L'effet des contraintes sur le comportement magnétique des ferrites est étudié de façon expérimentale (essai en traction et compression sur des éprouvettes parallélépipédiques et de compression sur des tores) et par une modélisation multiéchelle. Les mesures réalisées permettent de caractériser à la fois les comportements magnétique et magnétostrictif du ferrite étudié. Le modèle multiéchelle développé repose sur trois échelles : le domaine magnétique, le grain et le polycristal. A l'échelle du domaine magnétique, une minimisation de l'énergie totale permet de calculer l'orientation de l'aimantation sous les effets couplés de la contrainte mécanique, du champ magnétique appliqué et de l'orientation cristalline. A partir de ce calcul énergétique, une fonction de Boltzmann fournit une estimation de la fraction volumique des différents domaines du grain. Le comportement du polycristal est calculé par homogénéisation du comportement d'un nombre suffisant de grains. Le modèle ainsi élaboré permet de simuler le comportement magnétique et magnétostrictif. Les résultats sont en bonne adéquation avec les mesures expérimentales. Une modélisation du comportement sous champ magnétique haute fréquence décrivant l'effet des contraintes sur les phénomènes de relaxation de parois et de gyromagnétisme complète le modèle.

Les récentes découvertes et avancées technologiques dans la compréhension des matériaux ainsi que l'essor des outils informatiques d'aide au calcul ont contribué à la prolifération de matériaux intelligents avec un champ d'applications très large. Cette thèse s'inscrit dans le contexte d'utilisation des actionneurs piézoélectriques plutôt qu'une vision purement matériau. Le but est d'enrichir les bibliothèques de modèles de ces types d'actionneurs afin de faciliter leur prise en compte dans les phases de conception des systèmes complexes les intégrant. Le cahier des charges est que ces modèles incluent le plus possible les non-linéarités tout en restant aisés d'utilisation. Pour atteindre ces objectifs, nous proposons de faire un pont entre le domaine des experts des matériaux et celui de l'ingénieur en suivant une méthodologie claire. Dans un premier temps nous passons en revue les approches existantes dans la littérature ainsi que les solutions offertes par certains logiciels commerciaux. Une analyse des équations constitutives de la piézoélectricité associées aux conditions de fonctionnement de l'actionneur nous permet d'en déduire un premier modèle analogique. Ce dernier est ensuite traduit en bond graph pour en déduire des modèles blocs-diagramme. En plus de cet effort de formalisation, ces premiers modèles se distinguent de ceux proposés par les logiciels commerciaux en prenant mieux en compte la dynamique propre à l'actionneur. Nous proposons deux types de modèles. L'un rend uniquement compte du premier mode de résonance alors que le second rend compte de deux modes de résonance. Ensuite nous proposons des modèles prenant en compte les non-linéarités : l'approche de Preisach pour la modélisation de l'hystérésis statique et l'approche de Voigt dans le cas dynamique. Ces deux approches sont ensuite fusionnées dans le but d'avoir un model plus complet.

Grâce à la découverte, il y a dix ans, de nouveaux matériaux magnétostrictifs, un no\... ''3au type d'actionneurs est maintenant réalisable. Les actionneurs à magnétostriction géante sont caractérisés par une force développée importante, un faible déplacement, un faible poids et volume ainsi qu'un fonctionnement jusqu'à quelques kilohertz. Ce travail de thèse a été effectué dans le cadre d'un contrat européen Brite Euram nommé MADAVIC. Il a conduit à la réalisation de plusieurs actionneurs à magnétostriction géante. Pour cela des outils logiciels de modélisation éléments finis développés au laboratoire ont été utilisés. Ils ont permis de comparer les différentes solutions s'opposant dans la conception de ces prototypes afin de les dimensionner de façon optimale et conformément au cahier des charges, Réalisés par l'entreprise METRAVIB-RDS, les prototypes ont été testés en terme de force et de déplacement dynamique afin d'évaluer leurs performances et de mieux comprendre le comportement des barreaux à magnétostriction géante représentant le coeur du système. Ce comportement non-linéaire décourage certain quant à l'utilisation de ce type d'actionneur. Nous avons donc réalisé une expérience de contrôle actif des vibrations utilisant un actionneur à magnétostriction géante. Les résultats obtenus ont permis de montrer l'intérêt d'utiliser ce type d'actionneur pour des applications industrielles.

