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Inside a nuclear reactor core, the behavior of nuclear fuels is largely controlled by thermal phenomena. That is why it is very important to model the thermal behavior of fuels very precisely. A precise estimation of the fuel thermal conductivity is a key part of controlling the thermal phenomena occurring in irradiated fuels. This thermal property depends on several parameters such as the shape and spatial distribution of the pores in fuel microstructures.Standard UO2 nuclear fuels have been used in pressurized water reactors (PWR). They exhibit a standard network of pores with near-spherical shape. The effect of this porosity on the thermal conductivity of standard UO2 fuels has been studied extensively and accordingly modelled. By changing the manufacturing conditions of UO2 fuels, the fuels can exhibit very different pore networks compared to standard UO2 fuels in terms of shape, spatial distribution and volume fraction. However, the standard models only show the influence of the porosity volume fraction on the thermal conductivity of standard UO2 fuels and do not represent the thermal behavior of the manufactured UO2 fuels.The objective of this study is to develop a model that indicates the influence of porosity on thermal conductivity and that is representative of the thermal behavior of the manufactured UO2 nuclear fuels. This study is performed on non-irradiated UO2 fuels which simulate microstructures of non-irradiated and irradiated UO2 fuels.Two complementary approaches were used to develop and validate this model: 1) experimental characterizations of UO2 microstructures and 2) studies based on analytical and numerical homogenization.UO2 fuels were manufactured and their microstructures were studied using optical microscopy, SEM-FIB and X-ray tomography. Two types of porosity were identied: 1) sealed and near-spherical pores which are located in UO2 aggregates, and 2) an interconnected network of pores located at the interfaces of aggregates (named here "assembly porosity"). Several descriptive parameters (porosity volume fraction, shape, size, spatial distribution, angular distribution and interconnection) were estimated by immersion measurements and image analysis. Studies based on analytical and numerical homogenization were conducted. Numerical calculations using the Fast Fourier Transform method were performed on images of slice planes obtained withimaging technologies or 3D simulated microstructures generated with an original morphological model reproducing some characteristics of the observed porosity networks. The impact of the descriptive parameters on thermal conductivity was investigated. The significant impact of the spatial distribution and the interconnection of the assembly porosity on the thermal conductivity of manufactured UO2 fuels were highlighted. Finally, the proposed model was compared with experimental thermal diffusivity measurements obtained by the Flash method.Discrepancies between the model and the experimental measurements have been largely reduced with the proposed model compared with the standard models, which means that the developed model is more representative of the UO2 thermal behavior., En modifiant les conditions de fabrication, il est possible d'obtenir des microstructures de dioxyde d'uranium (UO2) possédant des réseaux de porosité différents (en termes de fraction volumique de pores, de taille, de morphologie et de distribution spatiale) par rapport à celui des céramiques utilisées comme combustibles standard dans le parc électronucléaire français.L'objectif est d'évaluer l'impact de la microstructure sur les propriétés thermiques d'un combustible UO2. Pour cela, un modèle donnant l'influence du réseau poreux sur la conductivité thermique d'une céramique UO2 est développé à partir d'une étude à 50°C sur des céramiques vierges représentatives de microstructures après fabrication et simulant l'évolution avec l'irradiation du réseau poreux observé sur des combustibles UO2 non standard.Le développement et la validation de ce modèle sont basés sur deux approches complémentaires : des caractérisations expérimentales de la microstructure des céramiques et des études par homogénéisation double-échelle (analytique et numérique).Des lots différents de céramiques UO2 ont été fabriqués de façon à obtenir des céramiques présentant des réseaux poreux variés en termes de fractions volumiques de porosité totale, ouverte et fermée. Deux familles de porosité ont été identifiées à l'aide de différentes techniques d'imagerie (microscopie optique, MEB-FIB et tomographie X) : la porosité occluse de forme quasi-sphérique et localisée dans les granulats d'UO2 et un réseau interconnecté de porosité localisée à l'interface des granulats (ce réseau est appelé dans cette étude porosité d'assemblage).Des paramètres descripteurs (taux, morphologie, taille pour les deux familles de pores et distribution angulaire pour la porosité d'assemblage) ont été déterminés par mesures par imbibition et par analyse d'images. La tomographie X et le MEB-FIB ont permis d'observer le caractère interconnecté 3D des pores d'assemblage. Des études par homogénéisation analytique et numérique (calculs par transformée de Fourier