Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR « PROCOM » du programme Matériaux et Procédés dont le coordinateur est EADS IW. Elle a eu pour objectif la mise en place et le développement d’un procédé industrialisable consistant en la fabrication de renforts fibreux pour les composites de haute performance. Elle intègre des nouveaux concepts à nano/micro-échelles et un traitement de surface par voie électrochimique. Les travaux de cette thèse présentent la synthèse d’un polymère conducteur électronique, le polypyrrole, par voie électrochimique, effectuée à la surface de renforts hybrides qui sont des fibres de carbone greffées de nanotubes de carbone (NTCs). Dans un premier temps il s’agit d’optimiser la synthèse du polymère et d’observer l’influence des différents paramètres liés à l’électrochimie sur le taux de dopage et l’épaisseur du film polymère. Les paramètres étudiés étant le potentiel appliqué, le temps de polymérisation, la nature de l’électrolyte et le dopant. Puis il s’agit d’évaluer l’influence du dépôt de polymère sur trois paramètres très importants. Ces paramètres sont la conductivité électrique, les propriétés mécaniques et l’accrochage des NTCs à la surface de la fibre de carbone. Les propriétés électriques sont importantes car ces composites seront utilisés pour le fuselage d’aéronefs qui doivent pouvoir dissiper le courant en cas de foudre. Les bonnes propriétés électriques intrinsèques des NTCs ainsi que l’utilisation d’un polymère conducteur ont permis d’améliorer les propriétés conductrices du renfort. Le polymère joue également le rôle d’interface entre le renfort qui est la fibre hybride et la matrice dans le but d’améliorer les propriétés mécaniques du matériau final. Cependant pour améliorer l’interface différents pré-traitements ont été effectués, tels qu’un traitement thermique, une fonctionnalisation de surface par plasma et le greffage d’une couche d’accroche. Enfin, le polymère joue un rôle protecteur au niveau de la dissémination des NTCs dans l’atmosphère afin d’éviter tout risque sanitaire. Dans un deuxième temps, un système permettant l’électropolymérisation des fibres hybrides en continu a été mis au point en vue de la réalisation d’un procédé pilote par les partenaires industriels du projet. / This thesis is part of the ANR project “PROCOM” from the Mat&Pro program whose coordinator is EADS IW. The aim of the project is the development of a process likely to be scaled up industrially to produce fibrous reinforcements for high performance composites. The project incorporates new concepts in nano / micro-scale and an electrochemical surface treatment. This PhD work presents the synthesis of an electronically conductive polymer (polypyrrole) by an electrochemical route, on the surface of hybrid reinforcements which are carbon fibers grafted by carbon nanotubes (CNTs). At first, the polymer synthesis has been optimized and the influence of different electrochemical parameters on the doping level and the thickness of the polymer layer was investigated. The parameters studied were the applied potential, the polymerization time, the nature of the electrolyte and the dopant. Then, the influence of polymer deposition on three very important parameters was considered. These parameters are the electrical conductivity, the mechanical properties and the adhesion of CNTs on the surface of the carbon fibers. The electrical properties are important because these composites are intended to be used for the fuselage of aircraft that must be able to dissipate the current from lightning. Good intrinsic electrical properties of CNTs and the use of a conductive polymer have improved the conductive properties of reinforcements. The polymer, which is at the interface between the reinforcing hybrid fibers and the matrix, is expected to improve the mechanical properties of the final material. However, to improve this interface different pre-treatments were carried out, such as heat treatment, plasma surface functionalization and incorporation of a grafting layer. Finally, the polymer plays a protective role in the dissemination of CNTs in the atmosphere in order to avoid any health risk. In a second step, a system for the electropolymerization of hybrid fibers in continuous was implemented with the aim of developing an industrially scalable process.

