Ce manuscrit d'Habilitation décrit les principales activités de recherche que je mène au sein du groupe Optoélectronique pour les Systèmes Embarqués du LAAS depuis 2003. Dans un premier temps, les travaux porteront sur le développement des capteurs à fibres optiques à base de fibres cristallines de rubis pour des environnements hostiles à savoir température élevée et déformations mécaniques très importantes. Il est à noter que ces capteurs sont insensibles aux dernières perturbations, et par conséquence, ne mesurent que la grandeur physique ciblée. Une deuxième partie concerne le développement initial d'un interféromètre fibré de Fabry-Pérot extrinsèque (EFFPI). Ce premier dispositif est basé sur la décomposition du mode fondamental injecté dans l'interféromètre en deux signaux intrinsèques interférométriques déphasés en quadrature, d'où l'EFFPI à double-cavité optiques. L'EFFPI à double-cavité se montre cependant sensible aux effets de polarisation lors des perturbations induites (variations de température et vibration parasites). Pour éliminer ces difficultés, un EFFPI à modulation est développé. Ce travail est effectué dans le cadre d'un projet ANR qui a pour objectif de développer des nouveaux instruments pour les applications en géophysique. En effet, une double modulation du courant de la diode laser est appliquée, ce qui équivaut une modulation sur la longueur d'onde du laser. Ainsi, nous obtenons une condition de quadrature où l'amplitude du déplacement ainsi que sa direction peuvent être précisément déterminées sans aucune ambiguïté. Par ailleurs, grâce a cette double modulation, l'EFFPI est aussi capable de mesurer des très faibles déplacements, inférieurs à lambda/4 (< 327.50 nm pour lambda = 1310 nm). Trois instruments opto-géophysiques ont ainsi été développés à savoir un inclinomètre longue base à fibre optique, un inclinomètre de forage à fibre optique et un sismomètre à fibre optique. La troisième partie taitera le développement des capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg pour la mesure de déformations mécaniques. Pour ce travail, une nouvelle technique d'interrogation des fibres à réseaux de Bragg basée sur la rétro-injection optique (ou "self-mixing") est exploitée pour réaliser des capteurs de contraintes (déformations mécaniques) avec une bonne précision.

Les arbres sont capables de modifier l'orientation de leurs branches et de leur tronc par la production asymétrique de bois précontraint. Il existe des modèles biomécaniques développés pour simuler ces mouvements, mais ils ne simulent pas correctement le redressement (ou mouvement gravitropique) de jeunes arbres à l'échelle de temps intra-annuelle. La méconnaissance de la cinétique de maturation et des propriétés mécaniques du bois vert est responsable de ces résultats. Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour objectifs de caractériser le comportement mécanique du bois vert au cours de sa maturation, et de développer un modèle biomécanique qui puisse simuler quantitativement le gravitropisme de jeunes peupliers. Des comportements mécaniques non-linéaires sont révélés par des essais de traction cycliques sur de fines lamelles de bois vert. Ils sont quantifiés par une grandeur mécanique liant rigidité et déformation. Des essais de flexion réalisés sur des planchettes renseignent quant à eux sur l'évolution intra-cerne du module élastique. Ces campagnes d'essais montrent une augmentation puis une diminution du module au cours de la maturation des cellules. Des essais de fluage indiquent que le comportement viscoélastique du bois vert se modélise par un modèle de Burgers. Les propriétés viscoélastiques du bois vert sont ainsi déterminées. Les propriétés mécaniques obtenues sont utilisées dans un modèle biomécanique développé pour modéliser l'évolution spatio-temporelle des propriétés. Le gravitropisme de jeunes peupliers est alors modélisé grâce à la prise en compte du comportement viscoélastique du bois vert, de la maturation continue des cellules, et de la variation des déformations de maturation au cours de la saison de végétation.

Le travail présenté dans cette thèse est consacré à la précipitation interphase dans les aciers microalliés au vanadium. Il s'agit principalement de mieux comprendre l'évolution des microstructures et des propriétés mécaniques résultantes à partir d'une double approche expérimentale et de modélisation. Les analyses effectuées conjointement en Microscopie Electronique en Transmission et en nanoindentation ont permis de mieux cerner les relations qui existent entre les paramètres microstructuraux de la précipitation interphase (taille moyenne des carbures, distances moyenne entre carbures et entre feuillets, morphologie des carbures) et les modifications de propriétés mécaniques locales induites dans les aciers à très haute résistance. Par ailleurs, nous avons développé un modèle original qui couple les cinétiques de transformation de phases à celle de la précipitation interphase. Ce modèle permet de décrire l'évolution des paramètres microstructuraux et les résultats obtenus sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux.