rapide) ont été réalisées afin d'évaluer l'impact de ces caractéristiques sur la conductivité thermique. Les calculs numériques ont été réalisés sur des images issues de plans de coupes obtenues par imagerie et ainsi que sur des images 2D et3D générées avec un modèle morphologique original reproduisant les spécificités des structures poreuses observées. Ces études ont mis en évidence l'impact important de la morphologie de type fissures, de la répartition spatiale et de l'interconnexion de la porosité d'assemblage sur la conductivité thermique des céramiques UO2. Des caractérisations sur céramiques proches du 100% dense ont par ailleurs permis d'évaluer la conductivité thermique de ces céramiquesdans ce cas limite. Finalement, le modèle proposé dépend du taux de porosité occluse et de la porosité d'assemblage, laquelle est assimilée à un réseau interconnecté de fissures distribuées autour des granulats UO2 et associée à une densité de fissures donnée. La comparaison de ce modèle aux mesures expérimentales de diffusivité thermique (méthode Flash) confirme le rôlemajeur joué par la porosité d'assemblage qui permet effectivement de différencier les propriétés thermiques des différents lots. Par ailleurs, le modèle reproduit les tendances associées à la dégradation de la conductivité thermique mesurée sur les céramiques étudiées.

Li-ion batteries are interesting for applications such as electric vehicles. They have indeed a high energy and power density, which makes them good substitutes for internal combustion engines. However, even if they are now quite widely used in many fields, there is still a need to optimize their performance. This requires a better understanding of the impact of the electrodes microstructure on their effective properties to narrow the gap between ideal and practical performance. Three-dimensional characteristics such as the carbon additive percolation or the tortuosity of the porosity have a strong impact on the electrode charge transport properties and power performance. The use of 3D imaging techniques such as X-ray tomography and serial focused ion beam and SEM tomography (FIB/SEM) is very powerful to quantify the electrode microstructures and interpret their charge transport properties. Furthermore, by processing the reconstructed volumes, one can use them as a basis for numerical simulations. We have chosen the FFT (Fast Fourrier Transform) method with "discrete" Green operator for numerical computations. These simulations can either be used to back calculate the phase (active material or conducting additive/binder) conduction properties from macroscopic electrical measurements by inverse method, or to predict the electrode effective conductivity from the phase conductivities. The 3D numerical microstructures obtained can also be modified in order to predict the influence of compositional changes in the electrode formulation on its properties. This study sets new tools to understand better the relationships between microstructure, effective electrical properties and the performance of Li-ion battery composite electrodes.; Cette étude porte sur la compréhension du lien existant entre l’architecture microstructurelle et les propriétés effectives de conductivité dans les électrodes des batteries Li-ion. Les batteries Li-ion sont très intéressantes pour des domaines tels que le transport électrique. En effet, elles présentent une grande densité d’énergie et de puissance ce qui en fait de bons substituts pour les moteurs thermiques. Cependant, même si elles sont maintenant assez largement utilisées dans beaucoup de domaines, il y a toujours besoin d’en optimiser les performances. Ceci passe par une meilleure compréhension de l’impact de la microstructure sur les propriétés effectives pour réduire l’écart entre théorie et pratique. L’attention est portée ici sur les électrodes positives des batteries lithium-ion. Les caractéristiques tridimensionnelles telles que la percolation des phases, leur tortuosité ou encore leurs dimensions caractéristiques ont un fort impact sur les propriétés à l'échelle macroscopique. Leur étude nécessite l’utilisation de techniques d’imagerie 3D comme la tomographie aux rayons X et la tomographie sériée par faisceau d’ions focalisés et MEB (FIB/SEM) pour obtenir des données quantitatives et en interpréter les propriétés de transport de charge. Ces volumes sont alors traités (segmentation et analyses morphologiques) et utilisés comme base pour des simulations numériques. La méthode FFT (Fast Fourrier Transform) avec opérateur de Green « discret » est choisie. Ces simulations permettent, soit de remonter aux propriétés de conduction électrique des phases, à partir de la mesure de la conductivité de l’électrode, par méthode inverse, soit de prédire la conductivité effective de l’électrode, en utilisant des propriétés mesurées expérimentalement sur les phases prises séparément. Les microstructures 3D numériques peuvent également être altérées afin de prédire l’impact, sur ses propriétés effectives, de changements de composition dans la formulation de l’électrode. De nouveaux outils consacrés à la meilleure compréhension de la relation entre microstructure, propriétés effectives et performance des batteries lithium-ion sont développés.

