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A différentes étapes de la vie d'un matériau, on peut faire appel au rayonnement laser comme système de chauffage (élaboration et/ou mise en forme), outil de diagnostic (contrôle qualité), voire même comme arme de destruction (applications militaires).\\ Dans le cas des composites semi-transparents constitués de fibres de verre et de résine époxy, l'interaction avec un flux radiatif est un processus complexe car une partie de l'énergie incidente est absorbée et génère des sources volumiques de chaleur variables dans le matériau tandis que l'autre partie est transmise et/ou réfléchie vers le milieu environnant. Comprendre la propagation du rayonnement laser et plus particulièrement déterminer le profil d'absorption du flux est donc essentiel pour prédire son comportement thermique. Les propriétés radiatives et thermiques de ce type de matériau composite sont thermo dépendantes, ce qui complique d'autant le problème. Dans ce travail, nous avons utilisé un modèle thermique pour prédire le champ de température au sein d'un matériau composite fibre de verre/résine époxy soumis à rayonnement laser de haute énergie en prenant en compte l'évolution des propriétés radiatives et thermiques. Le modèle thermique est basé sur la résolution de l'équation de la chaleur par la méthode des éléments-finis (logiciel COMSOL Multiphysics). Le terme source de l'équation de la chaleur est calculé à partir des profils tridimensionnels d'absorption obtenus en résolvant l'équation de transfert radiatif par une méthode de Monte Carlo. Les propriétés radiatives utilisées ont été identifiées entre 20 et 450 °C. Les propriétés thermiques, à savoir l'émissivité, la masse volumique, la chaleur spécifique et la diffusivité thermique, ont été déterminées entre 20 et 400 °C à partir de différents dispositifs expérimentaux (DSC, ATG, méthode flash, spectrophotomètres, dilatomètre).\\ Afin de valider le modèle théorique, nous avons mis en place une expérience pour mesurer les températures sur les deux faces d'un échantillon plan soumis à de forts flux laser. Au cours de cette expérience, l'échantillon est soumis à trois densités de flux différentes, 75, 150 et 300 $W/cm^2$ sur une zone circulaire de 20 mm de diamètre au centre de l'échantillon pendant respectivement 10, 5 et 2.5 secondes. En raison de la différence de vitesse de chauffe utilisée lors des caractérisations des propriétés thermiques et radiatives et des tests en conditions réelles, la cinétique de chauffe est un paramètre important qui ne peut être négligé. Pour ce faire, nous avons utilisé la loi empirique d'Arrhenius qui permet d'associer les propriétés du matériau à l'évolution du taux de dégradation plutôt qu'à la température. Ainsi, elle réduit l'impact de la cinétique de chauffe sur les propriétés thermiques et radiatives. Le dispositif expérimental mis en place permet également de mesurer la transmittance normale-normale de l'échantillon testé. Cette mesure confirme l'impact de la cinétique de chauffe et donc l'intérêt d'utiliser la loi d'Arrhenius. Les résultats théoriques et expérimentaux sont cohérents pour les trois densités de puissance utilisées. Le modèle obtient des résultats très proches des mesures pendant la première partie du chauffage jusque 200 °C, en particulier pour la plus faible vitesse de chauffe.

