Les analyses présentées dans ce mémoire portent sur l'endommagement et la rupture de matériaux hétérogènes. Le mécanisme principal de dégradation est la fissuration à l'échelle la plus petite. Une approche probabiliste s'avère être un outil efficace. Ceci concerne des matériaux à comportement fragile (céramiques, fontes GS sous sollicitation cyclique) ou quasi-fragile (céramiques monolithiques impactées ou renforcées par des fibres longues, ciments renforcés par des fibres longues ou courtes). Le dialogue entre les différentes échelles a d'une part permis de construire des modèles de prévision de l'endommagement et de la rupture. D'autre part, diverses stratégies d'identification des paramètres du matériau ont été mises en oeuvre.

Cette thèse porte sur l'étude de la durée de vie de composants et modules de puissance dans des environnements thermiques sévères, lorsque les modules de puissance sont amenés à travailler à haute température ou sous des cycles de température de forte amplitude. Les domaines visés par cette étude concernent plus particulièrement des applications extrêmement contraignantes telles que les applications aéronautiques. Un module de puissance est un assemblage de plusieurs matériaux (semi-conducteurs, brasures, céramiques, conducteurs) présentant des propriétés mécaniques, notamment de coefficient de dilatation thermiques (CTE) différentes. Les pertes dans les puces actives et les variations de température ambiante (profils de mission) sont responsables de contraintes mécaniques liées aux différences de CTE entre les différents matériaux. Les modes de défaillance étant principalement d'origine mécanique, ces travaux ont été effectués entre le SATIE et le LMT (Institut Farman). L'étude mécanique a complété des travaux expérimentaux de caractérisation et de vieillissement accéléré de modules de puissance à semi-conducteur. Ces études ont nécessité la mise en place d'essais de vieillissement spécifiques, passifs (utilisation d'une étuve permettant de contraindre les assemblages de puissance sous des cycles thermiques de grande amplitude) et actifs (utilisation de régimes extrêmes de fonctionnement tels que le court-circuit pour accélérer le vieillissement de certaines parties de l'assemblage).La première partie de ce manuscrit présente les principes physiques mis en jeu. Nous présenterons succinctement les concepts de mécanique de la rupture ainsi que les couplages physiques.La deuxième partie porte sur la rupture de la céramique des substrats DCB. Cette rupture peut provenir de défauts répartis aléatoirement dans le matériau. Nous aborderons le problème par une approche statistique où nous introduirons la "Théorie du maillon faible". L'autre cause de rupture est la présence de défauts géométriques que l'on appelle singularité où il existe une concentration des contraintes nécessitant une approche déterministe. A cette occasion nous introduirons le facteur d'intensité des contraintes qui permet d'étudier les problèmes de rupture liés à des zones singulières.La dernière partie portera sur la dégradation de la métallisation du transistor. La recherche d'indicateurs de vieillissement a demandé la mise au point de différents bancs de caractérisation électrique pour la mesure fine de différentes grandeurs électriques (courants de fuite, tensions de seuil, chute de tension à l'état passant...) dans un environnement thermique contrôlé. De plus ces caractérisations électriques sont corrélées à des observations de la métallisation effectuées par un microscope électronique à balayage de manière régulière. Nous chercherons à montrer comment la modification de la morphologie de la métallisation peut modifier les caractéristiques électriques des transistors de puissance testés.