L'amélioration des propriétés mécaniques dans les alliages du système Fer-Silicium-Titane grâce à l'introduction d'une précipitation nanométrique a été démontrée dans la littérature. La haute valeur de limite d'élasticité qui peut être atteinte dans ces aciers en fait de bons candidats pour des applications dans l'élaboration de structures automobiles. Dans ce contexte, cette étude a pour objectif de caractériser et comprendre la séquence et la cinétique de précipitation dans ces alliages, ainsi que les relations entre microstructure de précipitation et propriétés mécaniques, dans une démarche de conception d'alliages optimisée. La démarche utilisée a tout d'abord consisté en une caractérisation multi-échelle de la précipitation par diffusion des neutrons aux petits angles, microscopie électronique en transmission et sonde atomique tomographique, qui a permis d'aboutir à une description précise de la structure, composition, taille et fraction volumique des précipités, qui ont ensuite été reproduites par modélisation. Dans un deuxième temps, les tests mécaniques réalisés à température ambiante ont révélé un fort potentiel durcissant, qui dépend du temps et de la température de vieillissement. Des modèles à base physique pour la limite d'élasticité et le taux d'écrouissage (tenant compte des contributions isotropes et cinématiques) ont été appliqués pour décrire les courbes de traction mesurées. Ceux-ci ont permis d'aboutir à une bonne compréhension des relations entre microstructures et propriétés dans le système Fe-Si-Ti.

Deux verres métalliques massifs à base de titane, avec les compositions nominales Ti40Zr25Ni8Cu9Be18 et Ti41.5Cu37.5Ni7.5Zr2.5Hf5Sn5Si1, qui montrent des variétés structurales différentes (germes/phase amorphe et séparation de phases, respectivement), ont été étudiés. Nos études se concentrent sur les transformations structurales thermiquement induites (relaxation et cristallisation structurales) et leurs effets sur la thermodynamique et la cinétique de la transition vitreuse et la cristallisation, la réponse mécanique à la température ambiante, la déformation homogène dans la région du liquide surfondu et les propriétés physiques à basse température. En conséquence, leur enthalpie de relaxation suit les caractéristiques générales admises malgré la nature unique de leurs structures. Le deuxième verre présenté montre une meilleure stabilité thermique bien qu'il présente une plus faible capacité à former la structure vitreuse. Les transformations de phases lors du chauffage ont aussi été étudiées par diffraction de neutrons ainsi que par les modèles JMA et de Starink. Ce dernier a été introduit pour étudier leur cinétique de cristallisation. Les deux verres montrent de hautes valeurs de résistance à la compression, toutefois avec des contraintes plastiques sensiblement différentes à température ambiante. Leur déformation et comportement uniques à la rupture, dont les changements d'angles de rupture< de 45 à 90° peuvent être interprétés par le critère dit d'ellipse. La relaxation et la cristallisation structurales mènent à une importante dégradation de la plasticité, bien que la relaxation structurale puisse produire une légère augmentation de dureté aussi bien que de la force de rupture. Les verres présentés ont une bonne superplasticité et capacité de mise en forme. Un domaine optimum pour la mise en forme à chaud de cet alliage a été proposé par la construction de carte d'efficacité de dissipation de puissance.

