L’amélioration de la figure de mérite ZT des matériaux thermoélectriques (TE) est actuellement entreprise via des procédés de métallurgie, tels que la nanostructuration et l’introduction contrôlée de dislocations. De tels niveaux de complexité de microstructure soulèvent la problématique du comportement mécanique associé. En effet, malgré les valeurs de dureté et module d’élasticité connues pour la plupart des matériaux TE, rares sont les données sur les mécanismes de déformation. Portant sur le Half-Heusler Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2 de type p, notre étude multi-échelle propose de caractériser les mécanismes de déformation de cet alliage. Les expérimentations menées aux échelles macroscopique, mésoscopique, et microscopique sont pensées pour déclencher puis examiner les mécanismes de plasticité. Les tests en compression sur échantillons massifs dans un environnement de pression de confinement et température ont aboutis à une rupture exclusivement fragile. Les mécanismes de rupture sont identifiés comme associés une propagation de fissure intra- et inter granulaire, dépendant de la taille de grain rencontrée par le front de fissure. La méthode « indentation toughness » à l’échelle mésoscopique permet l’insertion de fissures, où les analyses MET en front de fissure confirment une abscence d’activité de dislocations, également confirmé par 3D-EBSD. À l’échelle microscopique, les données de compression de micro-pilliers ainsi que les observations de faciès de fracture sont comparable avec les échantillons massifs. Ces résultats peuvent être utilisés comme guide pour produire des matériaux TE plus résistants à la fissuration. / Increasing the figure of merit ZT of thermoelectric (TE) alloys is a challenge that is currently attempted through various metallurgy methods, including nanostructuring and dislocation engineering. Microstructures with such level of complexity raises questions about the mechanical reliability of these new materials. Indeed, despite the values of hardness and elastic modulus known for the clear majority of TE materials, the data on deformation mechanisms are still rare. Focusing on the nanostructured p-type half-Heusler Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2, our multi-scale study aims to analyze the deformation mechanisms. Experiments conducted at macro-, meso- and micro-scale are designed to trigger and assess plasticity mechanisms. Compression testing on bulk samples subject to a confining pressure environment and temperature leads to an exclusive brittle failure. The mixed-mode failure mechanisms involve switching between intra- and inter-granular crack propagation, depending on the grain size met by the crack tip. Indentation toughness at meso-scale generates cracks, while TEM analysis of the crack tip area confirms no dislocation activity and 3D-EBSD technique confirms the mixed crack propagation behavior. At micro-scale, micro-pillar compression stress-strain curves and failure mechanisms are comparable with bulk samples testing analysis. These results can be used to provide design guidelines for more crack-resistant TE alloys.

Dans le cadre de ce projet de thèse, des microstructures innovantes « composites » Ni-W constituées d’amas de Tungstène multi-cristallins (à grains fins) immergés dans une matrice de la solution solide Ni(W) cfc ont été élaborées par frittage flash (Spark Plasma Sintering (SPS)). Différents alliages ont ainsi été fabriqués en contrôlant de manière très précise les fractions volumiques respectives des deux élément Ni et W. En outre, le fait que le Ni soit un matériau particulièrement ductile contrairement au W plus résistant, peut conférer au matériau un bon compromis ductilité/résistance mécanique. Ainsi, en ajustant les taux respectifs de Ni et/ou de W, nous avons réussi à faire cohabiter dans un même matériau les micro-mécanismes de déformation propres à chaque phase, dont les caractéristiques et les évolutions sont ensuite analysées lors de sollicitations mécaniques conventionnelles ou in situ sous Synchrotron. Ainsi, nous avons mis en évidence le rôle de chacune des phases constituant la microstructure vis-à-vis du comportement macroscopique. Il est clairement montré que la proportion et l’arrangement spatial de la phase de W sont des facteurs influents sur la fragilité d’ensemble ainsi que sur les transferts de charge entre phases. Concernant la phase ductile, nous avons pu mesurer des déformations du réseau cristallin d’amplitude inhabituelle, que nous avons reliées à la densité initiale importante de joints de type ∑3, densité qui ensuite diminue fortement sous sollicitation mécanique. / As part of this thesis project, innovative “composites” microstructures Ni-W composed by clusters of multi crystallized (ultra fine grain) W embedded in a matrix of a cfc Ni(W) solid solution were elaborated by spark plasma sintering (SPS). Several alloys were processed by controlling precisely the respective volume fractions of the two elements Ni and W. In addition, Ni is a particularly ductile material unlike the more resistant W. So, it may give to the material a good compromise between ductility and mechanical resistance. Thus, by adjusting the respective fractions of Ni and/or W, we obtained in the same material the specific deformation micro-mechanisms of each phase, the characteristics and evolutions of those deformations were after analyzed during conventional mechanical stresses or under in situ Synchrotron. Thus, we have highlighted the role of each phase constituting the microstructure regarding the macroscopic behavior. It is clearly shown that the proportion and spatial distribution of the W phase are key factors on the overall brittleness as well as on the load transfer between the phases. Concerning the ductile phase, we underscored deformations of unusual amplitude, which are connected to the high initial density of ∑3 boundary grains, which then decreases sharply under mechanical stress.

