF. Multi-scale WTC filaments, which consists of TLCP, CNTs, and polyamide copolymer (PAc), are generated by dual-extrusion, and 3D printed into rectangular specimens in FFF. The 1 wt% CNTs reinforced multi-scale WTC filaments generated by the means of dual-extrusion exhibit 225% and 80% improvement in tensile modulus and strength, respectively, compared to the WTC filaments with no CNTs. In FFF, 40 wt% TLCP/1 wt% CNT/PAc 3D printed specimens with filament laid in longitudinal direction exhibited excellent tensile modulus and strength of 38.92 GPa and 127.16 MPa, respectively. The well-dispersed exfoliated CNTs show high alignment with TLCP microfibrils in the multi-scale WTC filaments and their laid-down specimens, which causes the significant tensile modulus enhancement. Bridging elements are discovered between TLCP fibrils and PAc matrix to improve interfacial adhesion, which is attributed to the well-dispersed exfoliated CNTs. Finally, the significant improvements in tensile properties attributed to scCO2 aided exfoliated CNTs in WTCs are verified on the multi-scale WTCs based on polypropylene (PP). Moreover, additional tensile properties improvements for exfoliated CNTs reinforced multi-scale WTCs are obtained with the use of maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP). With 1 wt% CNTs and 16 wt% MAPP dual reinforcement, 20 wt% TLCP reinforced WTCs based on polypropylene (PP) exhibit 265%, 274%, and 182% improvement in the tensile modulus of the filaments, laid up specimens in the concentric pattern and laid up specimens in ±45° rectilinear pattern, respectively. The dual reinforcement also improves the tensile strength of 20 wt% TLCP reinforced WTC filaments by up to 73%. The high alignment between TLCP fibrils and CNTs are confirmed in the multi-scale WTCs based on PP. Besides the bridging elements attributed to CNTs found in the second part of this work, SEM images show that CNTs are partially trapped in TLCP fibrils. / Doctor of Philosophy / Considering the need for environmentally friendly materials, novel thermoplastic composites with high mechanical performance, lightweight, and potentially high recyclability properties were generated in this work. Two types of thermoplastic matrices, polyamide (PA or nylon) and polypropylene (PP) were reinforced with carbon nanotubes (CNTs) and rigid chain polymers known as thermotropic liquid crystalline polymers (TLCPs). CNTs are known for their high mechanical properties and high aspect ratio, which are helpful to reinforce thermoplastic composite materials. During injection molding and the dual-extrusion processes, TLCPs deform into almost continuous microfibrils and reinforce the thermoplastic matrices. Instead of using traditional glass fibers or carbon fibers to reinforce thermoplastics, TLCP reinforced thermoplastic composites, which are defined as wholly thermoplastic composites (WTCs), can retain their mechanical properties during the recycling process such as in injection molding and have better performance during the lay-down process in fused filament fabrication. The goal of this work was to generate CNTs reinforced WTCs for use in injection molding and fused filament fabrication with high mechanical performance. In the injection molding process for generating CNTs reinforced WTC end-gated plaques, it was determined that the optimum thermal mixing histories for the CNTs could be identified by the inspections of the tensile property measurements and scanning electron microscopy (SEM). With the obtained optimum thermal mixing histories with CNTs, CNTs reinforced WTC filaments were generated by dual extrusion technology and used in fused filament fabrication. With 1 wt% addition of CNTs, the tensile properties of WTCs were significantly enhanced in both the filament materials and the laid-down parts. Especially, the CNT reinforced WTC filaments based on nylon matrices exhibited competitive tensile moduli to long carbon fiber reinforced nylon composite filaments, which was also competitive to the properties of aluminum alloys. In addition, the laid-down parts of CNTs reinforced WTC based on PP presented further tensile strength improvement due to the improved interfacial adhesion between the laid-down filaments and between layers, which was attributed to the addition of maleic anhydride grafted polypropylene.