Afin d'établir un lien entre les solutions servant de modèles dans la préparation de matériaux mésoporeux, on étudie les propriétés physiques à l'équilibre et hors équilibre de solutions micellaires aqueuses à base de deux tensioactifs fluorés : C8F17C2H4(OC2H4)9OH, [RF8(EO)9] and C7F15C2H4(OC2H4)8OH, [RF7(EO)8]. Cette étude devrait nous aider à comprendre pourquoi on obtient des matériaux mésoporeux bien ordonnés à partir de solutions micellaires du tensioactif RF8(EO)9 et des structures désordonnées lorsque l'on utilise RF7(EO)8. Les expériences sont menées sur quatre systèmes de deux surfactants: RF7(EO)8/H2O, RF7(EO)8/NaI/H2O, RF8(EO)9/H2O et RF8(EO)9/NaCl/H2O. Plusieurs techniques expérimentales sont utilisées: rhéologie, biréfringence d'écoulement et diffusion de neutrons aux petits angles dans le but de décrire ces quatre systèmes. Les diagrammes de phase des deux tensioactifs montrent qu'une phase micellaire L1 existe dans une large gamme de température et concentration. Mais dans tous les cas, la distance à la courbe de miscibilité a une influence sur les caractéristiques rhéologiques bien que toutes les solutions soient une phase L1. La biréfringence d'écoulement des deux systèmes apporte des informations complémentaires quant à la taille et la forme des micelles. Pour les deux systèmes, avec et sans sel, les résultats suggèrent l'existence de petites micelles allongées liées en chaines par des forces faibles excepté pour le système RF8(EO)9 qui ne présente pas de biréfringence notable; les micelles sont probablement petites avec une forme voisine de la sphère. Pour les quatre systèmes, on observe une perte du caractère Maxwellien lorsque les conditions de concentration et de température se rapprochent de la courbe de miscibilité. Ces résultats confortent l'idée selon laquelle : les conditions thermodynamiques choisies pour l'addition de la silice ne doivent pas être trop proches de la courbe de miscibilité, afin d'obtenir des matériaux mésoporeux ordonnés. Dans ces conditions, les solutions sont Maxwelliennes et les matériaux mésoporeux synthétisés sont ordonnés / To provide a link between the micellar templates and the mesoporous material characteristics in the final product, the physical properties of aqueous systems prepared with two kinds of fluorinated surfactants are described and analyzed under equilibrium and out-of-equilibrium conditions: the surfactants are C8F17C2H4(OC2H4)9OH, [RF8(EO)9] and C7F15C2H4(OC2H4)8OH, [RF7(EO)8]. This study may help us to understand why the ordered mesoporous materials are recovered only when RF8(EO)9 micellar solutions are used as building blocks while RF7(EO)8 solutions give rise to wormhole like structure. The distance to the lower consolute boundary (LCB) and a shift in position by salt additions are also taken into account. The experiments concern four systems of two surfactants; 1) pure RF7(EO)8 in water, 2) RF7(EO)8 in the presence of the NaI salt, 3) pure RF8(EO)9 in water, and 4) RF8(EO)9 in the presence of the NaCl salt. Several experimental techniques have been used (rheology, flow birefringence, neutron scattering) to shed light on the physical difference between the four systems. The phase diagrams of both surfactants show that a direct micellar phase (L1) exists in a wide range of concentrations and temperatures. In any cases, the distance to the LCB is a parameter which influences rheological behaviour although the micellar phase still is a L1 phase. The flow birefringence experiments performed on both systems bring complementary information of the size and shape of the micelles. For both systems, with and without salt, the results suggest the existence of small elongated micelles linked by weak forces except for the RF8(EO)9 system which shows no birefringence; the micelles in solution are probably small with a shape close to a sphere. From all four systems, the loss of the Maxwellian character is generally observed when the conditions approach the miscibility curve. These results consolidate the assumption that in order to prepare ordered mesoporous materials, the thermodynamical conditions at which the silica precursor is added to the micellar solution should not be too close to the miscibility curve. Therefore, this study suggests that the Maxwellian character seems to be a pre-requisite condition of the micellar solution for obtaining ordered mesoporous materials