This thesis concerns the structural health monitoring of aeronautical composite structures (SHM) using guided waves generated by piezoelectric transducers. The general objective is to propose and validate experimentally several methods to quantify the size of a delamination type damage present in the structure to be monitored. The first contribution of this thesis is the creation and publication of an open access and reusable database of SHM measurements from fatigue tests of composite structures representative of aeronautics components. The second contribution is the development and validation on damage of unknown size of a purely data-driven quantification approach that consists in training a mathematical model from labeled data and an original mathematical descriptor computed from localization images. The third contribution is the development and validation of a quantification method that relies on the estimation of damage-related parameters from a physical model and does not require reference data. To solve this inverse problem, an analytical model is developed to predict the signal measured by a piezoelectric sensor at the passage of a wave generated by a piezoelectric actuator and scattered by a damage. This model is limited to quasi-isotropic composite material and has been validated by comparison to finite elements method simulations. Based on this theoretical model, an identification tool is proposed to estimate the damage size and severity. These two quantification methods, one based on data and the other on a physical model, have been validated on signals from numerical simulations and on experimental signals from structures with realistic damages., Cette thèse concerne le contrôle de santé des structures composites aéronautiques (en anglais « Structural Health Monitoring » ou SHM) par ondes guidées générées par des transducteurs piézoélectriques. L’objectif général est de proposer et de valider expérimentalement des méthodes permettant de quantifier la taille d’un dommage de type délaminage présent dans la structure à surveiller. La première contribution de cette thèse est la création et la publication d’une base de données libre d’accès et de réutilisation de mesures SHM issues d’essais de fatigue de structures en composite représentatives de composants aéronautiques. La seconde contribution est le développement et la validation sur des dommage de taille inconnue d’une approche de quantification basée purement sur les données qui consiste à entrainer un modèle mathématique à partir de données labélisées et d’un descripteur original calculé à partir d’images de localisation. La troisième contribution est le développement et la validation d’une méthode de quantification qui repose sur l’estimation de paramètres liés au dommage à partir d’un modèle physique et qui ne nécessite pas de données de référence. Pour résoudre ce problème inverse, un modèle analytique est développé pour prédire le signal mesuré par un capteur piézoélectrique au passage d’une onde générée par un actionneur piézoélectrique et diffractée par un dommage. Ce modèle théorique est ensuite utilisé pour remonter à la taille et à la sévérité du défaut. Ces deux méthodes de quantification, basées l’une sur les donnée et l’autre sur un modèle physique, ont été validées sur des signaux issus de simulations numériques et sur des signaux expérimentaux sur des structures comportant des dommages réalistes.

Due to the multiple functionalities of zinc oxide (ZnO), it has been used in a wide variety of applications such as optoelectronics, chemical sensors, piezoelectric transduces and varistors. Composites of piezoelectric ZnO fillers embedded into a polymer matrix offer many potential benefits like high flexibility, low-cost, possible recyclability, tailored properties, adaptable to additive manufacturing, and easy integration to any shapes and dimensions. The goal of this research is to investigate full characterizations of piezoelectric system based on ZnO micro/nano structure in a macroscopic scale. This allows to a better understanding of the electromechanical coupling as well as the intrinsic dielectric, electrical, and mechanical properties of the matrix and filler, when being individual or combined together. Another aspect focuses on the development of optimized strategies based on experimental characterization and finite element method (FEM), with the intention of boosting the piezoelectric performance of ZnO micro/nano composites. Thus, a processive strategy was firstly proposed with ZnO particles incapsulated into polydimethylsiloxane (PDMS) matrix owning to their sample structure, low cost, easy process, and well-controlled elaboration. Experimental results revealed that a higher particle concentration gives rise to a substantial enhancement in the dielectric permittivity, the conductivity, the compressive elastic modulus, and the piezoelectric coefficient. More importantly, significant enhancements in those output performances have been successfully achieved via dielectrophoretic alignment of ZnO microparticles (MP) at moderate concentration. Additionally, a particular emphasis on the shape and size effect of the fillers (i.e., comprising spherical particles, microrods (MR) and nanowires (NW)) on the properties of ZnO composites was thoroughly explored via empirical characterization and numerical simulation. It is pointed out that composites of vertically aligned ZnO NWs grown by chemical bath deposition (CBD) method exhibited the maximum piezoelectric efficiency. FEM modeling was employed to drive the optimization strategies through adjustment of the key parameters such as Young’s modules and dielectric constant of the constituents, together with the density and dimension of NW itself. Furthermore, thanks to the investigation on the crystal defects from spontaneously grown ZnO NWs, two effective strategies including Sb-doping and thermal annealing were confirmed to decrease carrier concentration in ZnO, with the aim of weakening the undesired screening effect. Finally, flexible piezoelectric NWs composites based PDMS polymer substrate instead of the rigid silicon are investigated. Experimental results confirm high potential of the developed material in vivo biosensing and bio-detection applications, especially when flexible and stretchable devices are mandatory for medical uses., Grâce à ses multiples fonctionnalités, l’oxyde de Zinc est déjà utilisé dans de nombreuses applications du domaine de l’optoélectronique, des capteurs physico-chimiques, des composants électroniques ou encore des micro-dispositifs électromécaniques. Un matériau composite utilisant des charges ZnO incorporées dans une matrice polymère offre ainsi de nombreux avantages potentiels tels qu'une flexibilité élevée, un faible coût, une réelle recyclabilité et une intégration aisée, de plus adaptée à la fabrication additive sous toutes formes et dimensions. L'objectif de ces travaux est de mener une caractérisation complète à l’échelle macroscopique de composites piézoélectriques intégrant des structures micro/nano ZnO afin d’aboutir à une meilleure compréhension du couplage électromécanique. Dans ce but, la présente étude s’est d’abord orientée vers la mise au point d’un process de fabrication de composite, à faible cout, à l’élaboration simple et parfaitement maitrisée, basé sur l’utilisation des particules de ZnO encapsulées dans une matrice de polydiméthylsiloxane. Les résultats expérimentaux ont montré qu'une concentration de particule élevée entraîne une augmentation de la permittivité diélectrique, de la conductivité, du module élastique de compression et de la constante piézoélectrique. Plus important encore, une amélioration significative de ces caractéristiques a été obtenue avec succès grâce à l'alignement diélectrophorétique de microparticules de ZnO à concentration plus faible. Une étude de l’influence de la forme et de la taille des charges sur les propriétés des composites a également été menée en utilisant des particules sphériques, des microtubes ou des nanofils. Les composites utilisant un réseau vertical ordonné de nanofils ZnO obtenu par dépôt en bain chimique présente au final le couplage piézoelectrique le plus élevé. Des simulations par la méthode des éléments finis ont été utilisées dans ce sens pour optimiser l’activité piézoélectrique d’un composite à nanofils ZnO en fonction du module d’élasticité et de la constante diélectrique des éléments constitutifs ainsi que de la densité et des dimensions des nanofils. Il a également été établi que l’apparition de défauts cristallins lors de la croissance des nanofils de ZnO génère des porteurs de charges électriques qui ont un effet masquant sur l’effet piézoelectrique. Cette dégradation peut être atténuée par un dopage à l’Antimoine ou par un recuit thermique qui permet de diminuer la concentration de ces porteurs parasites. Au final, des composites flexibles piézoélectriques à nanofils ZnO ont été developpé en utilisant un substrat de type polymère PDMS au lieu d’un substrat rigide silicium. L’ensemble des résultats expérimentaux obtenus confirme l’excellent potentiel des matériaux développés pour toute application de biodétection in vivo nécessitant impérativement des dispositifs médicaux flexibles et extensibles.