La filamentation du laser femtoseconde provient d'un équilibre dynamique entre l’autofocalisation Kerr et la défocalisation par le plasma autogénéré produit de l’ionisation multiphotonique/tunnel des molécules dans l'air. Ce phénomène a attiré beaucoup d’attention des scientifiques telles que la télédétection de polluants atmosphériques et l'identification moléculaire par l'alignement des molécules. Cependant, il y a une multitude de processus non linéaires lors de la filamentation. Quant à l'application, il est important d'avoir une compréhension des mécanismes physiques présents lors de la filamentation induite par l’optique non linéaire. Étant donné de nombreux de phénomènes et d’applications de la filamentation, cette thèse se concentre sur une partie de ces aspects. Ceux-ci sont la rotation de la polarisation laser dans les gaz atomiques/moléculaires, le processus d’émission laser des molécules d'eau dans l'étalonnage air, lde l'humidité à travers la spectroscopie induite par un filament, ainsi que le renforcement de la fluorescence par un réseau de diffraction de plasma. La rotation de la polarisation laser d'une sonde polarisée initialement linéaire a été étudié dans les gaz atomiques/moléculaires. Dans les gaz atomiques, la biréfringence ultrarapide induite par l’effet Kerr a été mesurée quantitativement. Dans les gaz moléculaires, la biréfringence et les états de polarisation de la production de la sonde ont été modulés à la renaissance rotationnelle de la molécule. Également, nous avons étudié expérimentalement la fluorescence induite par filament à partir des fragments dissociés dans l'air. Les émissions de fluorescence des radicaux libres OH à 308.9 nm et NH à 336.0 nm ont été observés dans l'air. La fluorescence rétrodiffusée par le groupement OH et le groupement NH présentait une augmentation exponentielle accompagnant l'augmentation de la longueur du filament qui indique l’existence de l'émission spontanée amplifiée (ASE). En plus, on étudie la spectroscopie de fluorescence induite par filament à partir du réseau de diffraction pour le plasma. Le réseau de diffraction pour le plasma a été généré par des filaments non colinéaires qui se superposés et synchronisés temporellement dans l'air. Une série de spectres des fragments excités du CN a été observée. L’intensité de fluorescence du radical CN en utilisant un réseau de diffraction par le plasma est beaucoup plus forte que celle utilisant des filaments séparés temporellement. / Femtosecond laser filamentation, which originates from a dynamic equilibrium between Kerr self-focusing and defocusing by the self-generated plasma produced by multiphoton/tunnel ionization of air molecules, has attracted a lot of scientific applications such as remote sensing of atmospheric pollutants, molecular identification by the alignment of molecules, etc. However, there are many nonlinear processes taking place during filamentation. From the application point of view, it is important to have a good understanding of the detailed physics behind filamentation induced nonlinear optics. Since there are many nonlinear phenomena and applications for filamentation, the thesis only focuses on few aspects of filamentation. Those are: the polarization rotation in atomic/molecular gases, the lasing action of water molecules in air, the humidity calibration through the filament-induced spectroscopy, as well as the fluorescence enhancement by plasma grating. The polarization rotation of an initially linearly polarized probe pulse was studied in atomic/molecular gases. In atomic gases, the ultrafast birefringence induced by Kerr effect was quantitatively measured. In molecular gases, the birefringence and the polarization states of the output probe were modulated at the rotational revival of molecule. We also experimentally investigate the filament-induced fluorescence from the dissociated fragments in air. Fluorescence emissions from OH free radicals at 308.9 nm and NH free radicals at 336.0 nm were observed in air. The backscattered fluorescence from both OH and NH exhibited an exponential increase with increasing filament length, indicating amplified spontaneous emission. We have further investigated the filament-induced fluorescence spectroscopy from a plasma grating. The plasma grating was generated by non-collinearly overlapping temporally synchronized filaments in air. A series of spectral lines from the excited fragments of CN was observed. The fluorescence intensity from CN radicals in plasma grating was much stronger as compared to the case of temporally separated filaments.

Aktive Filament-Systeme, wie zum Beispiel das Zellskelett, sind Beispiele einer interessanten Klasse neuartiger Materialien, die eine wichtige Rolle in der belebten Natur spielen. Viele wichtige Prozesse in lebenden Zellen wie zum Beispiel die Zellbewegung oder Zellteilung basieren auf dem Zellskelett. Das Zellskelett besteht aus Protein-Filamenten, molekularen Motoren und einer großen Zahl weiterer Proteine, die an die Filamente binden und diese zu einem Netz verbinden können. Die Filamente selber sind semifexible Polymere, typischerweise einige Mikrometer lang und bestehen aus einigen hundert bis tausend Untereinheiten, typischerweise Mono- oder Dimeren. Die Filamente sind strukturell polar, d.h. sie haben eine definierte Richtung, ähnlich einer Ratsche. Diese Polarität begründet unterschiedliche Polymerisierungs- und Depolymerisierungs-Eigenschaften der beiden Filamentenden und legt außerdem die Bewegungsrichtung molekularer