Ce travail concerne l'étude approfondie des propriétés physicochimiques de plusieurs systèmes à base de tensioactifs non ioniques fluorés et hydrogénés en relation avec la synthèse de matériaux mésoporeux silicatés. L'un des buts recherché est de prévoir les caractéristiques structurales et texturales du matériau en fonction de l'application visée. Nous avons ainsi démontré que la courbe de point de trouble, qui caractérise les systèmes à base de tensioactifs non ioniques, doit être localisée à haute température pour obtenir un matériau structuré. Toutefois, cette condition n'est pas suffisante et le rapport des volumes molaires des parties hydrophiles (VA) et hydrophobes (VB) du tensioactif doit être prise en compte. Ainsi, l'étude de nombreux systèmes mixtes a permis de préciser la gamme des rapports VA/VB compatible avec l’obtention de matériaux organisés. A la suite de ce travail, une étude structurale des micelles a été engagée par des méthodes de diffusion de rayonnements (neutrons, RX). A partir des systèmes fluorés étudiés, nous avons montré que la présence de micelles sphériques favorise la formation de matériaux structurés selon une symétrie hexagonale. De façon complémentaire, le suivi in-situ de la formation de la mésophase hybride a apporté des informations intéressantes sur le mécanisme d'auto-assemblage qui gouverne la génération des silices mésoporeuses structurées. L'effet de l'ensemble des paramètres de synthèse sur les propriétés des matériaux mésoporeux a également été étudié, notamment en faisant appel à la méthode des plans d'expériences. La stabilité hydrothermale marquée des silices mésoporeuses préparées à partir de composés fluorés a été démontrée. Finalement, les propriétés spécifiques des silices mésoporeuses, préparées à partir de micelles fluorées, ont été mises à profit pour la conception de bio-réacteurs. Nous avons ainsi montré qu'une lipase physisorbée à la surface de tels matériaux pouvait catalyser une réaction d'estérification. Ce résultat très prometteur offre des ouvertures pour des applications dans le cadre par exemple du développement d'agro-diesel. / This work deals with the study of the properties of several non-ionic fluorinated and hydrogenated surfactant based systems which are related to the synthesis of mesoporous silicate materials. One of the aims is to predict the structural and textural properties of the final material for a given application. Thus, we have proved that the cloud point curve, which is characteristic of non-ionic surfactant based systems, must be present at high temperature to obtain well-ordered materials. However, this condition is not the only one but also the ratio between the molar volumes of the hydrophilic part (VA) and the hydrophobic part (VB) of the surfactant should be taken into account. Thus, the study of several mixed systems has allowed to precise the values of VA/VB which correspond to hexagonal materials. A structural study of the fluorinated micelles have been also performed by scattering methods (neutrons and X-ray). We have shown that the presence of spherical micelles promotes the formation of ordered hexagonal materials. Moreover, the in situ observation of the hybrid mesophase formation has shed light on the cooperative templating mechanism which leads to mesostructured silica materials. The effect of the synthesis parameters onto the properties of the materials has also been studied, particularly using the factorial design method. The high hydrothermal stability of the materials prepared from fluorinated surfactant based systems has been demonstrated. Finally, the mesoporous materials prepared from fluorinated micelles have been used as a support for the immobilization of an enzyme. Furthermore, we have shown that a lipase, physically adsorbed onto these materials, can be used to catalyse an esterification reaction. This result offers an outlook for applying these mesoporous materials to bio-diesel synthesis.

