Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche européen (Transfeu), composé de 21 partenaires, dédié à l'estimation des effets du feu sur les personnes présentes dans un train et basée sur une méthodologie de sécurité incendie. L'objectif est de modéliser le comportement au feu d'un siège (matériaux multicouches) et d'un panneau vertical (composite) d'une voiture de train indépendamment de la source de feu et du design de la voiture. Le principe est basé sur l'étude de la réaction au feu de deux produits par une approche multi-échelle (de l'échelle de la matière à l'échelle réelle). A chaque échelle, les données expérimentales et numériques sont comparées et valident les processus de décomposition thermique et de combustion mis en jeu. Les données d'entrée sont estimées selon des essais normalisés ou à partir de la littérature et sont identiques pour toutes les échelles. Les phénomènes de décomposition thermique et de combustion sont simulés à partir d'un modèle de pyrolyse et d'un modèle de combustion à fraction de mélange. Cette comparaison, à complexité croissante, permet d'observer la capacité des modèles de FDS de reproduire des simulations réalistes. Les résultats permettent de souligner les limites des modèles et de les dépasser en proposant des solutions alternatives. / This thesis work comes within the framework of a collaborative European research program (Transfeu), dedicated to estimate the fire effects on people into a train coach, based on fire safety methodology. The objective is to model the fire behaviour of a multilayer seat materials and a composite wall panel in a coach independently of the fire source in order to estimate the safety level of a coach design scenario. The principle is based on a multi-scale approach of the reaction-to-fire of two products from the raw matter to the real scale. At each scale, experimental and numerical data are compared and then validated on the thermal decomposition and the combustion processes. The used input data are the same for all scales and estimated according to standard experimental tests or literature reviews. The thermal decomposition and the combustion phenomena are simulated from a pyrolysis and a mixture fraction combustion models. This comparison at increasing complexity allows observing the ability of the models to reproduce realistic simulations. The results allow to highlight the limits of the models and then to propose better solutions in order to overcome them.

Cette thèse s’intéresse à la caractérisation de couches diélectriques et magnétiques de structures multicouches par cavité résonante microonde. Les matériaux multicouches ont des propriétés électromagnétiques spécifiques et sont utilisés dans beaucoup de secteurs industriels, par exemple, dans les radiocommunications. La caractérisation électromagnétique reste une priorité pour la compréhension des caractéristiques de propagation des ondes électromagnétiques dans ces milieux. Dans ce travail de thèse nous proposons une nouvelle approche expérimentale pour déterminer les propriétés diélectriques effectives d’une structure multicouches en fonction des propriétés et de l’épaisseur de chacune des couches. En particulier, nous appliquons les expressions de permittivités issues de la méthode des perturbations utilisée en cavité résonante au cas d’un échantillon rectangulaire bicouche. L’analyse théorique établie a montré qu’une expression de simple proportionnalité reliant les propriétés diélectriques moyennes d’un matériau bicouche avec les propriétés diélectriques relatives et les épaisseurs des couches constituantes peut être obtenue. Cette méthode a été appliquée avec succès sur différents matériaux bicouches. En particulier, elle a permis la caractérisation d’une couche de YIG d’épaisseur très mince (19.6 μm) déposée par pulvérisation cathodique sur un substrat d’alumine en connaissant l’épaisseur et les propriétés diélectriques du substrat. La comparaison avec les résultats expérimentaux a révélé un bon accord entre théorie et mesure. L’analyse de l’incertitude associée au calcul de la permittivité par la méthode a montré une bonne sensibilité. Enfin, nous donnons les courbes de variation de la perméabilité effective mesurée pour un empilement bicouche avec une couche mince de YIG / This thesis aimed at characterizing the dielectric and magnetic layers of multilayer structures by using the technique of microwave resonant cavity. Multilayer structures have specific electromagnetic properties and are becoming increasingly important in many industrial domains, such as in radio-communication systems. The electromagnetic characterization remains a priority for understanding the characteristics of electromagnetic wave propagation in such environments. The thesis proposed a new experimental approach to determine the effective dielectric properties in a bilayer structure as a function of the characteristics and thickness of each specific layer. In particular, we apply the expressions of permittivities derived from the perturbations method which are used in resonant cavities in case of a bilayer rectangular sample. The established theoretical analysis leads us to propose a new expression of simple proportionality describing a relationship between the mean dielectric properties of a bilayer material and the relative dielectric properties and thickness of the constituent layers. The presented method has been successfully applied to different bilayer materials. Particularly, it allowed the characterization of a very thin layer (YIG layer) of thickness 19.6 microns deposited by cathodic sputtering on an alumina substrate by knowing the thickness and dielectric properties of this substrate. The comparison with the experimental results revealed good agreement between theory and measurement. The analysis of the uncertainty associated to the calculation of the permittivity by the presented method showed good sensitivity. Finally, we provide the curves of variation of the effective permeability measured for a bilayer stack