Les phases MAX sont des carbures et / ou des nitrures ternaires avec un fort potentiel dans des applications diverses. Cette étude a porté sur deux phases MAX, Ti3SiC2 et Ti2AlC qui sont les plus connues dans ce groupe de matériaux. La première partie de ces travaux était dédiée à l’élaboration des poudres et des matériaux frittés. L’objectif était d’obtenir une variété de matériaux présentant différentes caractéristiques microstructurales, en termes de composition chimique et de taille de grains. Ainsi, des poudres commerciales et synthétisées par SHS ont été densifiées à l'aide de deux techniques de frittage sous charge, i.e. SPS et HP. La deuxième partie du travail a été consacrée à une meilleure compréhension de l’influence de la composition chimique et de la taille des grains sur le comportement thermomécanique des phases MAX. Des informations supplémentaires ont été fournies en couplant deux techniques expérimentales, la flexion quatre points et l’émission acoustique, et en les associant à des observations SEM post-mortems. L’approche expérimentale développée, basée sur la comparaison des réponses mécaniques des matériaux Ti3SiC2 (contenant la phase MAX et des phases secondaires) et de Ti2AlC (phases MAX uniquement), a permis d’approfondir la compréhension des mécanismes de déformation et d’endommagement induits. Il était également montré que les phases sécondaires et la taille de grains influence la manière dont les différents endommagements sont accumulées dans le matériaux. Les résultats d’EA sont fourni les informations supplémentaires sur les type d’endommagements rencontrées et leur chronologie qui résultent avec le comportement nonlinéaire de phases MAX. La dérnière partie de cette thèse a montré que le température de transition fragile-plastique est autour de 1200˚C et que la taille de grains l’abaisse. / MAX phases are ternary carbide and/or nitride with a great potential in various application. This study concerned two MAX phase compounds, namely Ti3SiC2 and Ti2AlC, which are on the most studied among all known MAX phases. The first part dealt with materials elaboration which includes both synthesis and sintering stages. The objective was to obtain a variety of materials with different microstructural features, i.e. phase composition and grain size. For this purpose, both commercial and SHS-derived powders were densified with two pressure-assisted sintering technique, i.e. SPS and HP. The second part of work was devoted to deeper understanding of the influence of phase composition and grain size to thermomechanical behavior of MAX phases. More information was provided when two experimental techniques, four-point bending and AE monitoring, were coupled together with post-mortem SEM observations. The developed experimental approach based on comparison of mechanical responses of Ti3SiC2 (MAX phase and secondary phases) and Ti2AlC (containing only MAX phases) compounds, is implemented to investigate the induced deformation and damage mechanisms. It was shown that higher quantity of MAX phases in the material improves flexural strength with corresponding more pronounce nonlinear behavior and high dissipated energy. When MAX phase grains are coarser the mechanical strength lowers but the nonlinear part becomes more significative, which results in higher values of dissipated energy. It was also shown that the secondary phases and the grain size impact the way in which the damage is accumulated within the sample. AE data provided more information on possible damage mechanisms and their chronology leading to hysteretic behavior of MAX phases. The last part has shown that the BPTT for Ti3SiC2 is ≈1200˚C and the grain size of MAX phases lowers this BPTT.