Sous chargement, les matériaux dits ‘quasi-fragiles’ tels que les bétons et de nombreuses roches présentent souvent une perte de rigidité progressive, ainsi qu’un comportement anisotrope, asymétrique et hystérétique. Il est maintenant largement admis que ce comportement, fortement non linéaire et complexe, est lié principalement à la création, au développement et au jeu d’ouverture et fermeture des réseaux de microfissures accompagnés de glissement et de frottement entre lèvres de microdéfauts en contact.Dans l’optique d’une utilisation industrielle sérieuse, la construction d’un modèle d’endommagement simple, fiable sur le plan mathématique et thermodynamique et offrant une réponse pertinente pour les matériaux quasi-fragiles jusqu’à l’apparition d’une localisation de l’endommagement, constitue à l’heure actuelle un enjeu important. Il représente en effet une étape indispensable avant de pouvoir espérer modéliser de manière satisfaisante le comportement jusqu’à la ruine de nombreux ouvrages du génie civil. L’objectif du travail de thèse est d’améliorer les capacités prédictives d’un modèle simple d’endommagement par microfissuration existant qui prend en compte les effets unilatéraux liés à l’ouverture-fermeture des microfissures. La nouvelle approche proposée est basée sur l’introduction d’un second phénomène dissipatif susceptible d’être induit lors de la fermeture des microdéfauts : le glissement avec frottement des lèvres en contact. La modélisation de ce nouveau mécanisme dissipatif s’effectue à l’échelle macroscopique en ne faisant référence à l’échelle inférieure ou aux résultats de la micromécanique des milieux microfissurés que pour interpréter ou justifier certaines hypothèses. Une attention particulière est accordée à la continue différentiabilité du potentiel thermodynamique proposé. L’étude et la simulation de différents essais permettent d’illustrer la pertinence des choix retenus. / Under loading, materials called 'quasi-brittle' as concrete and many rocks often exhibit progressive loss of stiffness, as well as anisotropic behavior, and asymmetric hysteretic. It is now widely accepted that this behavior highly nonlinear and complex, is mainly related to the creation, development and set of opening and closing of microcracks accompanied networks and sliding friction between the lips of microdefects in contact. In the context of a serious industrial use, the construction of a damage model simple, thermodynamically and mathematically reliable and providing an appropriate response for quasi-brittle materials until the onset of localization damage, is currently an important issue. It is indeed a necessary step before adequately modelling behavior to the ruin of many civil engineering works. The objective of this thesis is to improve the predictive capabilities of an existing simple model of damage by microcracking which takes into account unilateral effects related to the opening and closing of microcracks. The new approach is based on the introduction of a second dissipative phenomenon may be induced when closing microdefects: frictional sliding of the lips of microcracks. Modeling of this new dissipative mechanism occurs at the macroscopic scale by only referring to the lower scale or the results of the micro environments that microcracked to interpret or justify certain assumptions. Particular attention is paid to the continuous differentiability of the thermodynamic potential proposed. The study and simulation of various tests enable to illustrate the relevance of the choices made.

Ce travail porte sur la caractérisation des différentes propriétés physiques du composé Mn3Sn2 et de ses dérivés. Ce composé présente des propriétés magnétocaloriques remarquables qui font de lui un matériau réfrigérant prometteur pour une utilisation à grande échelle dans des systèmes de réfrigération magnétique à température ambiante. Dans un premier temps, des mesures de chaleur spécifique sous champ ont permis de compléter l'état des connaissances sur les propriétés magnétocaloriques du composé Mn3Sn2. Par la suite, l'étude des propriétés cristallographiques et magnétiques de l'alliage est abordée ; plus particulièrement la résolution de sa structure magnétique grâce à des mesures de diffraction des neutrons, ainsi que l'étude des symétries de la maille à l'aide de la théorie des groupes. Des mesures de spectrométrie Mössbauer viennent confirmer ces résultats et apportent des précisions quant aux mécanismes