Motoren fest. Die Polymerisation von Filamenten sowie Krafterzeugung und Bewegung molekularer Motoren sind aktive Prozesse, die kontinuierlich chemische Energie benötigen. Das Zellskelett ist somit ein aktives Gel, das sich fern vom thermodynamischen Gleichgewicht befindet. In dieser Arbeit präsentieren wir Beschreibungen solcher aktiven Filament-Systeme und wenden sie auf Strukturen an, die eine ähnliche Geometrie wie zellulare Strukturen haben. Beispiele solcher zellularer Strukturen sind Spannungsfasern, kontraktile Ringe oder mitotische Spindeln. Spannungsfasern sind für die Zellbewegung essentiell; sie können kontrahieren und so die Zelle vorwärts bewegen. Die mitotische Spindel trennt Kopien der Erbsubstanz DNS vor der eigentlichen Zellteilung. Der kontraktile Ring schließlich trennt die Zelle am Ende der Zellteilung. In unserer Theorie konzentrieren wir uns auf den Einfluß der Polymerisierung und Depolymerisierung von Filamenten auf die Dynamik dieser Strukturen. Wir zeigen, dass der kontinuierliche Umschlag (d.h. fortwährende Polymerisierung und Depolymerisierung) von Filamenten unabdingbar ist für die kontraktion eines Rings mit konstanter Geschwindigkeit, so wie in Experimenten mit Hefezellen beobachtet. Mit Hilfe einer mikroskopisch motivierten Beschreibung zeigen wir, wie "filament treadmilling", also Filament Polymerisierung an einem Ende mit der gleichen Rate wie Depolymerisierung am anderen Ende, zur Spannung in Filament Bündeln und Ringen beitragen kann. Ein zentrales Ergebnis ist, dass die Depolymerisierung von Filamenten in Anwesenheit von filamentverbindenden Proteinen das Zusammenziehen dieser Bündel sogar in Abwesenheit molekulare Motoren herbeiführen kann. Ferner entwickeln wir eine generische Kontinuumsbeschreibung aktiver Filament-Systeme, die ausschließlich auf Symmetrien der Systeme beruht und von mikroskopischen Details unabhängig ist. Diese Theorie erlaubt uns eine komplementäre Sichtweise auf solche aktiven Filament-Systeme. Sie stellt ein wichtiges Werkzeug dar, um die physikalischen Mechanismen z.B. in Filamentbündeln aber auch bei der Bildung von Filamentringen im Zellkortex zu untersuchen. Schließlich entwickeln wir eine auf einem Kräftegleichgewicht basierende Beschreibung für bipolare Strukturen aktiver Filamente und wenden diese auf die mitotische Spindel an. Wir diskutieren Bedingungen für die Bildung und Stabilität von Spindeln. / Active filament systems such as the cell cytoskeleton represent an intriguing class of novel materials that play an important role in nature. The cytoskeleton for example provides the mechanical basis for many central processes in living cells, such as cell locomotion or cell division. It consists of protein filaments, molecular motors and a host of related proteins that can bind to and cross-link the filaments. The filaments themselves are semiflexible polymers that are typically several micrometers long and made of several hundreds to thousands of subunits. The filaments are structurally polar, i.e. they possess a directionality. This polarity causes the two distinct filament ends to exhibit different properties regarding polymerization and depolymerization and also defines the direction of movement of molecular motors. Filament polymerization as well as force generation and motion of molecular motors are active processes, that constantly use chemical energy. The cytoskeleton is thus an active gel, far from equilibrium. We present theories of such active filament systems and apply them to geometries reminiscent of structures in living cells such as stress fibers, contractile rings or mitotic spindles. Stress fibers are involved in cell locomotion and propel the cell forward, the mitotic spindle mechanically separates the duplicated sets of chromosomes prior to cell division and the contractile ring cleaves the cell during the final stages of cell division. In our theory, we focus in particular on the role of filament polymerization and depolymerization for the dynamics of these structures. Using a mean field description of active filament systems that is based on the microscopic processes of filaments and motors, we show how filament polymerization and depolymerization contribute to the tension in filament bundles and rings. We especially study filament treadmilling, an ubiquitous process in cells, in which one filament end grows at the same rate as the other one shrinks. A key result is that depolymerization of filaments in the presence of linking proteins can induce bundle contraction even in the absence of molecular motors. We extend this description and apply it to the mitotic spindle. Starting from force balance considerations we discuss conditions for spindle formation and stability. We find that motor binding to filament ends is essential for spindle formation. Furthermore we develop a generic continuum description that is based on symmetry considerations and independent of microscopic details. This theory allows us to present a complementary view on filament bundles, as well as to investigate physical mechanisms behind cell cortex dynamics and ring formation in the two dimensional geometry of a cylinder surface. Finally we present a phenomenological description for the dynamics of contractile rings that is based on the balance of forces generated by active processes in the ring with forces necessary to deform the cell. We find that filament turnover is essential for ring contraction with constant velocities such as observed in experiments with fission yeast.