CICE 2021, 10th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering, Istanbul, TURQUIE, 08-/12/2021 - 10/12/2021; Flax fiber reinforced polymer (FFRP) composites are demonstrating promising outcomes which makes them potential candidates to replace synthetic composites in various industrial applications. However, there is limited information regarding their long-term performance, and it is usually acknowledged that natural fibers are less resistant than their synthetic counterparts. In this context, it is crucial to study their durability before considering their use for structural rehabilitation and strengthening in construction. This study aims to investigate and predict the performance of FFRP composites with a bio-based epoxy matrix.The test program consisted in exposing FFRP laminates and FFRP strengthened concrete slabs to different accelerated ageing conditions over a total period of 2 years, and with various combinations of temperature and relative humidity in the ranges 20-60 °C and 50-100% RH, respectively. Series of tensile, short beam and pull-off tests were periodically performed on ageing samples in order to evaluate their property evolutions over exposure time in the various environments. Finally, collected experimental data were analyzed using statistical tools, in view of developing a degradation model and evaluating the service lifetime performance of this new bio-based composite.

Demandeurs: INSTITUT MINES TELECOM [FR]; The invention relates to a method for preparing a composite material comprising core-shell nanoparticles the core of which is made from a material which can absorb light and the shell of which is made from graphene, the method comprising the following steps: a) providing a substrate and an ink comprising nanoparticles which can absorb light, the nanoparticles being encapsulated in a polymer matrix; b) depositing the ink on a surface of the substrate, the surface or the ink comprising a carbon source selected from: • a polymer comprising an amide function and an aromatic function, • a hexose, • carbon nanoparticles, • self-assembled monolayers comprising aromatic rings, c) illuminating the surface of the ink-covered substrate with a pulsed light in order to bring the nanoparticles in the ink to a heating temperature greater than a dissociation temperature of the carbon in the carbon source, the carbon dissociated in this manner then being capable of diffusing or solubilising in the nanoparticles in the ink in order to form the composite material.; L’invention concerne un procédé d’élaboration d’un matériau composite comportant des nanoparticules de type cœur-coquille dont le cœur est fait d’un matériau apte à absorber la lumière et la coquille est faite en graphène, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) fournir un substrat ainsi qu’une encre comportant des nanoparticules aptes à absorber de la lumière, lesdites nanoparticules étant encapsulées dans une matrice polymérique ; b) déposer l’encre sur une surface du substrat, ladite surface ou ladite encre comprenant une source de carbone choisie parmi : un polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique, un hexose, des nanoparticules de carbone, des monocouches auto-assemblées comprenant des cycles aromatiques, c) illuminer la surface du substrat recouverte d’encre avec une lumière pulsée pour porter les nanoparticules comprises dans l’encre à une température d’échauffement supérieure à une température de dissociation du carbone compris dans la source de carbone, le carbone ainsi dissocié étant alors apte à diffuser ou à se solubiliser dans les nanoparticules comprises dans l’encre pour former ledit matériau composite.