Les aérogels de silice se classent parmi les matériaux dits superisolants grâce à leurs propriétés thermiques exceptionnelles. Leur très faible conductivité thermique (< 15 mW.m-1.K-1) représente un pouvoir d’isolation convoité par de nombreux secteurs d’activité comme l’isolation thermique du bâtiment, l’aérospatial, le transport, l’emballage, etc.Ces matériaux amorphes nanostructurés atteignent des taux de porosité supérieurs à 90% et sont architecturés sur plusieurs ordres de grandeur. Leur structure se compose d’un réseau poreux tridimensionnel de silice à l’échelle nanométrique. Celui-ci forme un agrégat de plusieurs centaines de nanomètres qui est lui-même la brique élémentaire d’un second réseau poreux à l’échelle mésoscopique. L'architecture 3D nanométrique imbriquée pores / particules, dont la taille est proche du libre parcours moyen des phonons, est à l’origine des propriétés thermiques exceptionnelles des aérogels de silice, cependant, elle est aussi la source de leurs faibles propriétés mécaniques.Cette thèse se focalise sur l’étude à l’échelle nanométrique du comportement mécanique des aérogels de silice par dynamique moléculaire. La première partie porte sur le potentiel interatomique utilisé comme paramètre d’entrée des simulations et plus particulièrement sur sa capacité à reproduire les surfaces de silice amorphe. Ce potentiel, développé pour modéliser les propriétés structurales et énergétiques de la silice amorphe dense, démontre une bonne transférabilité quant aux propriétés de surface. Il permet de simuler avec fiabilité des matériaux de grandes surfaces spécifiques avec des temps de calcul acceptables. La seconde partie s'intéresse successivement à la génération de la nanostructure des aérogels, à la caractérisation des textures formées et à l'étude du comportement mécanique. Les résultats montrent l’influence de la vitesse de déformation et des effets de taille sur l’étude du comportement mécanique en traction et en compression. Les propriétés élastiques sont correctement caractérisées et les mécanismes de déformation identifiés. Enfin des agrégats sphériques de l’ordre de la centaine de nanomètres sont générés afin d’étudier leur comportement mécanique sous compression. Les lois de comportement de ces agrégats, comparables en taille à ceux observés expérimentalement, pourront ensuite servir de paramètres d’entrée et nourrir les simulations aux échelles supérieures / Thanks to their exceptional thermal properties, silica aerogels are considered as superinsulating materials. Their very weak thermal conductivity (< 15 mW.m-1.K-1) stands for an important insulating power which has many industrial applications such as building insulation, aerospacial, transport, packaging, etc.Those amorphous architectured materials can reach more than 90% of porosity and present a porous architecture at different length scales. Their structure is composed by a three dimensional porous and tortuous network at nanometric scale. This network forms an aggregate of a hundred nanometers length which is also the particle of a second porous network at mesoscopic scale. The 3D nanometric architecture of pores / particles, is at the origin of the exceptional thermal properties but is also responsible of the weak mechanical properties.This thesis focuses on the study at nanoscale of the mechanical behavior of silica aerogels using Molecular Dynamics simulations. The first part of the thesis concerns the interatomic potential used as parameter of the simulations and his capacity of reproducing amorphous silica surface properties. This potential has been developped for dense amorphous silica. It also shows a good transferability to model amorphous silica surface properties. It can be used to simulate large volumes of high specific area materials with optimized computational time. The purpose of the second part of this thesis is to generate the porous nanostructure of silica aerogels, to characterize its structure and to study its mechanical properties. The results show the influences of the strain rate and of the simulation box size on the mechanical behavior during tensile and compression tests. Elastic properties are correctly computed and the deformation mechanisms are identified. Finally, hundred nanometers aggregates are generated and their behavior under compression is studied. The behavior laws of these aggregates, comparable in length with the experimental ones, provide precious information for a multiscale model