Les câbles d’acier sont utilisés comme renforts au sein des pneumatiques poids lourds, et servent notamment à supporter les efforts dus à la pression de gonflage et au poids du véhicule. Un câble est un ensemble de fils d’acier perlitique assemblés en hélices sur différentes couches. Il existe donc de nombreuses possibilités d’assemblage pour définir l’architecture d’un câble. Lors de leur sollicitation en service, les câbles sont soumis à des chargements cycliques à l’origine d’un endommagement en fatigue. Dans un contexte de réduction de la consommation et d’allègement des véhicules, la compréhension des mécanismes impliqués représente donc un enjeu majeur pour les manufacturiers de pneumatiques, en vue d’optimiser l’architecture des câbles vis-à-vis de la tenue en fatigue. Un essai de flexion cyclique représentatif de la sollicitation en service a été mis au point. Les éprouvettes testées sont des nappes composites constituées de câbles alignés au sein d’une matrice de gomme. Des essais interrompus à différents stades de l’endommagement suivis d’observations ex-situ (tomographie à rayon X, MEB) ont été réalisés. Un modèle de simulation par éléments finis de la nappe composite a été développé en vue d’étudier les interactions filgomme. La comparaison des observations aux simulations a permis de comprendre la cinétique de l’endommagement des renforts lors d’une sollicitation de flexion cyclique.L’étude de chacun des mécanismes susceptibles de contribuer à l’endommagement d’un câble a permis d’expliquer la meilleure tenue en fatigue des architectures pénétrées par la gomme. Un outil probabiliste de prédiction de la durée de vie des câbles basé sur la propagation des défauts en surface des fils a été développé. / Steel cables are used as reinforcements in heavy truck tires, in particular to support the forces resulting from the tire pressure and the vehicle's weight. A cable is a set of pearlitic steel wires assembled in helical form on different layers. There are therefore many assembly possibilities to define the cable architecture. The cables are subjected to cyclic loadings during service, resulting in fatigue damage. In a context of reduced fuel consumption and lighter vehicles, understanding the mechanisms involved is thus a major challenge for tire manufacturers, in order to optimize the architecture of cables with respect to fatigue resistance. A cyclic bending test representative of mechanical in-service loading has been developed. The tested specimens are composite layers made of cables aligned within an elastomer matrix. Interrupted tests at different stages of damage followed by ex-situ observations (X-ray tomography, SEM) were performed. A finite element model of the composite layer has been developed in order to understand wire-rubber interactions. The comparison of the observations with the simulations made it possible to understand the kinetics of cable damage during cyclic bending loading.The study of each of the mechanisms likely to contribute to the cable damage has made it possible to explain the better fatigue resistance of the architectures penetrated by the rubber. A stochastic cable fatigue life model based on wire surface defect propagation has been developed.

La détection de masses rocheuses potentiellement instables et l'évaluation de leur probabilité de rupture pour une période donnée sont des éléments clés dans la prévention du risque d'éboulement.<br />25 éboulements rocheux (25-30 000 m3) survenus dans les massifs subalpins ont été analysés en détail. Une typologie des configurations d'instabilités en falaises calcaires a ainsi été élaborée et constitue un outil pour la détection de masses rocheuses potentiellement instables. Une analyse statistique portant sur 51 cas d'éboulements, montre que le gel/dégel est le principal facteur déclenchant. <br />Les analyses en retour réalisées par des méthodes d'équilibre limite et d'éléments distincts, montrent que la prise en compte des ponts rocheux est primordiale dans l'analyse de la stabilité et que leur cohésion obtenue par analyse en retour, est en moyenne 3 fois plus faible que celle fournie par les essais en laboratoire. <br />Nous avons donc proposé et testé différents modèles permettant de déterminer le temps à la rupture, pour différents processus. Les paramètres des lois modélisant le processus de propagation de fissures sous-critiques ont été estimés par des analyses en retour historique, en considérant un modèle d'érosion à l'échelle du versant, pour estimer la durée de vie moyenne des compartiments rocheux. Des essais en laboratoire seront nécessaires pour une meilleure estimation. Les vitesses de dissolution pour des plaquettes de roche exposées à la pluie sont trop faibles pour expliquer la décroissance surfacique des ponts rocheux. Des essais préliminaires ont montré l'influence du gel/dégel sur la propagation des fissures.