mis en oeuvre lors des transitions magnétiques. La diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron a ensuite permis d'étayer les hypothèses émises tout au long de ce travail. Enfin, l'étude de la structure par diffraction des rayons X sur monocristal conclut la caractérisation des propriétés structurales du binaire. La seconde partie de ce travail est consacrée à la synthèse et à la caractérisation des propriétés cristallographiques des dérivés pseudo-ternaires Mn3-xTxSn2 et Mn3Sn2-yXy (T = métal de transition, X = métalloïde). Une description détaillée du comportement magnétique et magnétocalorique de ces nouvelles familles de composés y est également présentée. De plus, dans le cas des alliages substitués au fer, des mesures de diffraction des neutrons permettent de comprendre et décrire les différentes configurations magnétiques adoptées après chaque transition magnétique / Not available

Les matériaux composites connaissent un intérêt croissant dans la majorité des secteurs de l’industrie en raison de leur faible poids propre et de leurs propriétés physico-chimiques intéressantes. Cependant, l’utilisation de ces matériaux a nécessité de conduire en parallèle des réflexions sur leur assemblage avec d’autres matériaux qui a donné naissance au développement de la technologie d’assemblage par collage structural. Cette technique qui permet de pouvoir assembler des matériaux de nature différente en limitant par exemple l’augmentation du poids propre de la structure n’est pas encore totalement maîtrisée. Pour cela, des développements sur la qualification des efforts d’adhésion ou sur la compréhension de la durabilité sont encore nécessaires. Cette thèse aborde la problématique de l’optimisation des assemblages collés et vise en particulier à étudier de manière plus précise l’utilisation de la courbure afin d’optimiser le transfert des efforts au sein du joint de colle. Deux types de colle, présentant l’une un comportement élastique fragile et l’autre un comportement élastoplastique ont été étudiés dans ce travail sur les différents volets analytique, numérique, et, expérimental. Il s’est avéré que la plasticité de l’adhésif semble améliorer la capacité de résistance du joint collé et sera alors un paramètre essentiel dans leur optimisation. Une étude de la géométrie courbe des joints collés acier/composite a été ensuite menée et il ressort de cette étude que cette géométrie est efficace pour augmenter la résistance d'un joint collé à la rupture. De plus, afin d’approfondir les connaissances sur le comportement mécanique du joint collé courbe, et en absence d’étude bibliographique suffisante sur ce type de collage, nous avons ensuite eu recours à la modélisation par la méthode des zones cohésives pour pouvoir aussi valider l’atout de la géométrie courbe par rapport à la géométrie plane. Ce travail s’est enfin intéressé à la durabilité mécanique de cette solution en abordant la thématique de la fatigue ; même si des investigations supplémentaires seront nécessaires, nous avons d’ores et déjà constaté que l’optimisation du joint par l’utilisation d’une colle élastoplastique et une géométrie courbe permet d’améliorer le comportement en fatigue de l’assemblage collé / Composite materials are gaining increasing interest in most of the industry sectors due to their low self-weight and their interesting physico-chemical properties. However, the use of these materials called for parallel reflections on their assembly with other materials which gave rise to the development of the structural bonding technology. This technique which allows to assemble materials of different natures by limiting, for example, the increase in the self-weight of the structure, is not fully mastered yet. For this purpose, further development on the qualification of the adhesion forces or on the understanding of durability are still necessary. This thesis addresses the problem of the optimization of adhesive bonded joints and aims in particular to study, more precisely, the use of the curvature in order to optimize the transfer of forces within the bonded joint. Two types of adhesive, one exhibiting a fragile elastic behavior and the other an elastoplastic behavior, have been studied in this work on the various analytical, numerical, and experimental aspects. We presumed that the plasticity of the adhesive appears to improve the strength of the bonded joints and; hence, shall be considered as an essential parameter in their