Aktive Filament-Systeme, wie zum Beispiel das Zellskelett, sind Beispiele einer interessanten Klasse neuartiger Materialien, die eine wichtige Rolle in der belebten Natur spielen. Viele wichtige Prozesse in lebenden Zellen wie zum Beispiel die Zellbewegung oder Zellteilung basieren auf dem Zellskelett. Das Zellskelett besteht aus Protein-Filamenten, molekularen Motoren und einer großen Zahl weiterer Proteine, die an die Filamente binden und diese zu einem Netz verbinden können. Die Filamente selber sind semifexible Polymere, typischerweise einige Mikrometer lang und bestehen aus einigen hundert bis tausend Untereinheiten, typischerweise Mono- oder Dimeren. Die Filamente sind strukturell polar, d.h. sie haben eine definierte Richtung, ähnlich einer Ratsche. Diese Polarität begründet unterschiedliche Polymerisierungs- und Depolymerisierungs-Eigenschaften der beiden Filamentenden und legt außerdem die Bewegungsrichtung molekularer Motoren fest. Die Polymerisation von Filamenten sowie Krafterzeugung und Bewegung molekularer Motoren sind aktive Prozesse, die kontinuierlich chemische Energie benötigen. Das Zellskelett ist somit ein aktives Gel, das sich fern vom thermodynamischen Gleichgewicht befindet. In dieser Arbeit präsentieren wir Beschreibungen solcher aktiven Filament-Systeme und wenden sie auf Strukturen an, die eine ähnliche Geometrie wie zellulare Strukturen haben. Beispiele solcher zellularer Strukturen sind Spannungsfasern, kontraktile Ringe oder mitotische Spindeln. Spannungsfasern sind für die Zellbewegung essentiell; sie können kontrahieren und so die Zelle vorwärts bewegen. Die mitotische Spindel trennt Kopien der Erbsubstanz DNS vor der eigentlichen Zellteilung. Der kontraktile Ring schließlich trennt die Zelle am Ende der Zellteilung. In unserer Theorie konzentrieren wir uns auf den Einfluß der Polymerisierung und Depolymerisierung von Filamenten auf die Dynamik dieser Strukturen. Wir zeigen, dass der kontinuierliche Umschlag (d.h. fortwährende Polymerisierung und Depolymerisierung) von Filamenten unabdingbar ist für die kontraktion eines Rings mit konstanter Geschwindigkeit, so wie in Experimenten mit Hefezellen beobachtet. Mit Hilfe einer mikroskopisch motivierten Beschreibung zeigen wir, wie "filament treadmilling", also Filament Polymerisierung an einem Ende mit der gleichen Rate wie Depolymerisierung am anderen Ende, zur Spannung in Filament Bündeln und Ringen beitragen kann. Ein zentrales Ergebnis ist, dass die Depolymerisierung von Filamenten in Anwesenheit von filamentverbindenden Proteinen das Zusammenziehen dieser Bündel sogar in Abwesenheit molekulare Motoren herbeiführen kann. Ferner entwickeln wir eine generische Kontinuumsbeschreibung aktiver Filament-Systeme, die ausschließlich auf Symmetrien der Systeme beruht und von mikroskopischen Details unabhängig ist. Diese Theorie erlaubt uns eine komplementäre Sichtweise auf solche aktiven Filament-Systeme. Sie stellt ein wichtiges Werkzeug dar, um die physikalischen Mechanismen z.B. in Filamentbündeln aber auch bei der Bildung von Filamentringen im Zellkortex zu untersuchen. Schließlich entwickeln wir eine auf einem Kräftegleichgewicht basierende Beschreibung für bipolare Strukturen aktiver Filamente und wenden diese auf die mitotische Spindel an. Wir diskutieren Bedingungen für die Bildung und Stabilität von Spindeln. / Active filament systems such as the cell cytoskeleton represent an intriguing class of novel materials that play an important role in nature. The cytoskeleton for example provides the mechanical basis for many central processes in living cells, such as cell locomotion or cell division. It consists of protein filaments, molecular motors and a host of related proteins that can bind to and cross-link the filaments. The filaments themselves are semiflexible polymers that are typically several micrometers long and made of several hundreds to thousands of subunits. The filaments are structurally polar, i.e. they possess a directionality. This polarity causes the two distinct filament ends to exhibit different properties regarding polymerization and depolymerization and also defines the direction of movement of molecular motors. Filament polymerization as well as force generation and motion of molecular motors are active processes, that constantly use chemical energy. The cytoskeleton is thus an active gel, far from equilibrium. We present theories of such active filament systems and apply them to geometries reminiscent of structures in living cells such as stress fibers, contractile rings or mitotic spindles. Stress fibers are involved in cell locomotion and propel the cell forward, the mitotic spindle mechanically separates the duplicated sets of chromosomes prior to cell division and the contractile ring cleaves the cell during the final stages of cell division. In our theory, we focus in particular on the role of filament polymerization and depolymerization for the dynamics of these structures. Using a mean field description of active filament systems that is based on the microscopic processes of filaments and motors, we show how filament polymerization and depolymerization contribute to the tension in filament bundles and rings. We especially study filament treadmilling, an ubiquitous process in cells, in which one filament end grows at the same rate as the other one shrinks. A key result is that depolymerization of filaments in the presence of linking proteins can induce bundle contraction even in the absence of molecular motors. We extend this description and apply it to the mitotic spindle. Starting from force balance considerations we discuss conditions for spindle formation and stability. We find that motor binding to filament ends is essential for spindle formation. Furthermore we develop a generic continuum description that is based on symmetry considerations and independent of microscopic details. This theory allows us to present a complementary view on filament bundles, as well as to investigate physical mechanisms behind cell cortex dynamics and ring formation in the two dimensional geometry of a cylinder surface. Finally we present a phenomenological description for the dynamics of contractile rings that is based on the balance of forces generated by active processes in the ring with forces necessary to deform the cell. We find that filament turnover is essential for ring contraction with constant velocities such as observed in experiments with fission yeast.