Les métaux micro ou nanoporeux sont très attrayants notamment pour leur grande surface spécifique. Le désalliage dans un bain de métal liquide permet une dissolution sélective d'une espèce chimique (l'élément soluble) à partir d'un alliage d'origine (le précurseur) composé de l'élément soluble et d'un élément cible (qui deviendra nano/micro poreux) non soluble dans le bain de métal liquide. Quand le précurseur est plongé dans le bain de métal liquide, à son contact, l'élément soluble va se dissoudre dans le bain tandis que l'élément cible va en parallèle se réorganiser spontanément afin de former une structure poreuse. Quand l'échantillon est retiré du bain, il est sous la forme d'une structure bi-continue composée de deux phases : l'une étant la structure poreuse composée de l'élément cible et l'autre est une phase dans laquelle est présente l'élément du bain avec l'élément sacrificiel en solution solide. Cette phase peut être dissoute par une attaque chimique afin d’obtenir le métal nano/micro poreux. Les objectifs principaux de cette thèse sont l'élaboration et la caractérisation microstructurale et mécanique de 3 différents types de matériaux par désalliage dans un bain de métal liquide : des composites métal-métal (FeCr-Mg), des métaux poreux (FeCr) et des composites métal-polymère (FeCr-matrice époxy). Le dernier objectif est l'évaluation des possibilités d'utiliser la technique de désalliage dans un bain de métal liquide dans un contexte industriel. L'étude de la microstructure est basée sur des observations 3D faites par tomographie aux rayons X et des analyses 2D réalisées en microscopie électronique (SEM, EDX, EBSD). Pour mieux comprendre le désalliage, le procédé a été suivi in situ en tomographie aux rayons X et diffraction. Enfin, les propriétés mécaniques ont été évaluées par nanoindentation et compression. / Nanoporous metals have attracted considerable attention for their excellent functional properties. The first developed technique used to prepare such nanoporous noble metals is dealloying in aqueous solution. Porous structures with less noble metals such as Ti or Fe are highly desired for various applications including energy-harvesting devices. The less noble metals, unstable in aqueous solution, are oxidized immediately when they contact water at a given potential so aqueous dealloying is only possible for noble metals. To overcome this limitation, a new dealloying method using a metallic melt instead of aqueous solution was developed. Liquid metal dealloying is a selective dissolution phenomenon of a mono-phase alloy solid precursor: one component (referred as soluble component) being soluble in the metallic melt while the other (referred as targeted component) is not. When the solid precursor contacts the metallic melt, only atoms of the soluble component dissolve into the melt inducing a spontaneously organized bi-continuous structure (targeted+sacrificial phases), at a microstructure level. This sacrificial phase can finally be removed by chemical etching to obtain the final nanoporous materials. Because this is a water-free process, it has enabled the preparation of nanoporous structures in less noble metals such as Ti, Si, Fe, Nb, Co and Cr. The objectives of this study are the fabrication and the microstructure and mechanical characterization of 3 different types of materials by dealloying process : (i) metal/metal composites (FeCr-Mg), (ii) porous metal (FeCr) (iii) metal/polymer composites (FeCr-epoxy resin). The last objective is the evaluation of the possibilities to apply liquid metal dealloying in an industrial context. The microstructure study was based on 3D observation by X-ray tomography and 2D analysis with electron microscopy (SEM, SEM-EDX, SEM-EBSD). To have a better understanding of the dealloying, the process was followed in situ by X-ray tomography and X-ray diffraction. Finally the mechanical properties were evaluated by nanoindentation and compression.