optimization. A study of the curved geometry of the steel / composite bonded joints was then carried out, where it emerged that this geometry was effective in increasing the strength of the bonded joint and its ultimate capacity. Moreover, in order to extend the knowledge on the mechanical behavior of the curved bonded joints, and in the absence of sufficient bibliographical references on this type of bonding, we then resorted to the modeling by using the cohesive zone method to also validate the advantage of the curved geometry with respect to the plane geometry. This work finally focuses on the mechanical durability of this solution by addressing the fatigue thematic; even if additional investigations are needed, we have already found that the optimization of the joint by the use of an elastoplastic adhesive, and a curved geometry can improve the fatigue behavior of the adhesive bonded joints

L’efficacité énergétique d’un électrolyseur alcalin est liée aux surtensions de réactions aux électrodes. Dans le but d’améliorer cette efficacité, nous avons développé de nouvelles électrodes composites polymère/particules maximisant la surface active des meilleurs catalyseurs, les propriétés de conductivité électrique et de transport des espèces en choisissant le polymère-liant le plus avantageux pour la cinétique réactionnelle. Les notions théoriques et l’état de l’art des principaux matériaux d’anodes et de cathodes et des différents paramètres régissant le fonctionnement d’un électrolyseur alcalin sont présentés afin de faire une synthèse des nombreux travaux réalisés. Des méthodes de fabrication d’électrodes au laboratoire ou lors d’essais préindustriels ont été explorées et comparées. Les performances électrochimiques des cathodes et anodes composites développées pour les réactions de l’évolution d’hydrogène et d’oxygène en milieu alcalin concentré sont étudiées par voltammétrie cyclique, polarisation linéaire et spectroscopie d’impédance électrochimique. Ce travail donne lieu à la description des différents paramètres clés du fonctionnement des électrodes composites polymère/particules. Différentes formulations de cathodes et d’anodes ont donc été étudiées afin d’établir des corrélations entre les propriétés physico-chimiques des polymères liants et des particules sur le comportement électrochimique des électrodes réalisées. Ces résultats sont discutés en termes de surtension de réactions, de cinétique électrochimique et de densités de sites actifs. Enfin, les résultats de la mise à l’échelle des cathodes composites et de leur procédé de fabrication pour une application industrielle sont rapportés avec l’objectif d’intégrer celles qui ont démontré des performances supérieures à celles de l’état de l’art dans un dispositif prototype industriel d’électrolyse. La démarche de la mise à l’échelle, les moyens expérimentaux développés, et une partie des résultats des essais y sont présentés. / The electrolyzer efficiency is directly related to the electrode reaction overpotentials. To improve this efficiency, new composite electrodes with selected binders and electrocatalysts showing large active area have been formulated to enhance the electrochemical kinetics. First, a state of the art of electrode materials and electrolysis parameters have been reported in a relevant literature survey about different topics developed in the thesis manuscript. Then, a few laboratory and preindustrial electrode fabrication processes were explored and compared on both technical and economical aspects. Moreover, the electrochemical performances of composite cathodes and anodes for hydrogen and oxygen evolution reactions have been studied by cyclic voltammetry, linear polarization and electrochemical impedance spectroscopy. This comprehensive study leads to a precise description of the interfacial phenomena at the microscopic scale during gas production and the evaluation of key parameters for the formulation of advanced electrodes. Many electrode formulations were studied for the correlation of physicochemical properties of components and corresponding electrochemical behaviors. These results are discussed in terms of overpotentials, electrochemical kinetics and active site density. Finally, scale-up of composite cathode is reported. The aim of this work is to integrate the best formulated composite electrodes in a real scale prototype. The scale-up process, experimental devices developed and some electrochemical results are presented.

