Ce mémoire présente une étude sur le contrôle actif, à l'aide de piézocomposites, des déformations induites thermiquement dans les structures composites. L'actionneur utilisé est le MFC™, un piézocomposite récemment développé, innovant et performant. Le cas d'une plaque stratifiée non-symmétrique comportant deux actionneurs est traité. Un modèle par éléments finis est développé afin de prédire le comportement de cette structure et d'étudier les capacités du MFC™. La théorie est tout d'abord validée dans le cas où les actionneurs sont passifs, puis pour la compensation des déformations induites thermiquement dans la structure. Enfin, ce modèle numérique est modifié afin d'intégrer un processus de contrôle actif. Une démarche expérimentale est développée afin d'étudier physiquement le comportement de la structure. La bonne corrélation entre les résultats théoriques et expérimentaux permet d'une part de valider le modèle numérique et d'autre part de mettre en évidence les capacités de l'actionneur MFC™.

Ce mémoire présente les travaux de recherche effectués pour démontrer l'efficacité des actionneurs "Macro-Fiber Composite" (MFC TM) afin de contrôler activement la forme d'une structure en composite soumise à une perturbation thermique. Une étude numérique à l'aide du logiciel par éléments finis Abaqus a été menée parallèlement aux essais expérimentaux afin de prédire le comportement de la structure étudiée. Une étude analytique, numérique et expérimentale a permis de déterminer la géométrie nécessaire pour obtenir un gradient de température dans l'épaisseur de la structure assez important pour induire une déflexion mesurable. Ensuite, l'efficacité des actionneurs MFC TM à déformer une plaque sandwiche a été vérifiée. Un contrôle manuel est ensuite effectué lorsque la plaque sandwiche est déformée thermiquement. Finalement, une procédure expérimentale de contrôle actif basé sur les déformations de la plaque a été mise en place et vérifiée expérimentalement. Les résultats montrent que le contrôle de la forme de la plaque sandwiche est excellent

L'objectif du projet de recherche est de connaître le potentiel du piézocomposite MFC™ en tant qu'élément actif pour compenser les déformations induites thermiquement dans les structures composites. Un modèle numérique 3Dest donc développé à l'aide du logiciel de modélisation par la méthode des éléments finis ABAQUS afin de prédire la forme résultante des structures activées par l'actuateur MFC™. Afin d'utiliser le modèle, les propriétés élastiques et thermiques de l'actuateur sont estimées dans les plans 1-3 et 2-3 puisque les propriétés élastiques et thermiques sont données par le manufacturier seulement pour le plan 1-2. Par la suite, les coefficients d'expansion thermique et les coefficients de déformation piézoélectrique de l'actuateur sont mesurés. Une fois les propriétés de l'actuateur connues, sa capacité à déformer une structure simple est étudiée. La déflexion d'une plaque d'aluminium et d'une plaque composite [O4] induite par l'actuateur MFC™ lorsqu'une différence de potentiel est appliquée à ses bornes sont prédites par le modèle numérique. L'essai est ensuite reproduit expérimentalement. Finalement, la possibilité d'utiliser l'actuateur MFC™ afin de compenser les déformations thermiques dans les structures composites est étudiée. Pour ce faire, une plaque composite [0/90/90/90]T sur laquelle deux actuateurs MFC™ sont collés est modélisée dans le logiciel ABAQUS. Cette plaque est par la suite fabriquée et les résultats obtenus pour le modèle numérique et l'essai expérimental sont comparés. L'actuateur MFC™ peut compenser la déformation d'une plaque [0/90/90/90]T induite par une changement de température de 10°C. Le modèle éléments finis développé prédit précisément le comportement d'une structure simple activée par l'actuateur, mais est moins précis dans la prédiction de la forme résultante d'un composite [0/90/90/90]T soumis à un chargement thermique et activé par l'actuateur MFC™.