Abstract: Recently, fiber-reinforced polymer (FRP) composite materials have been used in the field of civil engineering constructions especially in corrosive environments. They can be used as internal reinforcement for beams, slabs, and pavements, or as external reinforcement for rehabilitation and strengthening different structures. One of their innovative applications is the concrete-filled FRP tubes (CFFTs) which are becoming an alternative for different structural members such as piles, columns, bridge girders, and bridge piers due to their high performance and durability. In such integrated systems, the FRP tubes act as stay-in-place forms, protective jackets for the embedded concrete and steel, and as external reinforcement in the primary and secondary direction of the structural member. Extensive research was developed on CFFTs as columns, but comparatively limited research was carried out on CFFTs as beams especially those with rectangular sections. The circular sections exhibit magnificent confinement efficiency in case of columns. However, the rectangular sections have higher moment of inertia and flexural stiffness to resist the applied loads and deformations in case of beams. Moreover, the construction and architectural requirements prefer the rectangular section of beams, rather than the circular beams, due to its stability during installation and its workability during connecting to other structural members like slabs and columns. Also, CFFTs that are completely filled with concrete are not optimal for applications governed by pure bending, because the excess weight of the cracked concrete below the neutral axis may increase the transportation and installation cost. This dissertation presents experimental and theoretical investigations on the flexural behaviour of rectangular CFFT beams with steel rebar. These hybrid FRP-concrete-steel tubular rectangular beams contain outer rectangular filament-wound glass-FRP (GFRP) tubes to increase the sectional moment of inertia, to provide flexural and shear reinforcement, and to protect the inner structural elements (concrete and steel) against corrosion. The outer tubes were fully-or-partially filled with concrete and were reinforced with steel rebar at the tension side only. Inner hollow circular or square filament-wound GFRP tubes, shifted toward the tension zone, were provided inside the CFFT beam to eliminate the excess weight of the cracked concrete at the tension side, to confine actively the concrete at the compression side and to act as reinforcement at the tension side. The surfaces of tubes adjacent to concrete were roughened by sand coating to fulfill the full composite action of such hybrid section. Several test variables were chosen to investigate the effect of the outer and inner tubes thickness, fibers laminates, and shape on the flexural behaviour of such hybrid CFFT beams. To fulfil the objectives of the study, twenty-four full-scale beam specimens, 3200 mm long and 305×406 mm2 cross section, were tested under a four-point bending load. These specimens include eight fully-CFFT beams with wide range of tube thickness of 3.4 mm to 14.2 mm, fourteen partially-CFFT beams with different outer and inner tubes configurations, and two conventional steel-reinforced concrete (RC) beams as control specimens. The results indicate outstanding performance of the rectangular fully and partially-CFFT beams in terms of strength-to-weight ratio and ductility compared to the RC beams. The fully-CFFT beams with small tube thickness failed in tension by axial rupture of fibers at the tension side. While, the fully-CFFT beams with big tube thickness failed in compression by outward buckling of the outer tube compression flange with warning signs. The results indicate also that the flexural strength of the fully-CFFT beams was ascending nonlinearly with increasing the tubes thickness until a certain optimum limit. This limit was evaluated to define under-and-over-reinforced CFFT sections, and consequently to define the tension and compression failure of fully-CFFT beams, respectively. The inner hollow tubes act positively in reinforcing the partially-CFFT beams and confining the concrete core at the compression side. The strength-to-weight ratio of the partially-CFFT beams attained higher values than that of the corresponding fully-CFFT beams. Generally, the partially-CFFT beams failed gradually in compression due to outward buckling of the outer tube compression flange with signs of confining the concrete core at the compression side. The inner circular voids pronounced better performance than the square inner voids, however they have the same cross sectional area and fiber laminates. Theoretical section analysis based on strain compatibility/equilibrium has been developed to predict the moment-curvature response of the fully-CFFT section addressing the confinement and tension stiffening of concrete. The analytical results match well the experimental results in terms of moment, deflection, strains, and neutral axis responses. In addition, analytical investigation was conducted to examine the validity of the North American design codes provisions for predicting the deflection response of fully and partially-CFFT beams. Based on these investigations, a new power and assumptions were proposed to Branson’s equation to predict well the effective moment of inertia of the CFFT section. These assumptions consider the effect of the GFRP tube strength, thickness and configuration, in addition to the steel reinforcement ratio. The proposed equations predict well the deflection in the pre-yielding and post-yielding stages of the hybrid FRP-concrete-steel CFFT rectangular beams. / Résumé: Les matériaux composites en polymère renforcé de fibres (PRF) ont récemment été utilisés dans le domaine des constructions de génie civil, en particulier dans les environnements corrosifs. Elles peuvent être utilisées comme une armature interne pour des