Cette thèse porte sur l'étude de la durée de vie de composants et modules de puissance dans des environnements thermiques sévères, lorsque les modules de puissance sont amenés à travailler à haute température ou sous des cycles de température de forte amplitude. Les domaines visés par cette étude concernent plus particulièrement des applications extrêmement contraignantes telles que les applications aéronautiques. Un module de puissance est un assemblage de plusieurs matériaux (semi-conducteurs, brasures, céramiques, conducteurs) présentant des propriétés mécaniques, notamment de coefficient de dilatation thermiques (CTE) différentes. Les pertes dans les puces actives et les variations de température ambiante (profils de mission) sont responsables de contraintes mécaniques liées aux différences de CTE entre les différents matériaux. Les modes de défaillance étant principalement d'origine mécanique, ces travaux ont été effectués entre le SATIE et le LMT (Institut Farman). L'étude mécanique a complété des travaux expérimentaux de caractérisation et de vieillissement accéléré de modules de puissance à semi-conducteur. Ces études ont nécessité la mise en place d'essais de vieillissement spécifiques, passifs (utilisation d'une étuve permettant de contraindre les assemblages de puissance sous des cycles thermiques de grande amplitude) et actifs (utilisation de régimes extrêmes de fonctionnement tels que le court-circuit pour accélérer le vieillissement de certaines parties de l'assemblage).La première partie de ce manuscrit présente les principes physiques mis en jeu. Nous présenterons succinctement les concepts de mécanique de la rupture ainsi que les couplages physiques.La deuxième partie porte sur la rupture de la céramique des substrats DCB. Cette rupture peut provenir de défauts répartis aléatoirement dans le matériau. Nous aborderons le problème par une approche statistique où nous introduirons la "Théorie du maillon faible". L'autre cause de rupture est la présence de défauts géométriques que l'on appelle singularité où il existe une concentration des contraintes nécessitant une approche déterministe. A cette occasion nous introduirons le facteur d'intensité des contraintes qui permet d'étudier les problèmes de rupture liés à des zones singulières.La dernière partie portera sur la dégradation de la métallisation du transistor. La recherche d'indicateurs de vieillissement a demandé la mise au point de différents bancs de caractérisation électrique pour la mesure fine de différentes grandeurs électriques (courants de fuite, tensions de seuil, chute de tension à l'état passant...) dans un environnement thermique contrôlé. De plus ces caractérisations électriques sont corrélées à des observations de la métallisation effectuées par un microscope électronique à balayage de manière régulière. Nous chercherons à montrer comment la modification de la morphologie de la métallisation peut modifier les caractéristiques électriques des transistors de puissance testés. / This PhD focuses on the study of the lifetime of components and power semiconductor modules under thermal constraints, when power devices are used at high temperature or under high temperature cycles. The areas covered by this study relate more particularly to extremely harsh applications such as aerospace constraints. A power device is an assembly of different materials (semiconductors, solders, ceramics, conductors) with mechanical properties, including coefficient of thermal expansion (CTE). Losses in the die and ambient temperature variations (mission pro les) are responsible for strain constraints at material interfaces due to CTE mismatch between the different materials. Failure modes result for mechanical constraints so study was done in collaboration between LMT and SATIE laboratories (Farman Institute). The mechanical study completed experimental characterizations and accelerated aging of power semiconductor modules. These studies involved the development of specific aging tests allowing thermal cycles (thermal air streamer to force the power assemblies under thermal cycles of high amplitude) and active power cycles (use of hard working conditions such as short circuit for accelerating the aging of parts of the assembly).The first part of this manuscript presents the physical principles set in. We briefly introduce the concepts of fracture mechanics and the physical couplings.The second part focuses on the fractured DCB ceramic substrates. This failure can arise from defects randomly distributed in the material. We consider the problem using a statistical approach where we introduce the "weak link theory". The other cause of failure is the presence of geometrical defects called singularity where there is stress concentration requiring a deterministic approach. On this occasion we introduce the stress intensity factor which allows to study the failure problems associated with singular zone.The last part will focus on the aging of the transistor metallization. The search for indicators of aging has requested the development of several electrical characterization test benches for the precise measurement of different electrical parameters (leakage currents, threshold voltages, voltage drop in the on state ...) in a controlled thermal environment. Moreover, these electrical characterizations are correlated with observations at different aging states of the metallization degradation using a scanning electron microscope. We seek to show how the change in the morphology of the metallization can change the electrical characteristics of tested power transistors.

Dans le contexte énergétique qui se profile, la production d’électricité par voie solaire thermodynamique s’avère une solution prometteuse, que ce soit pour des considérations économiques, d’échelle de production ou environnementales. Une voie d’amélioration du rendement des centrales solaires à tour consiste à utiliser des cycles thermodynamiques à haut rendement type cycles combinés. Cela nécessite de pouvoir fournir un fluide de travail pressurisé à très haute température (10bar et 1000°C minimum). Ce manuscrit présente les travaux menés afin de développer et de viabiliser un concept d’absorbeur solaire surfacique modulaire en céramique (carbure de silicium) capable de répondre à ces exigences. Le choix du carbure de silicium s’est imposé pour sa résistance aux hautes températures et aux problèmes d’oxydation. Cependant, l’utilisation d’une céramique comme matériau implique un risque de casse des modules. Les céramiques sont en effet fragiles lorsqu’elles sont soumises à des contraintes de traction. C’est la connaissance et la maitrise de ce risque qui fait l’objet de cette étude. L’approche adoptée combine le développement d’outils numériques et d’études expérimentales réalisées sur le site de la centrale solaire Thémis (Targassonne, 66, France). La méthodologie desimulation développée permet de prédire le comportement thermique et le comportement mécanique de l’absorbeur. Ceci permet de réduire les risques encourus par l’absorbeur et d’en connaitre les performances. Cette méthodologie a été éprouvée à l’aide des résultats expérimentaux. / For the future, using thermodynamical solar power plant seems to be a good solution to ensure electrical production. Solar tower plants are able to produce electricity in significant amount, are environmentally friendly and economically competitive. One way to increase the yield of these plants is using high efficiency thermodynamical cycles, like combined cycle. That requires to providing a working fluid at high temperature and high pressure (10bar and 1000°C at least). This PHD thesis presents the works performed to develop and enhance a concept of modular plate solar ceramic absorber that can ensure the required air production. We chose the silicon carbide as material due to its resistance to high temperatures and oxidation problems. The drawback is ceramic modules are weak to traction stresses. The study focuses on the knowledge and the control of this phenomenon. This work combines the developments of numerical tools and experimental studies performed at Thémis power plant (Targassonne, 66, FRANCE). The numerical method permits simulations to predict the thermal behavior and the mechanical behavior of a solar module absorber. It allows the reduction of the mechanical stresses undergone by solar receiver and the prediction of its performances. This methodology was tested using experimental results.