La piste d’atterrissage de Puvirnituq a été construite à l’aide d’un épais remblai comblant une vallée au fond de laquelle repose un dépôt de sédiments fins. Depuis la construction de la piste d’atterrissage, des tassements ont été observés à cet endroit. Des travaux d’agrandissement ont eu lieu sur la piste en 2009 afin de permettre l’atterrissage d’un Boeing 737 de la compagnie Air Inuit. Dans le cadre de ces travaux, la stabilisation thermique et mécanique du remblai a été réalisée. Un remblai convectif avec un système de ventilation a été construit. Une berme, faite à partir des mêmes matériaux granulaires que le remblai convectif, a été construite pour résister aux possibles forces latérales causées par une instabilité du remblai. Les travaux d’agrandissement de l’aéroport comprenaient également la déviation de l’eau s’écoulant dans la vallée. Un suivi des comportements thermique et mécanique a été réalisé sur une période de trois ans afin de valider l’efficacité des systèmes d’extraction de chaleur dans le contexte du remblai de Puvirnituq. Une simulation numérique du comportement thermique du sol a été effectuée à l’aide du logiciel GeoStudio. Cette simulation a permis de prédire l’évolution du front de dégel au cours des 20 prochaines années. Une étude de stabilité a été réalisée afin d’identifier les particularités d’une analyse de stabilité dans le contexte d’un pergélisol en voie de dégradation. / The Puvirnituq airstrip was originally constructed using a thick embankment near the center of the airstrip to fill a fine-grained sediment filled valley. Since the construction of the airstrip, subsidence has been observed in the thick-fill area. Construction work was done in 2009 to allow the landing of a Boeing 737. As part of this work, the thermal and mechanical stabilisation of the embankment that fills the valley was realized. A convective embankment with a ventilation system has been constructed. A berm, made with the same convective material was also constructed to resist a possible lateral instability of the embankment. The construction work also included the deviation of the small creek flowing in the valley. A thermal and mechanical behavior monitoring was made over a period of three years to validate the effectiveness of the heat extraction systems in the Puvirnituq context. A numerical simulation was performed using the software GeoStudio in order to predict the evolution of the thaw front in the next 20 years. A stability analysis was conducted to identify the characteristics of such an analysis in the context of degrading permafrost.