Le travail de thèse a porté essentiellement sur l'effet des conditions de prise en pression et en température dans une gamme (20-60°C/Patm-200 bar) d'un ciment pétrolier (Portland " classe G ") au très jeune âge (jusqu'à un jour) en condition saturée sur (i) la cinétique d'hydratation, (ii) les propriétés hydriques (perméabilité et porosité) et (iii) le développement des propriétés élastiques dynamiques obtenues par propagation d'ultrasons et quasi-statiques. Les propriétés quasi-statiques instantanées et différées ont été obtenues à partir d'essais mécaniques réalisés en compression simple à différents temps/degré d'hydratation.La partie I a permis de montrer que la pression appliquée pendant la prise a un effet négligeable sur la cinétique d'hydratation contrairement à l'effet accélérateur de la température de prise. Un modèle de cinétique d'hydratation tenant compte de l'effet accélérateur de la température a été mis en place afin de déterminer l'évolution des fractions volumiques des différentes phases en présence dans la pâte de ciment au cours de son hydratation. L'évolution de la phase (porosité capillaire + eau) obtenue par le modèle d'évolution des fractions volumiques est en bonne concordance avec l'évolution de la porosité connectée mesuré par porosimétrie dans la deuxième partie de travail de thèse. En partie II, concernant la caractérisation de la perméabilité, les valeurs obtenues ainsi que l'évolution des propriétés élastiques quasi-statiques obtenue expérimentalement ont permis de déterminer le temps de drainage pour chacune des conditions d'hydratation étudiées. Cette information permet de déterminer la nature drainée ou non drainée des essais mécaniques quasi statiques réalisés. En partie III, les essais mécaniques ont permis d'identifier un comportement granulaire faiblement cohésif au niveau du sommet du pic exothermique, puis un comportement solide cohésif avec progression des propriétés mécaniques au cours de l'hydratation à partir de la décroissance du flux thermique. Enfin, deux modèles par homogénéisation multi-échelles ont été proposés, la différence portant sur la schématisation de la pâte de ciment au très jeune âge. Les résultats ont été confrontés avec succès aux propriétés élastiques dynamiques et quasi-statiques drainées et non drainées obtenues expérimentalement

L'objet du présent travail est la modélisation, par simulation numérique, de la tenue mécanique de flasques de sièges automobile obtenus par semi-découpe de tôle d'acier à haute limite élastique. Des essais de compression, de traction et de cisaillement sont mis en place pour étudier l'anisotropie plastique, l'écrouissage, l'endommagement et la rupture. Des essais non proportionnels de cisaillement suivi de traction et de semi-découpe suivie de poinçonnement permettent d'investiguer l'effet de prédéformations, à bas taux de triaxialité des contraintes, sur le comportement du matériau à nouveau sollicité à un taux de triaxialité des contraintes plus élevé. Basé sur les travaux de Xue et Wierzbicki, un critère de rupture permettant de rendre compte des observations expérimentales est proposé et comparé à un modèle d'endommagement de Lemaitre. Le critère de rupture proposé est implanté dans deux logiciels de calcul par éléments finis : le logiciel Forge® dédié à la simulation de la mise en forme et le logiciel LS-Dyna® dédié à la simulation de crash. Dans un premier temps, la mise en forme par semi-découpe est simulée avec Forge®. Dans un second temps, les champs de variables d'état sont transportés du maillage résultat obtenu avec Forge®, vers le maillage d'entrée pour LS-Dyna®. Ensuite les calculs de tenue mécanique sont réalisés avec LS-Dyna®. Les résultats de calculs de tenue mécanique sont enfin comparés à des résultats expérimentaux. Ces résultats expérimentaux sont des essais de mise en forme par semi-découpe suivis d'essais d'arrachement qui reproduisent, en laboratoire, les sollicitations observées sur les pièces industrielles.