Li-ion batteries are interesting for applications such as electric vehicles. They have indeed a high energy and power density, which makes them good substitutes for internal combustion engines. However, even if they are now quite widely used in many fields, there is still a need to optimize their performance. This requires a better understanding of the impact of the electrodes microstructure on their effective properties to narrow the gap between ideal and practical performance. Three-dimensional characteristics such as the carbon additive percolation or the tortuosity of the porosity have a strong impact on the electrode charge transport properties and power performance. The use of 3D imaging techniques such as X-ray tomography and serial focused ion beam and SEM tomography (FIB/SEM) is very powerful to quantify the electrode microstructures and interpret their charge transport properties. Furthermore, by processing the reconstructed volumes, one can use them as a basis for numerical simulations. We have chosen the FFT (Fast Fourrier Transform) method with "discrete" Green operator for numerical computations. These simulations can either be used to back calculate the phase (active material or conducting additive/binder) conduction properties from macroscopic electrical measurements by inverse method, or to predict the electrode effective conductivity from the phase conductivities. The 3D numerical microstructures obtained can also be modified in order to predict the influence of compositional changes in the electrode formulation on its properties. This study sets new tools to understand better the relationships between microstructure, effective electrical properties and the performance of Li-ion battery composite electrodes.; Cette étude porte sur la compréhension du lien existant entre l’architecture microstructurelle et les propriétés effectives de conductivité dans les électrodes des batteries Li-ion. Les batteries Li-ion sont très intéressantes pour des domaines tels que le transport électrique. En effet, elles présentent une grande densité d’énergie et de puissance ce qui en fait de bons substituts pour les moteurs thermiques. Cependant, même si elles sont maintenant assez largement utilisées dans beaucoup de domaines, il y a toujours besoin d’en optimiser les performances. Ceci passe par une meilleure compréhension de l’impact de la microstructure sur les propriétés effectives pour réduire l’écart entre théorie et pratique. L’attention est portée ici sur les électrodes positives des batteries lithium-ion. Les caractéristiques tridimensionnelles telles que la percolation des phases, leur tortuosité ou encore leurs dimensions caractéristiques ont un fort impact sur les propriétés à l'échelle macroscopique. Leur étude nécessite l’utilisation de techniques d’imagerie 3D comme la tomographie aux rayons X et la tomographie sériée par faisceau d’ions focalisés et MEB (FIB/SEM) pour obtenir des données quantitatives et en interpréter les propriétés de transport de charge. Ces volumes sont alors traités (segmentation et analyses morphologiques) et utilisés comme base pour des simulations numériques. La méthode FFT (Fast Fourrier Transform) avec opérateur de Green « discret » est choisie. Ces simulations permettent, soit de remonter aux propriétés de conduction électrique des phases, à partir de la mesure de la conductivité de l’électrode, par méthode inverse, soit de prédire la conductivité effective de l’électrode, en utilisant des propriétés mesurées expérimentalement sur les phases prises séparément. Les microstructures 3D numériques peuvent également être altérées afin de prédire l’impact, sur ses propriétés effectives, de changements de composition dans la formulation de l’électrode. De nouveaux outils consacrés à la meilleure compréhension de la relation entre microstructure, propriétés effectives et performance des batteries lithium-ion sont développés.