Les matériaux composites constituent de nos jours, de par leurs propriétés très prisées, des matériaux incontournables dans plusieurs secteurs industriels telles les industries aéronautique, automobile et navale. Bien que les applications industrielles aient été axées durant des décennies sur les matériaux composites à matrices thermodurcissables, les composites thermoplastiques à renforts continus connaissent actuellement un grand essor. Dans ce sens, des recherches considérables ont été menées sur la modélisation du comportement des matériaux thermoplastiques chargés de fibres continues à température ambiante. Cependant, la modélisation du comportement de ces matériaux à hautes températures et dans les conditions de mise en forme demeure une problématique d'actualité et relativement peu étudiée. Ce travail de thèse se veut une contribution à la modélisation du comportement des composites thermoplastiques à renforts continus dans les procédés de mise en forme. Deux directions de recherches ont été explorées. La première direction consiste à développer une loi constitutive viscoélastique orthotrope pour les milieux incompressibles, et sous l'hypothèse d'un processus isotherme. Dans cette optique, on se propose d'exploiter la théorie du modèle K-BKZ, destiné à la rhéologie des fluides viscoélastiques isotropes, pour une extension aux cas orthotrope et transversalement isotrope. Les tenseurs d'orientation des fibres sont introduits comme arguments de la fonctionnelle densité d'énergie libre pour tenir compte de la symétrie matérielle. La réponse du milieu est formulée en considérant les apports des constituants du milieu, pris séparément, augmentés de la réponse due aux interactions entre la résine et les fibres. Ce faisant, la densité d'énergie libre sera décomposée en un produit d'une fonction mémoire, responsable de la relaxation, et d'une fonction des déformations, laquelle a été scindée en la somme de quatre composantes : i) une fonction rendant compte du comportement de la matrice, ii) une composante responsable de la réponse de la première famille de fibres, iii) une composante responsable de la seconde famille de fibres et iv) une fonction rendant compte des interactions matrice-fibres. La seconde direction vise l'étude du phénomène de l'endommagement susceptible de toucher les composites thermoplastiques à renforts continus dans des conditions proches de celles de la mise en forme. Dans cette perspective, une loi constitutive hyperélastique orthotrope avec endommagement sera proposée. On fait appel à une approche thermodynamique classique, basée sur l'existence d'un potentiel d'énergie libre duquel découle le tenseur de contraintes, et au principe de la contrainte effective, bien connu de la théorie de l'endommagement. À l'instar du modèle viscoélastique orthotrope, la fonctionnelle densité d'énergie libre sera décomposée en la somme de quatre composantes responsables des réponses de la résine, des deux familles de fibres et des interactions matrice-fibres. Pour introduire le phénomène de l'endommagement, on associe à chaque constituant du milieu (i.e. les fibres et la résine) une variable d'endommagement isotrope. Chacune de ces variables est associée à la composante de l'énergie libre rendant compte du comportement du constituant qu'elle caractérise. Une loi d'évolution de l'endommagement isotrope est également associée à la composante de l'énergie libre responsable des interactions matrice-fibres. Les hypothèses d'un milieu incompressible et d'un processus isotherme ont été notamment retenues. Une campagne d'essais expérimentaux, axée sur des essais de traction dans les directions 0°/90° et ±45°, a été réalisée pour caractériser l'endommagement d'une classe de composite thermoplastique à renforts continus. Les résultats de ces essais ainsi que ceux rencontrés dans la littérature ont été exploités afin de réaliser une procédure d'identification inverse visant à tester l'aptitude des modèles de comportement proposés à reproduire des résultats expérimentaux. Des simulations par éléments finis de la mise en forme d'un composite thermoplastique à renforts continus ont été réalisées. Les résultats obtenus montrent que les modèles utilisés reproduisent des résultats physiquement admissibles et en concordance avec des observations expérimentales.

Les matériaux composites à matrices thermodurcissables et renforcés de fibres de verre ont des caractéristiques thermomécaniques élevées à l'état initial. Le développement de ces structures composites est étroitement liée à une meilleure connaissance de leur comportement en service face au vieillissement hygrothermique en particulier. La sensibilité des interfaces à l'humidité est retenue comme étant une cause majeure de la chute des propriétés mécaniques. La démarche de ce travail de thèse consiste à mener des investigations sur des matériaux composites unidirectionnels, permettant ainsi une sollicitation préférentielle de l'interface fibre/matrice. Une étude fine de l'interphase est menée afin de réunir des informations précises sur l'étendue de cette zone, sa structure et sa sensibilité vis-à-vis du vieillissement. L'étude des comportements de ces composites repose sur l'utilisation de techniques expérimentales de caractérisation à différentes échelles. Trois systèmes différents par leur mobilité moléculaire et leur comportement face au vieillissement sont étudiés. A l'état initial, l'étendue de la zone interfaciale a été estimée par la micro-analyse thermique localisée qui montre une augmentation de la mobilité moléculaire depuis la matrice jusqu'aux monofilaments. Quelle que soit la nature de la matrice, l'interphase a été trouvé sous-réticulée et /ou plastifiée. L'étude du vieillissement hygrothermique passe par la détermination des cinétiques d'absorption d'eau. Le modèle de Langmuir à deux phases est en accord avec les évolutions physiques observées. Dans les premiers temps de vieillissement, les molécules d'eau se lient par simple liaison hydrogène aux sites hydrophiles entraînant la plastification. Puis elles s'organisent en créant un réseau secondaire par des ponts intermoléculaires. La microanalyse thermique révèle en effet un réseau plus dense dans l'interphase en lien avec la chute des propriétés mécaniques du composite fragilisé à l'interface. La mobilité moléculaire et la nature de la matrice influencent donc le comportement hygrothermique.