International audience; Au Bénin, les déchets issus de la transformation du bois sont très insuffisamment valorisés dans une perspective de réutilisation par l’industrie du bois. Les technologies de transformation de ces produits connexes, économiquement accessibles aux populations des pays en développement, constituent un domaine très peu abordé dans la littérature internationale. Dans le présent travail, un matériau constitué d’un mélange de sciure de bois de teck et de pâte de polystyrène recyclés, suivant une technologie simple à mettre en œuvre et de type low-tech, a été caractérisé. Les résultats obtenus ont montré que les propriétés du composite varient significativement avec la granulométrie de la sciure utilisée. La masse volumique apparente du matériau est comprise entre 686 à 826 kg/m3, son taux d’absorption d’eau est inférieur à 15 % et son taux de gonflement en épaisseur est inférieur à 5 % après 24 heures d’immersion. Une corrélation élevée a été observée entre ses propriétés physiques et sa porosité qui varie de 34 et 43 % suivant la granulométrie des sciures de bois utilisées. Le composite présente un module d’élasticité en traction compris entre 582 à 1 057 MPa, une résistance en traction comprise entre 2 et 3 MPa et un coefficient de Poisson variant de 0,14 à 0,24. En compression, son module d’élasticité varie entre 270 à 470 MPa et sa résistance entre 6 à 9 MPa. Une mise en œuvre du composite ainsi élaboré peut être envisagée en substitution du bois pour des éléments faiblement chargés comme des pièces de coffrage de construction légère.

The development of composites based on plant fibres has considerably grown in last decades; however, their high sensitivity to moisture limits their use in structural applications. The objective of this study is to determine and understand the impact of moisture variations during one-year cyclic hygrothermal ageing i.e. 52 cycles on the transverse properties of a unidirectional epoxy flax composite. A cycle consists of 3.5 days at 90% RH followed by 3.5 days at 40% RH. Compared to the studies usually carried out to determine the impact of ageing on the longitudinal properties of unidirectional composites, the determination of the transverse mechanical properties during this type of ageing allowed to focus on the contribution of the matrix and the interface on the evolution of the composite properties. The multi-scale analyzes provided identification of the phases responsible for the evolution of transverse mechanical properties induced by ageing. The transverse ultimate tensile strength drops by about 20% after the first week of ageing and slightly decreases up to 2 months. This evolution seems to be induced by the creation of flaws, in particular the phenomena of fibre-fibre and matrix-fibre debonding and the creation of cracks in the fibres initiated at the lumen level, revealed by SEM. The transverse modulus also strongly drops after the first week by about 18% to reach about 45% loss after one year of ageing. These evolutions are mainly linked to the physical plasticization of the epoxy matrix demonstrated by the reversible change of its glass transition temperature, but analyses showed that water does not lead to chemical degradation of the matrix.

Flax fibers are commonly used to reinforce mechanical properties of polymer-matrix composites, but can also enhance antioxidative properties of polyethylene matrix: lignin, which is one of the components of plant fibers has the advantage of containing phenols, molecules well known for their antioxidant properties. In this study, its oxidative stabilization effect on unstabilized polyethylene matrix has been demonstrated. It has then been shown by thermal analysis, that the Oxidation Induction Time of the polyethylene matrix increases from 0 to 25 min when the flax fiber content is raised from 0 to 54%, and that the flax fibers cause a slight increase in the degradation temperature of the polyethylene matrix. During thermooxidative ageing, this study has highlighted that the flax fibers also improve the oxidative stability of the polyethylene by inhibiting the oxidation mechanisms of the polyethylene matrix.