L’étude de l’incorporation de l’azote dans des bioverres du système SiO2-Na2O-CaO, a été abordée selon une approche globale de la synthèse des bioverres oxynitrurés et oxyfluoronitrurés jusqu’à leurs caractérisations physico-chimiques, mécaniques et biologiques. Les protocoles de synthèse de ces verres dopés à l’azote ont été mis en place. Les différents verres élaborés ont présenté une structure amorphe et homogène. Des analyses WDS ont confirmé l’insertion de l’azote dans ces verres. L’ajout du fluor dans la composition des verres a permis de conserver le maximum d’azote dans les verres. Des études structurales par RMN-MAS du 29Si pour les verres oxynitrurés (Si-Na-Ca-O-N), et parRMN-MAS du 29Si et du 19F pour les verres oxyfluoronitrurés (Si-Na-Ca-N-O-F), ont permis de mettre en évidence des entités constitutives du réseau silicate, et de confirmer aussi l’insertion de l’azote au sein du verre.L’étude de l’influence de l’azote introduit dans la matrice vitreuse sur les propriétés physicochimiques et mécaniques a également été étudiée, et a montré une augmentation de ces propriétés avec le taux d’azote.Le comportement des différents verres a ensuite été évalué lors de tests in vitro en milieu physiologique simulé pour différents délais d’immersion, en l’absence puis en présence de cellules. L’influence de l’azote inséré dans les verres sur la bioactivité a ainsi été étudiée. Enfin, une étude bactériologique a été réalisée sur les verres oxynitrurés et oxyfluoronitrurés. / This work presents the study of nitrogen addition in bioglasses of the system SiO2-Na2O-CaO. The purpose is to determine the effects of nitrogen addition on the physical and mechanical properties and the structure of oxynitride bioglasses based on the system Na2O-CaO-SiO2-Si3N4.In first time, the protocols of synthesis of these glasses were set up. The various elaborated glasses presented an amorphous and homogeneous structure. Analysis WDS confirmed the insertion of the nitrogen in these glasses. The addition of the fluorine in the composition of glasses allowed to keep themaximum of nitrogen in glasses. The glass transition temperature, density, hardness, elastic modulus and fracture toughness were measured and observed to increase linearly with nitrogen content. These increases are consistent withthe incorporation of N into the glass structure in three-fold coordination with silicon with result in extra cross-linking of the glass network. Structural studies by RMN-MAS of the 29Si for oxynitride glasses (Si-Na-Ca-O-N), and by RMN-MAS of the 29Si and the 19F for oxyfluoronitride glasses (Si-Na-Ca-N-O-F) and infrared spectroscopy have shown that all the N atoms are bonded to the Si atoms. The influence of the nitrogen inserted into glasses on the bioactivity was so studied. Finally, a bacteriological study was realized on oxynitride glasses and oxyfluoronitride glasses.

Partial differential equations having diffusive, convective and reactive terms appear naturally in the modeling of a large variety of processes of practical interest in several branches of science such as biology, chemistry, economics, physics, physiology and materials science. Moreover, in some instances several species or components interact with each other requiring to solve strongly coupled systems of convection-diffusion-reaction equations. Of special interest for us is the numerical treatment of the advection dominated continuum dislocation transport equations used to describe the plastic behavior of crystalline materials.Analytical solutions for such equations are extremely scarce and practically limited to linear equations with homogeneous coefficients and simple initial and boundary conditions. Therefore, resorting to numerical approximations is the most affordable and often the only viable strategy to deal with such models. However, when classical numerical methods are used to approximate the solutions of such equations, even in the simplest one dimensional case in the steady state regime for a single equation, instabilities in the form of node to node spurious oscillations are found when the convective or reactive terms dominate over the diffusive term.To address such issues, stabilization techniques have been developed over the years in order to handle such transport equations by numerical means, overcoming the stability difficulties. However, such stabilization techniques are most often suited for particular problems. For instance the Streamline Upwind Petrov-Galerkin method, to name only one of the most well-known, successfully eliminates spurious oscillations for single advection-diffusion equations when its advective form is discretized, but have been shown useless if the divergence form is used instead. Additionally, no extensive work has been carried out for systems of coupled equations. The reason for this immaturity is the lack of a maximum principle when going from a single transport equation towards systems of coupled equations.The main aim of this work is to present a stabilization technique for systems of coupled multidimensional convection-diffusion-reaction equations based on coefficient perturbations. These perturbations are optimally chosen in such a way that certain compatibility conditions analogous to a maximum principle are satisfied. Once the computed perturbations