Cette étude, inscrite dans le Programme National de Recherche NOREV (Nouveaux REfractaires Verriers), porte sur la simulation numérique par éléments finis du refroidissement post-coulée de réfractaires électrofondus à très haute teneur en zircone (THTZ). Un modèle numérique thermique du refroidissement d'une dalle a été développé, à partir de mesures thermiques réalisées dans un moule lors d'une coulée en usine. Ce calcul a permis de situer dans le temps, pour les différents points de la dalle, les phénomènes intervenant au cours du refroidissement : solidification, fluage et transformation de la zircone. Des essais mécaniques isothermes et anisothermes ont permis de définir les équations constitutives du comportement en fluage (écrouissage isotrope) et lors de la transformation de phase de la zircone (modèle de plasticité de transformation de Leblond). A partir des chargements thermiques, les contraintes générées au cours du refroidissement ont été calculées, ainsi que les contraintes résiduelles après retour à température ambiante. La transformation de phase de la zircone, qui induit un gonflement volumique de 4%, semble s'avérer être le phénomène physique le plus critique pour ces deux types de contraintes. Les études paramétriques réalisées ont prouvé l'intérêt du modèle numérique en tant qu'outil d'aide à l'amélioration du procédé en jouant sur les propriétés de divers paramètres : propriétés du matériau coulé, géométrie du moule, propriétés de ses constituants,...

Afin de remplacer les électrodes de carbone consommables dans le procédé d'électrolyse Hall-Héroult, le développement d'anodes inertes résistantes à l'oxydation est un défi technique pour les principaux leaders de la production d'aluminium. Certaines recherches actuelles se focalisent sur des cermets prometteurs et originaux constitués d'une matrice céramique biphasée et de particules métalliques dispersées, ayant une conductivité électrique et une résistance à la corrosion suffisantes à haute température. Jusqu'à présent, les études n'ont pas réellement pris en compte l'aspect thermomécanique qui est d'une importance primordiale pour les céramiques, en raison de leur comportement fragile et de leur sensibilité aux chocs thermiques. Supervisé par le groupe Rio Tinto Alcan et son Centre de recherche de Voreppe, le travail de thèse est axé sur le développement d'outils numériques intégrant le comportement mécanique du matériau pour le calcul des probabilités de rupture d'anodes. Le travail se base sur une étude expérimentale des propriétés mécaniques de la température ambiante à la température de l'électrolyse : paramètres statistiques de Weibull, module d'élasticité, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique, résistance au fluage... Les calculs par éléments finis tiennent également compte de l'oxydation progressive du matériau et des chargements thermomécaniques induits par l'environnement.

Cette étude concerne l’élaboration et la caractérisation de membranes composites de piles àcombustible PEMFC. Ces nouveaux composites associent un ionomère commercial leNafion® à des charges acides minérales qui sont des acides phosphoantimoniques. Descharges mono et triacides, H1 et H3, ont été utilisées à des taux massiques compris entre 5 et20%. Outre, leur contribution à la conduction protonique et à l’hydratation, les 2 chargesaméliorent sensiblement, même à faible taux, la tenue thermomécanique des membranes. Cerenforcement permet de diminuer l’épaisseur des membranes et donc la chute ohmique. Lestests en pile, réalisés dans une large gamme d’hydratation des gaz et de température,démontrent l’apport incontestable des charges, les membranes composites étant sensiblementplus performantes dès lors que la température de fonctionnement atteint ou dépasse 80°C. / This study deals with the elaboration and characterization of composite membranes intendedto be used in PEMFC. These new composites combine a commercial ionomer, Nafion®, withinorganic acidic fillers that are phosphatoantimonic acids. Mono and triacid fillers, H1 and H3, have been used at 5 to 20wt% contents. Besides, their contribution to proton conductionand hydration, both fillers markedly improve, even at low content, the thermomechanicalperformances of the membranes. This reinforcement allows the thickness and, therefore, theohmic drop to be decreased. The MEA tests, performed in a wide range of gas humidificationand temperature, indisputably demonstrate the benefic effect of the fillers; Compositemembranes performing significantly better as soon as the operating temperature reaches orexceed 80°C.