Cette thèse s’intéresse à l’utilisation de techniques de communications bidirectionnelles par optique sans fil pour le suivi à distance des données médicales d’un patient. Plus précisément, un lien infrarouge est considéré pour la voie montante entre un dispositif porté par le patient et plusieurs récepteurs disposés au plafond. Pour la voie descendante, on étudie un lien en lumière visible, lié aux sources d’éclairage de l’environnement. Afin d’illustrer le potentiel de la technologie pour ce type d’application, la contribution principale est l’étude des performances des canaux de communication infrarouge et visible en considérant le fait que le dispositif est porté par un patient en mouvement dans l’environnement. Après la description générale des communications par optique sans fil, les principes de base et les différentes caractéristiques sont plus particulièrement détaillés dans le domaine du visible dont le composant clé est la source LED pour la double fonction d’éclairage et de communication. La méthode utilisée pour la simulation du canal optique sans fil est basée sur un logiciel de lancer de rayons associé à la technique de Monte-Carlo qui permet une modélisation complexe du scénario de télésurveillance. L’étude du canal en visible a ainsi montré que pour prédire les performances avec fiabilité, il était important de modéliser la présence du corps du patient ainsi que les variations induites par son mouvement sur la position et l’orientation du dispositif porté. De plus, l’impact des propriétés de réflectivité optique du corps ne peut être négligé. La performance globale du lien bidirectionnel Infrarouge/Visible a ensuite été discutée en termes de probabilité de rupture pour les différentes contraintes en débit et en qualité de service associées à la plupart des applications médicales. Les différents résultats illustrent la faisabilité du scénario étudié et donc le potentiel de l’optique sans fil en alternative aux radiofréquences pour des applications de télésurveillance médicale. Pour conclure, des expérimentations en infrarouge permettent de valider les résultats du lien montant. Pour le lien descendant, un premier banc expérimental est présenté, permettant d’envisager de nombreuses perspectives. / This thesis focuses on bidirectional optical wireless communication techniques for the indoor monitoring of medical patient data. More precisely, the uplink uses infrared transmissions between a device carried by the patient and several receivers dispatched on the ceiling. For the downlink, the study deals with Visible Light Communications (VLC) using the lighting of the environment. In order to illustrate the potential of this technology for medical monitoring, the main contribution of this study consists in the evaluation of the infrared and visible channel performance considering a wearable device and patient mobility in the environment. After a general description of optical wireless communications, the thesis focuses on basic principles and characteristics of VLC, in particular the LED which is the key component allowing to provide both lighting and communication. The method used for the optical channel simulation is based on ray-tracing method associated with Monte-Carlo technique permitting a complex modeling of the studied scenario. From VLC channel study, it is shown that in order to carefully predict performance, it is important to model the presence of the patient’s body and to consider the variations induced by its movement on the position and the orientation of the wearable device. Moreover, the impact of body’s reflectivity optical properties cannot be neglected. The overall performance of the Infrared/Visible bidirectional link is then discussed in terms of outage probability for several data rates and qualities of services corresponding to several medical data types. The results highlight the feasibility of the considered monitoring scenario and the potential of optical wireless communication as an alternative for radiofrequencies regarding remote transmission. To conclude, some experimentations contribute to validation for the infrared uplink. Finally, the development of an experimental test bed on the visible downlink opens the way for future tests in order to validate the overall theoretical performances.