In the framework of sustainable development policies, it is essential that infrastructure owners can rely on effective repair or strengthening solutions, designed and tested in relevance to actual service conditions. In the case of steel structures, fatigue damage is a major concern that can significantly affect the lifespan of the structure, and so far, there are very few operational methods capable of preventing fatigue cracks in the field. Adhesively bonded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites are being successfully applied to the rehabilitation of concrete structures for more than two decades, and they are currently receiving much interest for the strengthening of steel elements, but mainly for curative purpose after severe damage has occurred. In the present study, which is part of a European project called FASSTbridge, a specific CFRP system has been developed as a preventive method against fatigue damage of steel structures. The proposed system consists of a commercially available ultra-high modulus (UHM) CFRP composite plate compatible with the stiffness of the host steel structures, which is bonded to the steel support using a novel hybrid epoxy/polyurethane adhesive. A first part of the paper presents the main specifications that should be adopted in the design of CFRP strengthening systems applied to steel structures, and that were identified from an extensive literature survey. These specifications have guided the development of the polymer adhesive and the choice of a peculiar commercial CFRP plate in the preliminary phase of the project. Experimental characterizations were then conducted (i) on the formulated hybrid polymer adhesive to optimize its curing schedule and check the previous specifications are fulfilled, and (ii) on CFRP reinforced steel specimens in order to verify the effectiveness of the proposed strengthening system. This experimental program involved both short term and durability tests that were performed by different laboratories. Such an inter-laboratory study made it possible to verify the performances of the developed strengthening system and to assess the influence of installation parameters and environmental conditions. The authors wish to acknowledge Epsilon Composite Company for supporting the study. This work is part of the FASSTBRIDGE project. This project has received funding from the European Union’s Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration under grant agreement no 31109806.0008. FASSTbridge is co-funded by Funding Partners of The ERA-NET Plus Infravation and the European Commission. The Funding Partners of the Infravation 2014 Call are: MINISTERIE VAN INFRASTRUCTUUR EN MILIEU, RIJKSWATERSTAAT, BUNDESMINISTERIUM FÜR VERKEHR, BAU UND STADTENTWICKLUNG, DANISH ROAD DIRECTORATE, STATENS VEGVESEN VEGDIREKTORATET, TRAFIKVERKET – TRV, VEGAGERÐIN, MINISTERE DE L'ECOLOGIE, DU DEVELOPPEMENT DURABLE ET DE L'ENERGIE, CENTRO PARA EL DESARROLLO TECNOLOGICO INDUSTRIAL, ANAS S.p.A., NETIVEI, ISRAEL - NATIONAL TRANSPORT INFRASTRUCTURE COMPANY LTD, FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION USDOT

The invention relates to a method for preparing a composite material comprising core-shell nanoparticles the core of which is made from a material which can absorb light and the shell of which is made from graphene, the method comprising the following steps: a) providing a substrate and an ink comprising nanoparticles which can absorb light, the nanoparticles being encapsulated in a polymer matrix; b) depositing the ink on a surface of the substrate, the surface or the ink comprising a carbon source selected from: • a polymer comprising an amide function and an aromatic function, • a hexose, • carbon nanoparticles, • self-assembled monolayers comprising aromatic rings, c) illuminating the surface of the ink-covered substrate with a pulsed light in order to bring the nanoparticles in the ink to a heating temperature greater than a dissociation temperature of the carbon in the carbon source, the carbon dissociated in this manner then being capable of diffusing or solubilising in the nanoparticles in the ink in order to form the composite material., L’invention concerne un procédé d’élaboration d’un matériau composite comportant des nanoparticules de type cœur-coquille dont le cœur est fait d’un matériau apte à absorber la lumière et la coquille est faite en graphène, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) fournir un substrat ainsi qu’une encre comportant des nanoparticules aptes à absorber de la lumière, lesdites nanoparticules étant encapsulées dans une matrice polymérique ; b) déposer l’encre sur une surface du substrat, ladite surface ou ladite encre comprenant une source de carbone choisie parmi : un polymère comportant une fonction amide et une fonction aromatique, un hexose, des nanoparticules de carbone, des monocouches auto-assemblées comprenant des cycles aromatiques, c) illuminer la surface du substrat recouverte d’encre avec une lumière pulsée pour porter les nanoparticules comprises dans l’encre à une température d’échauffement supérieure à une température de dissociation du carbone compris dans la source de carbone, le carbone ainsi dissocié étant alors apte à diffuser ou à se solubiliser dans les nanoparticules comprises dans l’encre pour former ledit matériau composite.