poutres, dalles et les trottoirs, ou comme une armature externe pour la réhabilitation et le renforcement de différentes structures. L'une de leurs applications novatrices est les tubes de polymères renforcés de fibres remplis de béton (TPFRB ) qui sont en train de devenir une alternative pour divers éléments structuraux tels que les pieux, les colonnes, les poutres et les piliers de ponts en raison de leur haute performance et durabilité. Dans de tels systèmes intégrés, les tubes PRF agissent comme un coffrage permanent, une chemise protectrice pour le béton et l'acier encastrés, et comme une armature externe dans les directions longitudinale et transversale de l'élément structural. La recherche a été concentrée sur les TPRFB comme des colonnes, mais très peu de recherche a été effectué les TPRFB comme des poutres particulièrement celles à section rectangulaire. La section circulaire présente une efficacité de confinement efficace en cas de colonnes. Toutefois, la section rectangulaire a un moment d'inertie plus élevé et une rigidité flexionnelle plus efficace pour résister les charges appliquées et les déformations dans le cas des poutres. Par ailleurs, les travaux de construction et les exigences architecturales préfèrent la section rectangulaire des poutres, plutôt que les poutres circulaires, en raison de sa stabilité pendant l'installation et sa maniabilité lors de la connexion à d'autres membres structuraux comme les dalles et les colonnes. En outre, les poutres TPRFB qui sont complètement remplis de béton ne sont pas optimales pour les applications contrôlées par la flexion pure, puisque le béton fissuré en dessous de l'axe neutre ne contribue pas à la résistance et augmente le poids propre et les coûts de transport et d'installation. Cette thèse présente des études théoriques et expérimentales sur le comportement en flexion de poutres rectangulaires (TPRFB) en béton armé. Ces poutres rectangulaires tubulaires hybrides en PRF-béton-acier sont composées de tubes rectangulaires externes fabriquées par enroulement filamentaire. Ces tubes fournissent un renforcement de flexion et de cisaillement; et protègent le béton armé contre la corrosion. Les poutres peuvent être soient entièrement ou partiellement remplies de béton. Des tubes intérieurs ( de section circulaires ou carrés) en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) sont positionnés dans la zone tendue de la poutre afin de réduire le poids et d’éliminer le béton fissuré en traction. Pour augmenter l'action composite de la section hybride, les surfaces des tubes adjacents au béton ont été rendues rugueuses par enrobage de sable. Plusieurs variables ont été choisis pour étudier l'effet de l’épaisseur des tubes extérieurs et intérieurs, les laminés de fibres, et la forme sur le comportement en flexion de ces poutres hybrides (TPRFB). Pour atteindre les objectifs de l’étude, vingt-quatre échantillons de poutre pleine grandeur, ayant une longueur de 3200 mm et une section transversale de 305×406 mm2, ont été testés sous une flexion à quatre points. Ces échantillons comprennent huit poutres de TPRFB entièrement remplis avec une large gamme d'épaisseur du tube externe de 3.4 mm à 14.2 mm, quatorze poutres de TPRFB partiellement remplis avec différentes configurations de tubes extérieurs et intérieurs, et deux poutres en béton armé conventionnel, comme échantillons de référence. Les résultats indiquent une performance exceptionnelle des poutres rectangulaires de TPRFB entièrement et partiellement remplies en termes du rapport de la résistance sur la masse et de la ductilité par rapport aux poutres en béton armé conventionnel. Les poutres de TPRFB entièrement remplies avec un tube de petite épaisseur ont rompu de façon moins ductile en tension par rupture axiale des fibres. Les poutres de TPRFB entièrement remplies et ayant une grande épaisseur ont rompu de façon ductile en compression par flambage local vers l’extérieur des parois en compression du tube externe. Les résultats indiquent également que la résistance à la flexion des poutres de TPRFB entièrement remplies augmente d’une façon non linéaire avec l'augmentation de l'épaisseur des tubes jusqu'à une certaine limite optimale. Cette limite a été évaluée pour définir les sections TPRFB sous-armées et surarmées et, par conséquent, pour définir la rupture en tension et en compression des poutres de TPRFB entièrement remplies, respectivement. Les tubes creux intérieurs agissent positivement dans le renforcement des poutres de TPRFB partiellement remplies et en confinant le noyau de béton du côté en compression. En général, les poutres de TPRFB partiellement remplies ont rompu en compression par flambage local vers l'extérieur des parois en compression du tube externe. Les vides circulaires intérieurs ont montré une meilleure performance que les vides carrés intérieurs, bien qu’ils aient la même superficie de la section transversale et le même taux de PRF. Une analyse théorique basée sur la compatibilité des déformations d’une section en flexion a été développée pour prédire la réponse moment-courbure de la poutre TPRFB en tenant compte des pourcentages de confinement externe et interne. Les résultats analytiques et les résultats expérimentaux s’accordent en termes de moment, flèche, déformations, et positions de l'axe neutre. En outre, une étude analytique a été menée afin d'examiner la validité des codes de conception nord-américains pour prédire la réponse en flexion des poutres TPRFB. En se basant sur les résultats de ces études, de nouvelles équations ont été proposées pour mieux prédire le moment effectif d'inertie de la section et une nouvelle procédure de conception pour prédire les capacités ultimes. Ces équations considèrent l'effet de la résistance des tubes en PRFV externe et interne que le taux d’armature en acier. En outre, ils prédisent bien la flèche dans les phases avant et après la limite élastique des poutres rectangulaires hybrides à haute performance.