Cette thèse décrit la fabrication de couches épaisses nanostructurées magnétostrictives par dépôt supersonique de nanoparticules sur un substrat ; ces nanoparticules étant obtenues par le procédé d'Ablation Laser de Microparticules de Terfenol-D en aérosol. Un bloc solide de Terfenol-D a été réduit en poudre de microparticules de 0,3 à 3 µm de diamètre. Ces microparticules ont ensuite été injectées dans un aérosol s'écoulant en continu et ablaté par un laser ultraviolet KrF pulsé. Puis, les nanoparticules formées après l'ablation ont été accélérées par leur passage dans un micro-orifice. Le jet supersonique de nanoparticules en découlant a été utilisé pour déposer une couche épaisse sur un substrat à température ambiante. Les nanoparticules étaient amorphes, comme l'ont montré les analyses de diffraction aux rayons X des couches et les mesures de microscopie électronique à transmission (TEM) effectuées sur des particules individuelles. La distribution des tailles des nanoparticules était typique du procédé LAM : entre 3 et 20 nm de diamètre avec une moyenne de moins de 10 nm.<br /> Les couches déposées ont été caractérisées par la méthode des poutres pour déterminer le module élastique et le niveau de magnétostriction. Les couches étant poreuses en raison de leur nature granulée, leur module élastique était réduit à environ 15 GPa. Le niveau de magnétostriction des couches était d'environ 15 ppm ; cette magnétostriction réduite (1/30 de celui des couches fines) étant dû à un problème d'oxydation. Une analyse spectroscopique du plasma produit par l'ablation a permit la détermination de la source d'oxydation. L'étendue de l'oxydation des couches est apparue directement dépendante de la taille des microparticules utilisées initialement pour fabriquer les nanoparticules. Après calculs théoriques, pour des densités typiques d'aérosol utilisées dans le procédé LAM, il a été démontré que les nanoparticules fabriquées à partir de microparticules de plus de 3 µm de diamètre n'étaient pas affectées de façon significative par les impuretés présentes dans le gaz ou par l'oxydation de surface des microparticules. En revanche, les nanoparticules fabriquées à partir de microparticules de 0,3 µm de diamètre ou moins étaient, elles, oxydées et les couches en résultant l'étaient aussi. Experimentalement le diamètre des microparticules injectées en aérosol était présumé être entre ces deux cas.

La miniaturisation des antennes s'accompagne d'une dégradation leurs performances (bande passante, gain, efficacité), surtout avec l'utilisation de substrats matériaux diélectriques. Pour relever le défi « intégration / performances », la conception de nouveaux matériaux tels que les ferrites magnétoélectriques constitue une alternative des plus prometteuses. Ce travail met en avant les principaux paramètres à l'élaboration de ferrite spinelle par coprécipitation. Un traitement thermique modéré a permis l'obtention de céramiques semi poreuses pour la montée en fréquence. En parallèle, l'anisotropie magnétocristalline, liée à la composition (rapport Nickel / Zinc, Cobalt, Fer 2+…) ; ainsi que l'anisotropie magnétoélastique lors de l'application d'une contrainte, étendent encore le domaine des faibles pertes des ferrites de Nickel-Zinc de 400 MHz à plus de 1 GHz. Ces matériaux ont ainsi pu équiper des antennes sur les fréquences du DVH-H (470 – 830 MHz) et répondent aux normes du DVB-H. De façon à profiter pleinement de la miniaturisation, nous avons proposé une antenne imprimée. Une bonne corrélation est trouvée entre les résultats de simulation et de mesure, ainsi que des relations adaptées aux antennes patch. Enfin dans le domaine émergent des communications On / Off bodies, nous avons développé des antennes flexibles sur un substrat de type PDMS. Pour assurer une bonne efficacité de l'antenne, celle-ci est encapsulée, ce qui évite une métallisation hasardeuse (fissures, manque d'adhérence). / Antenna miniaturization, especially with dielectric substrates, is accompanied by a radiation loss (bandwidth, gain, efficiency). To meet the challenge "integration / performance", the design of new materials such as magnetodielectrics ferrites is a promising alternative. To satisfy these requirements, this work highlights the main parameters of ferrite spinel development by coprecipitation. A moderate thermal treatment leads to semi porous ceramics. In parallel, the magnetocrystalline anisotropy, related to the composition (ratio Nickel / Zinc, Cobalt, Iron 2+ ...), and the magnetoelastic anisotropy with application of stress, extend the field of low-loss from 400 MHz to over 1 GHz, in the Nickel-Zinc ferrite. These materials were able to equip antennas on DVH-H frequencies (470-830 MHz). In order to take full advantage of miniaturization, we proposed a printed antenna. A good correlation between simulation results and measurement is obtained, together with relations adapted to patch antennas. Finally, in the emerging field of communications On / Off bodies, we have developed flexible antennas on PDMS substrate. To ensure good antenna efficiency, it is encapsulated, thereby avoiding a hazardous metallization (cracks, loss of adhesion).