Les globules gras du lait sont entourés d’une membrane biologique extrêmement complexe en composition et en structure, appelée MFGM (milk fat globule membrane). L’investigation de cette membrane, in situ dans le lait, par microscopie confocale nous suggère que les lipides polaires à haute température de transition de phase (Tm) forment des domaines en phase gel ou liquide ordonné, dispersés dans une phase continue fluide. Sur la base de cette observation, ce projet vise à comprendre en quoi la composition en lipides polaires laitiers et leur état de phase peuvent moduler les propriétés élastiques de la MFGM, en vue d’une meilleure maîtrise de la stabilité des globules gras en industrie laitière.L’hétérogénéité mécanique générée par la coexistence de différents types de phase a ainsi été caractérisée par spectroscopie de force AFM en utilisant des bicouches de lipides modèles de la membrane réelle, à basse (T<Tm) et haute températures (T>Tm). Pour analyser finement les déterminants de l’élasticité de la membrane, et tenir compte de la courbure, une étude approfondie des effets de l’état de phase et de la composition hétérogène en lipides polaires a été entreprise par spectroscopie de force atomique, en complément d’une analyse structurale par microscopie électronique ou diffraction des rayons X. Nous y avons montré, en particulier, que la présence de molécules de longueur de chaîne acyles et d’insaturation variables rend les membranes de sphingomyéline de lait en phase gel moins rigides qu’attendu, bien que significativement plus rigide qu’une membrane fluide. Cette approc / The milk fat globules are enveloped by a biological membrane, called MFGM, of highly complex composition and structure. Investigation of this membrane, in situ in milk, using confocal microscopy suggested that polar lipids with high transition temperature (Tm) form domains in gel or liquid-ordered phase, dispersed in a continuous fluid phase. From this observation, the aim of this project was to understand how the composition and organization of dairy polar lipids can modulate the elastic properties of the MFGM, in order to better control stability of the fat globules in the dairy industry. The mechanical heterogeneity created by the coexistence of phases was then characterized by AFM force spectroscopy using lipid bilayers models at low (T<Tm) and high temperatures (T>Tm).In order to closely analyze the factors that direct membrane elasticity, force spectroscopy measurements were undertaken on curved liposome membranes, in combination with structural characterization by TEM and SAXS. We showed, in particular, that heterogeneity in acyl chain length and unsaturation made gel-phase milk sphingomyelin membranes less rigid than expected, although more rigid than a fluid phase membrane. This approach was finally applied to native milk fat globules, where mechanical heterogeneity was visible. However, elasticity values were somewhat different from those calculated on model systems, probably because of the presence of membrane proteins.

Les objectifs de cette thèse sont (i) de caractériser expérimentalement les phénomènes physiques responsables du tuilage des cartons ondulés observé en usine et (ii) d’en proposer une modélisation hygro-mécanique pertinente. Afin de répondre à ces objectifs, des essais instrumentés ont été réalisés en usine. Ces essais originaux ont permis de mesurer en continu (i) les évolutions de l’humidité relative et la température au sein des piles de cartons ondulés, et (ii) l’évolution du tuilage des plaques de carton ondulé au sein des piles grâce à une suivi par imagerie. Les résultats obtenus ont été analysés au regard des paramètres procédé. Afin de mieux appréhender le phénomène de tuilage observé, qui est par nature multi-échelle (échelle du papier et du carton ondulé) et multi-physique (humidité relative, température, mécanique), des essais en laboratoire (hygroexpansion, traction, flexion) à différentes humidités relatives ont été développés et mis en œuvre afin de caractériser le comportement hygro-mécanique de différents papiers et cartons ondulés. Des essais de tuilage originaux, couplés à des mesures par imagerie, ont été réalisés et ont pu mettre en évidence l’influence de l’humidité relative et de la composition des cartons ondulés sur le tuilage. En s’appuyant sur ces expériences, une modélisation 1D du tuilage, basée sur la théorie des composites sandwich, a été proposée. Ce modèle a ensuite été comparé aux mesures de tuilage réalisées en laboratoire et en usine. Les premières comparaisons modèle-expérience ont montré la pertinence de la modélisation proposée pour décrire le tuilage du carton ondulé. Un outil permettant d’estimer l’évolution tuilage, à court et moyen terme, dans les encours a été développé et mis en place en cartonnerie afin d’améliorer la maîtrise du tuilage des cartons ondulés. / The objective of this thesis is to (i) experimentally characterize the physical phenomena responsible of curl of corrugated board usually observed during the process and (ii) to propose a hygro-mechanical modeling of the curl. For that purpose, in situ instrumented tests were carried out in the corrugated board factory. These original tests allowed to measure continuously (i) the evolution of the relative humidity and the temperature in stacks of corrugated board, and (ii) the evolution of the curl. This latter one was measured using high quality images and advanced image processing. The obtained results were analyzed in relation to the process parameters. In order to better understand the observed curl phenomenon, which is a multi-scale (scale of papers and corrugated boards) and multi-physics (relative humidity, temperature, mechanics) phenomenon, laboratory tests (hygroexpansion, tensile tests, bending tests) at different relative humidities have been performed in order to characterize the hygro-mechanical behavior of several papers and corrugated boards. Original curl tests, using high quality images and advanced image processing, have been developed and carried out. The obtained results highlight the influence of the relative humidity and the composition of corrugated cardboard on the curl. According to these experimental results, a 1D modeling of the curl, based on the sandwich composite theory, was proposed. This model was then compared to the curl measured in the laboratory and in the corrugated board factory. These first comparisons showed the relevance of the proposed modeling to describe the curl of corrugated board. Finally, a practical tool to estimate the evolution of the curl in the factory has been developed and implemented in the factory to prevent the corrugated board curl.