La connaissance des propriétés mécaniques de la peau humaine in vivo est d’une importance capitale dans de nombreux domaines (médical, cosmétique…). L’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux outils pour permettre d’une part au clinicien de caractériser de manière objective les propriétés mécaniques de la peau, et d’autre part d’améliorer la compréhension générale du comportement de cet organe avec le vieillissement. Le premier chapitre est une revue bibliographique de la physiologie et des propriétés physiques de la peau ainsi que des différents moyens d’investigations actuels de ses propriétés. A partir de cette revue, deux axes de recherche sont définis, un axe de sollicitation tangentielle et un axe de sollicitation normale au tissu. Le second chapitre s’intéresse au premier axe de recherche, avec le développement d’une méthode d’indentation dynamique et d’une méthode d’indentation sans contact. Une baisse du module d’Young est trouvée avec l’âge. Le troisième chapitre s’intéresse à l’axe de sollicitation tangentielle, avec une méthode d’extension compression couplant mesures d’efforts et mesures des champs de déplacements de la zone sollicitée. Une approche inverse par un modèle Éléments Finis avec une loi de comportement orthotrope montre à partir des essais réalisés une baisse globale des propriétés mécaniques de la peau avec l’âge. Le quatrième et dernier chapitre relie les deux approches (normale et tangentielle) en comparant les résultats obtenus et tire les perspectives de ces travaux. / The knowledge of the mechanical properties of human skin in vivo is essential for many domains (medical, clinical…). The aim of this thesis is to develop new devices for the clinician in order to perform objective assessment of the mechanical properties of human skin, and also to improve the understanding of the whole mechanical behaviour of this organ with ageing.The first chapter is a bibliography concerning the physiology and the physical properties of the skin and also an overview of the actual devices used for the assessment of these properties. Based on this review, two different ways of stress have been chosen, a normal stress axis and a tangential stress axis to the skin.The second chapter concerns the first way of stress, with the development of a dynamic indentation method and a non contact method. A decrease of the Young modulus is found with ageing.The third chapter concerns a tangential axis of stress, with an extension-compression test using force measurement combined to displacement field measurement of the stressed area. An inverse method using a Finite Element model with an orthotropic law shows that results obtained give a decrease of the mechanical properties of the skin with ageing.The fourth and last chapter links the two different way of stress used with a comparison of results obtained and gives some perspectives of this work.

Depuis près d'un siècle, les résonateurs à quartz à ondes de volume sont utilisés pour stabiliser les oscillateurs électriques. Cette longévité est due aux propriétés exceptionnelles du quartz et aux progrès constants de la technique. Pour les applications spatiales, il n'est généralement pas possible d'intervenir sur le composant. La dérive en fréquence doit alors être réduite et contrôlée sur des dizaines d'années. Cette variation systématique de la fréquence de résonance au cours du temps est due à l'évolution de plusieurs phénomènes physiques dont nous avons fait la synthèse et une analyse quantitative. Le premier de nos deux axes d'études porte sur l'étude des contraintes mécaniques dans la lame de quartz. Un travail bibliographique nous a permis d'étudier les spécificités de différentes formes de résonateur pour comprendre l'effet des contraintes mécaniques et les moyens de limiter la variation de fréquence induite. Les outils de modélisation actuels nous ont aidés à mettre au point une géométrie apportant une nette réduction de l'effet force-fréquence, confirmée par les mesures des premiers prototypes. L'autre axe d'étude est expérimental et porte sur un procédé essentiel communément appelé ''pré-vieillissement''. Les nombreuses contraintes de cette étude, telles que le temps, nous ont imposé une organisation méthodique de l'expérimentation. Ainsi, les plans factoriels fractionnaires nous ont permis de limiter les moyens techniques tout en obtenant les effets de chaque paramètre définissant le pré-vieillissement. Les résultats convergent vers la même conclusion que celle faite lors de l'étude quantitative des phénomènes physiques produisant le vieillissement.