La thèse porte sur la caractérisation expérimentale et la modélisation des phénomènes de couplages magnéto-mécaniques.<br />Un modèle multi-échelle, considérant successivement l'équilibre d'un domaine magnétique, d'un monocristal (ou grain), et d'un volume élémentaire représentatif est proposé. Ce modèle est appliqué à un alliage de fer-silicium dont on a préalablement caractérisé le comportement magnéto-élastique à l'aide d'un dispositif expérimental spécifique.<br />Les résultats obtenus montrent d'une part la très forte anisotropie du comportement couplé, et, d'autre part l'importance de l'état de contraintes et de la présence de surfaces libres sur le comportement magnéto-élastique. Ces effets sont intégrés au modèle.<br />Quelques applications ou extensions du modèle sont enfin abordées. Elles concernent notamment l'étude de l'effet de la plasticité sur le comportement magnétique ou la détermination d'une contrainte uniaxiale équivalente pour les propriétés magnétiques.

La thèse porte sur la caractérisation expérimentale et la modélisation de matériaux à magnétostriction géante et sur leur association avec des matériaux piézoélectriques. Une plateforme de caractérisation dédiée à l'étude du couplage magnéto-mécanique a été réalisée. Cette plateforme permet la création dans un échantillon ferromagnétique massif d'une zone homogène de sollicitations magnétique et mécanique. Une instrumentation adaptée mesure la réponse magnéto-mécanique de l'échantillon à ces sollicitations. Cette plateforme a été utilisée pour caractériser le comportement d'échantillons de Terfenol-D, un matériau à magnétostriction géante. Les résultats obtenus montrent notamment la très forte influence de la contrainte appliquée sur le comportement magnétique et sur la déformation de magnétostriction du matériau.<br />Un modèle de couplage manéto-élastique, s'appuyant sur la définition de coefficients de couplage thermodynamique, est proposé pour décrire le comportement anhystérétique du Terfenol-D. A partir de la minimisation d'une fonctionnelle d'énergie, les formulations éléments finis relatives aux problèmes magnéto-élastique et électro-élastique sont établies. La formulation éléments finis du problème magnéto-électrique est ensuite obtenue par couplage des deux problèmes. Quelques applications sont enfin abordées, notamment celle de structures composites magnéto-électriques associant des couches magnétostrictives à des couches piézoélectriques. L'étude de ces structures composites met en avant l'intérêt d'une telle association de matériaux actifs.

Les propriétés magnétiques des matériaux sont fortement connectées à leur structure cristallographique. Nous proposons un modèle atomique de la dynamique d'aimantation capable de rendre compte de cette magnétoélasticité. Bien que ce travail s'inscrive dans une thématique générale de l'étude des matériaux magnétiques en température, nous la particularisons à un seul élément, le Cobalt. Dans ce modèle effectif, les atomes sont décrits par 3 vecteurs classiques qui sont position, impulsion et spin. Ils interagissent entre eux via un potentiel magnéto-mécanique ad hoc. On s'intéresse tout d'abord à la dynamique de spin atomique. Cette méthode permet d'aborder simplement l'écriture des équations d'évolution d'un système atomique de spins dans lequel la position et l'impulsion des atomes sont gelées. Il est toutefois possible de définir une température de spin permettant de développer naturellement une connexion avec un bain thermique. Montrant les limites d'une approche stochastique, nous développons une nouvelle formulation déterministe du contrôle de la température d'un système à spins.Dans un second temps, nous développons et analysons les intégrateurs géométriques nécessaires au couplage temporel de la dynamique moléculaire avec cette dynamique de spin atomique. La liaison des spins avec le réseau est assurée par un potentiel magnétique dépendant des positions des atomes. La nouveauté de ce potentiel réside dans la manière de paramétrer l'anisotropie magnétique qui est la manifestation d'un couplage spin-orbite. L'écriture d'un modèle de paires étendu de l'anisotropie permet de restituer les constantes de magnétostriction expérimentales du hcp-Co. En considérant un système canonique, où pression et température sont contrôlées, nous avons mis en évidence la transition de retournement de spin si particulière au Co vers 695K.Nous finissons par l'étude des retournements d'aimantation super-paramagnétiques de nanoplots de Co permettant de comparer ce couplage spin-réseau aux mesures récentes.