Ce travail a pour objectif d'analyser l'utilisation des fibres de lin en substitution aux fibres de verre dans les composites destinés au secteur du nautisme. Cette substitution nécessite une meilleure compréhension du cycle de vie des composites depuis la sélection des matériaux, incluant le procédé de mise en œuvre et jusqu'à leur vieillissement hydrique, principalement sous conditions réelles en service (exposition à l'eau, à la température et aux sollicitations mécaniques). Une étude préliminaire a été consacrée à la sélection des matériaux (tissus de fibre de lin et résine polyester) et à la comparaison entre deux procédés de fabrication des composites (infusion sous vide et thermocompression) sur la base de leurs propriétés morphologiques et mécaniques. Le comportement au vieillissement de composites renforcés de fibres de lin (CRFL) et de composites renforcés de fibres de verre (CRFV) est ensuite étudié. Un ensemble de moyens originaux ont été développés afin de suivre les évolutions de la morphologie (prise en eau, gonflement) et des propriétés mécaniques (statiques et dynamiques). Tout d'abord, le vieillissement hydrothermique des composites à base de fibre de lin et de verre est caractérisé jusqu'à leur saturation en eau. Cette étape est suivie de l'étude de la dessiccation afin de contrôler la réversibilité des propriétés physiques et mécaniques. Parallèlement, une étude particulière de ce travail a été consacrée au traitement des fibres afin de réduire leur hydrophilicité dans le composite. Le couplage hydro-thermo-mécanique est alors analysé en imposant une sollicitation de fluage au biocomposite en immersion. L'application de cette méthodologie révèle l'influence significative des sollicitations couplées. Contrairement à toute attente, la superposition d'une charge au vieillissement hydrothermique ralentit la baisse des propriétés élastiques en comparaison de la somme des effets dus aux vieillissements non-couplés. Enfin un modèle de calcul par éléments finis a été mis au point afin de prédire la diffusion hydrique au sein d'un matériau. Le modèle 2D développé intègre la morphologie réelle du composite et particulièrement l'organisation des fibres de lin dans le composite à plusieurs échelles. Cette modélisation représente la première étape dans la prédiction du comportement évolutif des biocomposites pour des conditions de vieillissement en service. / This work aims to address a complete analysis of the use of flax fibres to substitute glass fibres in composite materials designed for nautical applications. This substitution requires a better understanding of the composites life cycle: from materials selection and processing to its hydric ageing, especially under real conditions (exposition to water, temperature and mechanical loadings).A preliminary study is devoted to the selection of materials (flax fibre fabrics and polyester resin) and to the comparison between two methods for manufacturing composites (vacuum infusion and compression moulding) through their mechanical and the morphological properties.The ageing behaviour of flax fibre reinforced composites (FFRC) and glass fibre reinforced composites (GFRC) is then studied. A set of original methods have been implemented to monitor the evolving morphology (water uptake, swelling) and mechanical properties (statics and dynamics). First of all, hydrothermal ageing of glass and flax fibre composites is characterized until water saturation. This step is followed by the study of a drying phase in order to verify the reversibility of physical and mechanical properties. In parallel, a particular issue of this work was devoted to reducing the hydrophilicity of flax fibres into composites.The hydrothermo-mechanical coupling behaviour of biocomposites is then studied by imposing a creep solicitation to biocomposites immersed in water. The application of this methodology highlighted the significant influence of the coupled solicitations. Contrary to all expectations, superimposing a load during a hydrothermal ageing slows the loss of the elastic properties in comparison with the sum of the uncoupled ageing effects.Finally, a finite element model was stablished in order to predict the hydric diffusion within the composite material. The 2D model integrates the real morphology of composites, and particularly the organisation of the flax fibres in the matrix at different scales. This modelling represents the first step in predicting the evolving behaviour of biocomposites exposed to ageing conditions.