Dans le cadre de la diversification des sources énergétiques, les piles à combustible apparaissent comme une technologie prometteuse. La pile à combustible est un système électrochimique qui convertit l'énergie chimique d'une réaction d'oxydoréduction en énergie électrique, avec production simultanée d'eau et de chaleur. La membrane électrolyte polymère est l'un des verrous technologiques sur lesquels bute le développement des piles à combustible, avec des impératifs de performance, de longévité, de recyclage et de coût. Des études précédentes proposaient comme alternative au Nafion®, le matériau utilisé actuellement, des membranes à base d'un polyélectrolyte thermoplastique polyéthersulfone, associé éventuellement à une charge inorganique. L'objectif de ce travail était d'élaborer à partir de ce matériau des membranes par extrusion alors que les polymères fonctionnels de ce type sont généralement mis en forme par des techniques de coulée-évaporation polluantes, ce qui les rend difficilement transposables à l'échelle industrielle. L'extrusion, procédé largement utilisé dans l'industrie de transformation des matériaux, n'avait pas été utilisée jusqu'à présent pour la mise en forme de polymères ioniques porteurs de fonctions arylsulfoniques. Pour extruder ce type de polymère sans risque de dégradation, il a fallu vérifier l'adéquation entre le matériau et le procédé de mise en forme. Plusieurs types de polysulfones, commerciaux, sulfonés ou synthétisés par les partenaires du projet, ont été caractérisés d'un point de vue physico-chimique par la détermination des masses molaires, des transitions thermiques, et d'un point de vue rhéométrique sur une large gamme de températures et de gradients de cisaillement, de manière à connaître leur comportement en écoulement et prévoir les conditions d'extrusion. Des films ont été extrudés, leurs conductivités sont similaires à celles des membranes élaborées par coulée-évaporation et proches de celle du Nafion®. Par ailleurs, nous avons montré que l'incorporation d'une charge conductrice protonique permet de moins sulfoner le polysulfone pour un même niveau de conductivité, tout en maintenant un niveau de viscosité suffisamment faible pour permettre d'extruder ces matériaux composites. L'incorporation de charges de renfort a été également envisagée, l'extrusion de ces composites a été validée. Ce travail pourra être étendu à d'autres polymères conducteurs protoniques, comme les polyétheréthercétones et les polyétherimides, dont les membranes réalisées par coulée-évaporation ont déjà démontré leurs performances en pile à combustible.

L'acier 16MND5 ou A508 Cl3 est utilisé pour la fabrication par forgeage des cuves de réacteurs nucléaires à eau sous pression. <br />Ce matériau présente un bon compromis en terme de ténacité et de limite d'élasticité, sa microstructure est principalement bainitique revenue. Du fait de la variation locale de la composition chimique et du procédé d'élaboration, ce matériau présente des hétérogénéités microstructurales qui peuvent modifier localement les propriétés du point de vue de l'endommagement. En particulier, certaines zones présentent une microstructure martensitique dont les propriétés à la rupture sont différentes de celles de la bainite.<br />Le but de cette thèse est d'apporter quelques éclaircissements sur l'influence de la microstructure ; plus particulièrement, la taille des entités cristallographiques et leur distribution spatiale sur le comportement local de l'acier 16MND5.<br />Deux microstructures ont été élaborées à cet effet ; une microstructure bainitique revenue et une microstructure martensitique revenue. Une caractérisation expérimentale a été réalisée sur les deux microstructures afin de déterminer la morphologie, la distribution spatiale des orientations cristallographiques et le comportement en traction.<br />Un dépôt de grille a été effectué sur des éprouvettes de traction plates pour permettre de déterminer le champ déformation expérimental sur une zone préalablement analysée en EBSD.<br />La détermination du comportement en traction a permis l'identification à l'aide d'une méthode inverse d'une loi de comportement multicristalline faisant intervenir la densité de dislocation sur chaque système de glissement. Cette loi de comportement a été utilisée dans des simulations à l'aide de la méthode des éléments finis pour simuler le comportement des deux microstructures en traction et comparer aux champs de déformations expérimentaux de celles-ci. Il en résulte une bonne adéquation entre les simulations et les expériences et la mise en évidence de l'influence de l'orientation des grains voisins sur le comportement local.

Ce document présente la majeure partie de mes activités de recherche depuis ma nomination à l'Université Louis Pasteur de Strasbourg en septembre 2000. Ces travaux concernent l'identification et la commande ; ils ont été conduits sur différents systèmes applicatifs : la machine asynchrone, les systèmes d'enroulement de bande et la robotique. Ils sont principalement de nature méthodologique ; c'est-à-dire qu'à partir de problématiques appliquées particulières, j'ai tâché de tirer les enseignements qui s'imposaient afin de proposer des solutions standards et génériques à un certain nombre de problèmes. <br /><br />Ce mémoire est organisé autour des trois systèmes applicatifs traités. A chacun d'entre eux est consacré une partie distincte. Puisqu'une grande partie des problématiques scientifiques traitées est transversale et abordée pour plusieurs systèmes, j'ai choisi de les introduire dans la première partie de ce rapport.