L'idée d'utiliser des fibres végétales naturelles comme renfort dans une matrice de polymère n'est pas tout à fait nouvelle, mais dans un contexte où le recours à des ressources renouvelables tend à devenir une priorité, elle est désormais considérée comme une voie prometteuse et doit poursuivre sa contribution aux objectifs de développement durable tout en continuant à répondre aux préoccupations environnementales. D'autant que des industriels ont déjà mis au point la production de composites renforcés de fibres végétales pour des applications ciblées. Ils s'efforcent donc d'élargir leurs marchés qui sont encore modestes. Seulement quelques dizaines de milliers de tonnes de fibres végétales sont intégrées aujourd'hui dans des composites, à comparer aux 2 millions de tonnes de fibres de renfort de synthèse utilisés par an [1]. Associer l'industrie du bois à celle des plastiques est un segment d'affaire qui peut permettre à l'industrie du bois de trouver des solutions adaptées à l'économie québécoise, en investissant dans la dans la recherche, l'innovation et la modernisation des équipements. Cela permet aussi d'accroître et de parfaire la production de produits tels que les panneaux à base de bois, les bois d'ingénierie, les bois-polymères, ainsi que d'autres produits à valeur ajoutée. Le renforcement d'un polymère avec des fibres naturelles qui ne sont pas compatibles avec la matrice produira un matériau totalement différent. D'un point de vue mécanique en général, cette charge améliore certaines propriétés comme la résistance mécanique et au fluage. Néanmoins, qu'en est-il pour leurs propriétés thermophysiques (conductivité et diffusivité thermique) qui sont des paramètres aussi importants pour prédire les variations de température au cours d'un processus spécifique? En particulier, dans le cas de procédés où les matériaux vont subir un changement de phase (c'est le cas du rotomoulage par exemple), où un risque de dégradation thermique est toujours présent dû au long cycle de production. Ces propriétés suscitent donc beaucoup d'intérêts pratiques et théoriques. C'est la raison pour laquelle un grand nombre de ces travaux ont été réalisés dans ce domaine. L'objectif principal de ce mémoire est de se confronter à certaines de ces difficultés pour tenter d'établir la relation entre le comportement thermique d'un composite bois-polymère et l'influence des paramètres tels que le taux de charges, l'orientation et le changement de température sur l'évolution des propriétés thermophysiques, et cela on déterminant les conductivités thermiques apparentes des composites étudiés et la création d'un modèle simplifié afin de simuler un cycle de rotomoulage, en tenant compte du changement de phase. On vise ici le rotomoulage comme procédé de mise en forme afin de simuler tous les phénomènes de transfert de chaleur, et cela pour un composite bois-polymère dont la variation des paramètres cités précédemment (taux de charge, l'orientation et la distribution de taille) sera maitrisée. Dans un premier temps, le travail consiste donc à développer un modèle de simulation pour prédire le comportement thermique d'un composite bois-polymère. Par la suite, il faudra déterminer l'influence du taux de charge sur l'évolution des conductivités thermiques en fonction de la température, à l'état solide et à l'état fondu de la matrice polymère. Ceci se fera en comparant les résultats entre la simulation et les résultats expérimentaux. La deuxième partie du projet consiste à prédire le comportement de ce composite avec un modèle thermique simplifié, pour un procédé de rotomoulage en tenant compte des paramètres essentiels et de voir aussi l'influence de toutes données qui peuvent être modifiées dans le but d'optimiser le cycle, de suivre l'évolution des températures dans les différentes couches de polymère/composite ainsi formé, au niveau du four et de l'air interne, de la température en chaque instant du cycle thermique, à différents temps de chauffe, etc. La dernière partie de ce mémoire discutera de tous les résultats obtenus et de conclure sur la validité du modèle de simulation dans le cas des calculs de conductivités thermiques et la modélisation du cycle de rotomoulage.