are injected in the classical Bubnov-Galerkin finite element method, they provide smooth and stable numerical approximations.Such a stabilization technique is first developed for the single one-dimensional convection-diffusion-reaction equation. Rigorous proof of its effectiveness in rendering unconditionally stable numerical approximations with respect to the space discretization is provided for the convection-diffusion case via the fulfillment of the discrete maximum principle. It is also demonstrated and confirmed by numerical assessments that the stabilized solution is consistent with the discretized partial differential equation, since it converges to the classical Bubnov-Galerkin solution if the mesh Peclet number is small enough. The corresponding proofs for the diffusion-reaction and the general convection-diffusion-reaction cases can be obtained in a similar manner. Furthermore, it is demonstrated that this stabilization technique is applicable irrespective of whether the advective or the divergence form is used for the spatial discretization, making it highly flexible and general. Subsequently the stabilization technique is extended to the one-dimensional multiple equations case by using the superposition principle, a well-known strategy used when solving non-homogeneous second order ordinary differential equations. Finally, the stabilization technique is applied to mutually perpendicular spatial dimensions in order to deal with multidimensional problems.Applications to several prototypical linear coupled systems of partial differential equations, of interest in several scientific disciplines, are presented. Subsequently the stabilization technique is applied to the continuum dislocation transport equations, involving their non-linearity, their strongly coupled character and the special boundary conditions used in this context; a combination of additional difficulties which most traditional stabilization techniques are unable to deal with. The proposed stabilization scheme has been successfully applied to these equations. Its effectiveness in stabilizing the classical Bubnov-Galerkin scheme and being consistent with the discretized partial differential equation are both demonstrated in the numerical simulations performed. Such effectiveness remains unaffected when different types of dislocation transport models with constant or variable length scales are used.These results allow envisioning the use of the developed technique for simulating systems of strongly coupled convection-diffusion-reaction equations with an affordable computational effort. In particular, the above mentioned crystal plasticity models can now be handled with reasonable computation times without the use of extraordinary computational power, but still being able to render accurate and physically meaningful numerical approximations. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La conversion d’énergie par effet thermoélectrique (TE), qui peut être utilisée pour convertir de la chaleur perdue en électricité, a reçu une attention soutenue ces dernières décennies. L’efficacité d’un système TE est caractérisé par le facteur de mérite adimensionnel, ZT=(S²σ/κ)T, où S, σ, κ, et T sont respectivement le coefficient Seebeck, la conductivité électrique, la conductivité thermique et la température absolue. Récemment, les matériaux à base de chalcogénures de cuivre ont attiré un intérêt au sein de la communauté de la thermoélectricité du fait de leur conductivité thermique faible, qui conduit à des propriétés thermoélectriques prometteuses. BiCuSeO et BaCu2Se2 sont deux de ces matériaux. Ils possèdent une conductivité thermique intrinsèquement très faible et un coefficient Seebeck élevé. Mais leur conductivité électrique est faible, ce qui limite l’amélioration de leurs propriétés thermoélectriques.Dans cette thèse, la conductivité électrique de BiCuSeO est améliorée par dopage par Ba et par texturation. Se est substitué à S dans BiCuSeO pour réduire les coûts et diminuer la conductivité thermique. Un dopage par Na est effectué dans BaCu2Se2 pour augmenter sa concentration de porteurs et améliorer sa conductivité électrique. / The thermoelectric (TE) energy conversion technology, which can be used to convert wasted heat into electricity, has received much attention in the past decade. The efficiency of TE devices is characterized by the dimensionless figure of merit ZT=(S²σ/κ)T, where S, σ, κ, and T are the Seebeck coefficient, the electrical conductivity, the thermal conductivity, and the absolute temperature, respectively.Recently, copper chalcogenides based materials have attracted extensive interest in the thermoelectric community due to low thermal conductivities, which lead to the promising excellent thermoelectric properties. BiCuSeO and BaCu2Se2 are two of them. They exhibit intrinsically very low thermal conductivity and large Seebeck coefficient. But their electrical conductivity is low, limiting the enhancement of their thermoelectric properties.In this thesis, Ba doping and texture are taken out in BiCuSeO to improve its electrical conductivity. Se is substituted by S in BiCuSeO to decrease its price and decrease its thermal conductivity. Na doping is taken out in BaCu2Se2 to increase its carrier concentration and improve its electrical conductivity.