This study is devoted to some of the most important issues for advancing inkjet printing for possible application in the coating industry with a focus on piezoelectric droplet on demand (DOD) inkjet technology. Current problems, as embodied in liquid filament breakup along with satellite droplet formation and reduction in droplet sizes, are discussed and then potential solutions identified. For satellite droplets, it is shown that liquid filament break-up behavior can be predicted by using a combination of two pi-numbers, including the Weber number, We and the Ohnesorge number, Oh, or the Reynolds number, Re, and the Weber number, We. All of these are dependent only on the ejected liquid properties and the velocity waveform at the print-head inlet. These new criteria are shown to have merit in comparison to currently used criteria for identifying filament physical features such as length and diameter that control the formation of subsequent droplets. In addition, this study performs scaling analyses for the design and operation of inkjet printing heads. Because droplet sizes from inkjet nozzles are typically on the order of nozzle dimensions, a numerical simulation is carried out to provide insight into how to reduce droplet sizes by employing a novel input waveform impressed on the print-head liquid inflow without changing the nozzle geometry. A regime map for characterizing the generation of small droplets based on We and a non-dimensional frequency, Ω is proposed and discussed. In an attempt to advance inkjet printing technology for coating purposes, a prototype was designed and then tested numerically. The numerical simulation successfully proved that the proposed prototype could be useful for coating purposes by repeatedly producing mono-dispersed droplets with controllable size and spacing. Finally, the influences of two independent piezoelectric characteristics - the maximum head displacement and corresponding frequency, was investigated to examine the quality of filament breakup quality and favorable piezoelectric displacements and frequencies were identified.

Les nanotubes de carbone mono-paroi (SWNT) sont souvent dilués dans un solvant afin de les purifier, les fonctionnaliser ou les transformer. Le contrôle de ces processus requiert une compréhension profonde de la rhéologie de leurs suspensions. Cependant, les bases physiques de leur comportement rhéologique ne sont pas absolument claires. Cette thèse a permis d'apporter des réponses au travers de la modélisation de la viscoélasticité linéaire des suspensions diluées de SWNTs en utilisant une approche par la Dynamique Brownienne (DB). Les SWNTs sont modélisés par des filaments semi-flexibles dont la configuration est naturellement courbée due à la présence de défauts structuraux. Le modèle continu de filament semi-flexible est discrétisé en un système multibarre en flexion non-libre ayant une configuration non-droite à l'équilibre. Une redéfinition du potentiel de flexion est effectuée afin de prendre en compte les cas des configurations non-rectilignes. Le comportement en viscoélasticité linéaire de leurs suspensions diluées a été modélisé par DB en mode dynamique et de relaxation. Des nouveaux processus de relaxation caractérisés par l'activation d'une élasticité à fréquences intermédiaires sont constatés en dynamique. D'autre part, une relaxation quasi-instantanée du module de relaxation est obtenue lors de l'application d'un échelon de cisaillement. Les spectres de relaxation de l'énergie de flexion sont en accord avec les réponses dynamiques, ce qui prouve la cohérence du modèle en viscoélasticité linéaire. Les différences non négligeables par rapport au comportement rhéologique des systèmes multibarre droits à l'équilibre démontrent que la flexibilité couplée avec la présence de défauts structuraux de courbure joue un rôle important dans la dynamique d'un SWNT en suspension.