Les composés cubiques à base de terres rares sont un terrain favorable à l'expression de degrés de liberté alternatifs, liés à la dégénérescence d'orbite et/ou aux instabilités cristallographiques. Du fait du caractère multiaxial de la symétrie cubique, une simple anisotropie à un ion associée à des couplages d'échange isotrope y conduirait à des états d'ordre magnétique de dégénérescence élevée. Celle-ci étant systématiquement levée, on est forcé de mettre en cause des degrés de liberté autres que celui de spin. Cet impératif est confirmé par l'observation dans ces systèmes de transitions magnétiques du premier ordre, de structures magnétiques exotiques (notamment multiaxiales), d'effets magnétoélastiques, d'une anisotropie ne relevant pas du seul champ cristallin etc., phénomènes tous impossibles à appréhender sur la base de l'échange isotrope et de l'anisotropie à un ion. Nous étudions l'influence de deux types de degrés de liberté, qui interviennent par une redistribution de la charge dans le cristal : - la "déformation" de la couche 4f , décrite par l'émergence de multipôles électriques. - le déplacement des ions terre rare, lorsque la structure cristalline le permet. Dans les états d'ordre magnétique, ces deux modes correspondent à l'émergence de paramètres d'ordre secondaires, composantes multipolaires 4f et distribution de déplacement, qui participent à la définition des états ordonnés. Ils en déterminent largement les propriétés et donnent lieu à des phénomènes spécifiques qui, via la charge, trahissent le magnétisme. A l'état paramagnétique, ils sont également actifs, modifiant l'anisotropie magnétique, les propriétés magnétoélastiques et de transport etc.. Ils peuvent même y induire des transitions de phase non-magnétiques, où seule intervient la distribution de charge (ordres quadrupolaires, effet Jahn-Teller).

La thèse porte sur la caractérisation et la modélisation d'un échantillon ferromagnétique doux de Fer-Cobalt sous stimulation mécanique vibratoire. Le banc de caractérisation permet de maîtriser l'amplitude et la fréquence de la sollicitation mécanique au travers d’actionneurs piézoélectriques. Le cycle d'hystérésis magnétique ainsi que l'amplitude des déformations mécaniques sont mesurés simultanément lorsque l'échantillon torique est sollicité en flexion longitudinale. Les résultats expérimentaux montrent une réduction importante de l'hystérésis magnétique statique. Les réductions de coercivité sont corrélées linéairement à l'amplitude des contraintes élastiques exercées sur le tore quelle que soit la fréquence mécanique des vibrations. Ces réductions, observées en présence d'une contrainte externe cyclique, sont associées à des décrochements de parois de Bloch lorsque celles-ci sont piégées par des défauts de contraintes internes. Pour interpréter ces résultats, une modélisation de l'interaction paroi - défaut est proposée à l'aide d'une approche énergétique. Les profils d'interaction énergétique entre paroi et défaut permettent alors d'exprimer la coercivité attribuée aux défauts de contrainte interne en présence d'une contrainte externe d'amplitude et/ou de direction variable(s). Le modèle met en évidence la nécessité d'explorer un grand nombre d'états mécaniques pour chaque valeur de champ magnétique. Les portées applicatives de ces travaux sont proposées à l'issue d'un bilan énergétique effectué sur le système d'excitation magnéto-mécanique. Cette étude ouvre de nouvelles voies pour des dispositifs de récupération d'énergie mécanique vibratoire ainsi que pour des systèmes de désaimantation par activation mécanique. / This study deals with the characterization and modeling of a soft ferromagnetic sample of Cobalt-Iron under vibratory mechanical stimulation. The characterization test bench allows to control the magnitude and the frequency of the mechanical solicitation through piezoelectric actuators. The magnetic hysteresis loop and the magnitude of the mechanical deformations are measured simultaneously when the ring sample is placed under longitudinal bending. The experimental results show a significant reduction of the static magnetic hysteresis. Decreases of coercivity are linearly correlated to the amplitude of elastic strain applied on the torus regardless of the mechanical vibration frequency. These reductions, observed under a cyclic external stress, are associated with the depinning of Bloch domain walls when they encounter residual stress defects. To clarify these results, a modeling of the interaction between domain wall and defect is proposed using an energy approach. Energy profiles interaction is used to express the coercivity attributed to residual stress defects in the presence of an external stress of both variable amplitude and/or variable direction(s). The model highlights the need to explore a large number of mechanical states for each magnetic field value. Finally, applications raised by this work are proposed from an energy balance analysis performed on the magneto-mechanical excitation system. This study opens new opportunities for vibratory mechanical energy harvesting devices and systems for demagnetization by mechanical activation.