During this thesis, it has been proved that the electrical conductivity of multilayered and electrically anisotropic carbon fiber materials can be expressed by an equivalent second order tensor, which is equal to sum of each layer’s electrical conductivity tensor. The aforementioned equivalent electrical conductivity tensor is valid assuming that the material’s thickness is negligible compared to the other dimensions of the body. The mathematical expression for the prediction of the electrical conductivity of a multilayered material for any stacking sequence, is based on the electric current conservation, and was validated using different methods. Each layer’s electrical conductivity was experimentally studied at the two principal directions. Transverse to the fibers’ direction, an empirical model was developed for the prediction of the electrical conductivity as a function of the layer’s thickness, of the fibre volume fraction and of temperature. All cases involved the study of multidirectional and unidirectional carbon fiber materials without the presence of matrix (porous form – CF preform) as well as in the presence of polymeric matrix (CFRP). The validation of the equivalent tensor was achieved through three different ways: a) through the measurement of the electric resistance, for various stacking sequences, b) through the Joule heating effect, by recording and comparing the developing temperature field to the respective numerically calculated, c) through 3D numerical models which approximate the analytical solution of the 2D domain problem. Moreover using the finite difference method, certain electrothermal models were developed in order to study the temperature field for different stacking sequences. The electrical problem can be expressed by an elliptic PDE, for the case where the material is electrically anisotropic and homogeneous, or non-homogeneous. On the other hand, the transient heat transfer problem involves the case where the material is thermally anisotropic and homogeneous. Using the equivalent tensor, the 3D domain problem is simplified to a 2D domain problem resulting in less computational requirements for the solution of the problem. The present research study could be used in a plethora of application, such as the development of carbon fibre reinforced heating elements (direct heating CFRP molds) as well as damage detection in multidirectional composite materials with electrical conductive reinforcement. / Κατά τη διάρκεια της παρούσας διδακτορική διατριβής, αποδείχθηκε ότι η ηλεκτρική αγωγιμότητα των πολύστρωτων και ηλεκτρικά ανισότροπων υλικών με ίνες άνθρακα, μπορεί να εκφραστεί από έναν ισοδύναμο τανυστή δεύτερης τάξης, ο οποίος είναι το άθροισμα των τανυστών κάθε στρώσης. Ο ισοδύναμος τανυστής ισχύει υποθέτοντας ότι το πάχος συγκριτικά με τις υπόλοιπες διαστάσεις του υλικού είναι πολύ μικρό. Η μαθηματική έκφραση με την οποία μπορεί να προβλεφθεί η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός πολύστρωτου υλικού για οποιαδήποτε αλληλουχία στρώσεων αποδείχτηκε με συστηματικό τρόπο και βασίζεται στην αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα κάθε στρώσης μελετήθηκε πειραματικά στις δύο κύριες διευθύνσεις. Κάθετα στη διεύθυνση των ινών αναπτύχθηκε ένα εμπειρικό μοντέλο πρόβλεψης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας συναρτήσει του πάχους της στρώσης, της περιεκτικότητας σε ίνες άνθρακα και της θερμοκρασίας. Σε όλες τις περιπτώσεις μελετήθηκαν πολύστρωτα υλικά ινών άνθρακα χωρίς μήτρα (πορώδης μορφή-CF preforms) και με πολυμερική μήτρα (CFRPs). Η επιβεβαίωση της εγκυρότητας του ισοδύναμου τανυστή έγινε με τρεις διαφορετικούς τρόπους: α) μέσω μετρήσεων της ηλεκτρικής αντίστασης, για διαφορετικές αλληλουχίες στρώσεων, β) μέσω του φαινομένου Joule, καταγράφοντας και συγκρίνοντας το αναπτυσσόμενο θερμοκρασιακό πεδίο με το θερμοκρασιακό πεδίο που υπολογίζεται αριθμητικά, γ) μέσω τρισδιάστατων αριθμητικών μοντέλων όπου τείνουν στην αναλυτική λύση του δισδιάστατου προβλήματος. Στη συνέχεια αναπτύχτηκαν ηλεκτροθερμικά μοντέλα με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών με σκοπό τη μελέτη του θερμοκρασιακού πεδίου για διαφορετικές αλληλουχίες στρώσεων. Το ηλεκτρικό πρόβλημα εκφράζεται από μία ελλειπτική διαφορική εξίσωση όπου το υλικό είναι ηλεκτρικά ανισότροπο και ομογενές ή μη ομογενές ενώ το θερμικό πρόβλημα είναι θερμικά ανισότροπο και ομογενές. Χρησιμοποιώντας τον ισοδύναμο τανυστή το τρισδιάστατο πρόβλημα μετατρέπεται σε ένα δισδιάστατο πρόβλημα με αποτέλεσμα να απαιτούνται λιγότεροι πόροι για την επίλυση του προβλήματος. Η συγκεκριμένη εργασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μία πληθώρα εφαρμογών όπως στην ανάπτυξη και στη λειτουργία θερμαινόμενων στοιχείων ενισχυμένων με ίνες άνθρακα (καλούπια όπου το θερμαντικό στοιχείο το αποτελούν οι ίνες άνθρακα) αλλά και στην ανίχνευση βλάβης συνθέτων υλικών με αγώγιμη ενίσχυση.