This thesis aims to investigate the multiscale (nano-, micro-, and macro-scopic) behavior of the composites based on a fine investigation using the most modern techniques, to understand the interfaces and to quantify them. Two series of reinforcements on a micrometer scale, carbon fibers (CFs) and graphene-based materials, were studied here. To improve the interactions between these nanofillers and the surrounding polymer matrix, two major routes were used in this thesis: the oxidation of the fillers and the grafting of carbon nanotubes on their surface.The study itself was conducted on a microscopic scale on the interfacial strength between CFs and the epoxy matrix, with tensile tests carried out in-situ in the chamber of a double-column FIB-SEM microscope (scanning electron microscope coupled to a focused ion beam). The ion beam was used to mill a thin bond-shaped tensile specimen of composite containing both an epoxy and a CF part. Thetensile stress field was applied using the nanomanipulator and the test was observed both via the ionic and the electronic columns (with two different angles of view) to estimate the strain field, hence the interfacial strength when the failure is observed. A similar experiment was led on a composite with GNPs.Finally, the transmission electron microscopy (TEM) study of the interface region between the epoxy and the graphene-based nanofillers revealed the existence of an interphase and allowed to measure its thickness and give an indication of its nature. For this purpose, an EELS (electron energy-loss spectroscopy) analysis was carried out, making it possible to measure the density of the sample very locally (probe size of the order of a tenth of a nanometer) across or parallelly to an interface. A scenario on the chemical bonding modes between the two media as a function of the surface treatment used makes it possible to explain the nature of the observed interphases., Cette thèse vise à étudier le comportement multiéchelle (nano-, micro- et macroscopique) des composites, basé sur une étude fine utilisant les techniques les plus modernes pour comprendre les interfaces et les quantifier. Deux séries de renforts sur une échelle micrométrique, des fibres de carbone (CF) et des matériaux à base de graphène ont été utilisées ici. Pour améliorer l'interaction entre les nanorenforts et la matrice polymère, deux voies principales ont été utilisées dans cette thèse : l'oxydation des renforts et la greffe de nanotubes de carbone sur leur surface.L'étude en elle-même a été menée à une échelle microscopique pour étudier la résistance interfaciale entre une fibre de carbone (CF) et la matrice époxy, avec des essais de traction effectués in situ dans la chambre d'un microscope à double colonne MEB-FIB (microscope électronique à balayage couplé à un faisceau d'ions focalisé). Le faisceau d'ions a été utilisé pour découper une éprouvette de traction du composite contenant à la fois de l'époxy et de la CF. Le champ de tractiona été appliqué via le nanomanipulateur et l'essai a été observé via les deux colonnes ionique et électronique (sous deux angles de vue différents) et a permis d'estimer le champ de déformation, et donc la résistance interfaciale au moment de la rupture. Une expérience similaire a été menée sur un composite où les renforts sont des nanoplaquettes de graphène.Enfin, l'étude en microscopie électronique en transmission de la région de l'interface entre l'époxy et les renforts a révélé la présence d'une interphase et a permis de mesurer son épaisseur et donner une indication de sa nature. À cette fin, une analyse EELS (spectroscopie par pertes d'énergie des électrons) a été effectuée, permettant de mesurer la densité de l'échantillon très localement (taille de sonde de l'ordre du dixième de nanomètre) en travers ou parallèlement à l'interface. Un scénario sur les modes de liaison chimique entre les deux milieux en fonction du traitement de surface utilisé permet d'expliquer la nature des interphases observées.