<div> <p>Fiber reinforced polymer composites are widely used in manufacturing advanced light weight structures for the aerospace, automotive, and energy sectors owing to their superior stiffness and strength. With the increasing use of composites, there is an increasing need to monitor the health of these structures during their lifetime. Currently, health monitoring in filament wound composites is facilitated by embedding piezoelectrics and optical fibers in the composite during the manufacturing process. However, the incorporation of these sensing elements introduces sites of stress concentration which could lead to progressive damage accumulation. In addition to introducing weak spots in the structure, they also make the manufacturing procedure difficult. </p> <p> </p> <p>Alternatively, nanofiller modification of the matrix imparts conductivity which can be leveraged for real time health monitoring with fewer changes to the manufacturing method. Well dispersed nanofillers act as an integrated sensing network. Damage or strain severs the well-connected nanofiller network thereby causing a local change in conductivity. The self-sensing capabilities of these modified composites can be combined with low cost, minimally invasive imaging modalities such as electrical impedance tomography (EIT) for damage detection. To date, however, EIT has exclusively been used for damage detection in planar coupons. These simple plate-like structures are not representative of real-world complex geometries. This thesis advances the state of the art in conductivity-based structural health monitoring (SHM) and nondestructive evaluation (NDE) by addressing this limitation of EIT. The current study will look into damage detection of a non-planar multiply connected domain – a filament-wound glass fiber/epoxy tube modified by carbon black (CB) filler. The results show that EIT is able to detect through holes as small as 7.94 mm in a tube with length-to-diameter ratio of 132.4 mm-to-66.2 mm (aspect ratio of 2:1). Further, the sensitivity of EIT to damage improved with decreasing tube aspect ratio. EIT was also successful in detecting sub-surface damage induced by low velocity impacts. These results indicate that EIT has much greater potential for composite SHM and NDE than prevailing work limited to planar geometries suggest.</p> </div> <br>

Les matériaux composites, et en particulier les sandwichs, sont très étudiés depuis des décennies. En effet, l'alliance entre légèreté et résistance de ces structures entraîne le développement de leur utilisation. Leur méthode de fabrication et éventuellement leur caractérisation restent des points essentiels dans la plupart des études. Ce travail s’inscrit dans le projet FUI SOLLICITERN qui vise à développer une citerne routière en matériau composite sandwich pour un véhicule d’hydrocurage. Comme première étape, et à partir du principe de l’enroulement filamentaire classique, l’objectif consiste à chercher des conceptions qui sont les mieux adaptées à l’enroulement d’un matériau sandwich sur un mandrin cylindrique, tout en respectant les paramètres de l’enroulement et leur influence sur la structure et les propriétés. La solution optimale étant validée, les matériaux constitutifs ont été étudié en mesurant de nombreuses propriétés mécaniques. L’objectif est de pouvoir aider le bureau d’étude à valider une solution de fabrication et de vérifier que les propriétés sont celles attendues. Pour ce faire, des caractérisations statique et dynamique ont menée sur des échantillons incurvés fabriqués par le procédé optimisé pour notre application. Cette partie comporte notamment différents essais expérimentaux dans le but de valider le comportement de la structure visée avec les dimensions et les combinaisons de matériaux les plus appropriées, en tenant compte du processus de fabrication. La meilleure configuration structurelle est retenue à la fin pour la fabrication de la citerne routière prototype. / Composite materials, and especially sandwich structures, have been studied for decades. Indeed, the association between lightness and resistance of these structures leads to the development of their use. Their manufacturing method and their characterization remain as essential points in most studies. This work is part of the FUI SOLLICITERN project, which aims to design a composite water treatment tank for vehicles intended for this purpose. As a first step, and based on the classical filament winding principal, we aim to search designs that are best adapted to the fabrication of a curved sandwich material on a cylindrical mandrel, while respecting the process parameters of and their influence on structural properties. Since an optimal solution was validated, the constituent materials were studied by measuring mechanical properties. The objective is to help our industrial partner to validate a manufacturing solution and verify that such properties are the expected ones. For that, several static and dynamic characterizations were carried out on curved samples manufactured by the optimized process designed for our application. This part includes various experimental tests in order to validate the structure behavior with the most appropriate dimensions and material combinations, taking into account the manufacturing process. At the end, the best structural configuration is retained for the first tank prototype fabrication.

Le champ magnétique joue un rôle prédominant dans la couronne solaire tant au niveau des structures observables qu'au niveau des phénomènes dynamiques que sont les éruptions. Cependant, ce champ magnétique n'est pas directement accessible à trois dimensions mais peut être mesuré à la surface du soleil, appelée photosphère, sous forme de magnétogrammes vectoriels. En utilisant ces données et l'hypothèse que le champ magnétique est à l'équilibre magnétostatique (champ sans force), il est alors possible de reconstruire le champ magnétique dans la couronne. Cette technique de reconstruction a été appliquée à trois domaines différents de la physique solaire. Le premier mécanisme étudié est l'émergence d'une structure magnétique provenant des couches sub-photosphériques. Le champ magnétique a été reconstruit à partir de données me- surées par le télescope THEMIS en Septembre 2005 et nous avons montré que la structure sous-jacente à l'émergence était un tube de flux torsadé à l'équilibre dans la configuration pré- éruptive de la région active. Le deuxième travail porte sur la caractérisation de la structure magnétique supportant un filament solaire en Avril-Mai 2007. Les données de Hinode ont été utilisées et nous avons mis en évidence que la matière froide du filament était supportée par un tube de flux torsadé. Le dernier travail présente l'évolution du champ magnétique reconstruit d'une région active émergente et ayant produit une forte éruption. Ici aussi, un tube de flux torsadé a été mis en évidence par la séquence des reconstructions, montrant sa création et son expansion dû au phénomène d'émergence ainsi que sa disparition après qu'une éruption ait eu lieu dans cette région active. Différents mécanismes d'éruption sont discutés. Les travaux de cette thèse font donc clairement apparaître le rôle majeur des tubes de flux torsadé pour comprendre les différents domaines étudiés et approfondir les relations entre observations et théories.