In aerospace industry, composite materials with a fiber reinforcement and polymer matrix are interesting materials. Indeed, they can display very important mechanical and thermal properties with a very good density/stiffness ratio. Usually, thermal protections systems are made from a composite material containing a char precursor polymer matrix. For these applications phenolic (phenol-formaldehyde) resins are widely used with a char yield close to 60 %, an excellent dimensional stability and low cost. However the key issue is the free formaldehyde and free phenol contents of resins. Since 2004, formaldehyde is recognized as a carcinogenic agent and could be banned in 2026 by the REACh regulation. Phenol is toxic and suspected as carcinogenic. Consequently, in the near future, phenolic will need to be substituted. The aim of these works was to develop resins containing less than 0.1 % of free formaldehyde and free phenol. For this purpose three approaches were investigated. REACh compliant phenolic resins (particularly toward formaldehyde) were synthetized thanks to the addition of innovative amines while preserving thermomechanical properties. Moreover resins with “phenolic” chemistry using neither formaldehyde nor phenol were also obtained. Finally, phenolic resins with phthalonitrile moieties were developed to increase degradation properties of materials, Dans l’industrie aérospatiale, les matériaux composites à base d’un renfort apporté par des fibres (comme de carbone) et d’une matrice polymère sont des matériaux de choix. En effet, ils présentent des propriétés thermo-mécaniques très importantes tout en ayant un excellent rapport densité sur rigidité. Les systèmes de protections thermiques sont très couramment réalisés à partir d’un matériau composite contenant une matrice polymère précurseur d’un résidu carboné. Pour ces applications, les résines phénol-formaldéhyde sont très largement utilisées car elles présentent un rendement carbone proche de 60 %, une très bonne stabilité dimensionnelle et l’avantage d’être économiques. Cependant, la problématique de ces résines est qu’elles contiennent du formaldéhyde libre et du phénol libre. Or depuis 2004, le formaldéhyde est reconnu cancérigène et sera interdit d’ici 2026 par la réglementation REACh. Le phénol est quant à lui toxique et cancérigène suspecté. L’objectif de ces travaux a donc été de mettre au point des résines contenant moins de 0,1 % massique de formaldéhyde et de phénol. Pour cela trois approches ont été explorées. Des résines phénoliques conformes à la réglementation REACh (vis-à-vis du formaldéhyde) ont été synthétisées grâce à un ajout d’amines innovantes, tout en conservant les propriétés thermomécaniques. Par ailleurs, des résines avec une chimie « phénolique » mais n’utilisant ni formaldéhyde ni phénol ont été obtenues. Et finalement, pour augmenter les propriétés de dégradations des matériaux, des résines phénoliques avec des motifs phtalonitrile ont été développées.

Le secteur de la construction est l’un des plus énergivores en matière de consommation de ressources et d’énergie, de production de déchets et d’émission de gaz à effet de serre. Le taux de recyclage dans ce domaine est faible et engrange de sévères impacts environnementaux, en plus de ceux occasionnés par la production des matériaux. Pour répondre à cette problématique, l’Union Européenne et la Belgique encouragent le développement de nouvelles technologies de construction permettant une gestion plus durable des ressources naturelles. Dans cette démarche et vu la quantité annuelle de déchets produits par ce secteur, il existe une réelle opportunité à valoriser et à mettre à profit ces ressources pour ce même secteur. La recherche s’inscrit dans ce contexte en répondant à ces enjeux écologiques et économiques dans une démarche scientifique. L’objectif est de développer une nouvelle classe de matériaux composites éco-efficients, à haut potentiel de recyclage et de réemploi et à longue durée de vie à base de fibres recyclées, de sable recyclé et de chaux. Les fibres recyclées proviennent de déchets abondants et disponibles, biosourcés ou minéraux (comme des déchets de papier, de cellulose, de laine de verre, de laine de roche, …). Le sable recyclé provient du concassage de déchets inertes de construction. Un second objectif est de réduire sensiblement le bilan environnemental en comparaison avec des produits existants sur le marché, notamment en termes d’émissions de gaz à effet de serre et de consommation d’énergie sur l’entièreté du cycle de vie. Ceci sera permis grâce à un contenu recyclé d’au moins 75% et un procédé de fabrication simple. Le matériau étudié présentera également un potentiel de recyclage élevé et un potentiel de réintroduction dans le même processus de fabrication. La mise en œuvre et l’assemblage des applications seront réversibles, permettant le réemploi futur du matériau et ainsi une prolongation de sa durée de vie fonctionnelle. Les premiers travaux menés ont démontré le caractère innovant et le potentiel de ce matériau. La méthodologie de la recherche combine sélection rationnelle des matériaux, mise en œuvre réversible, caractérisation des microstructures, évaluation des propriétés et modélisation en visant des indices de performances environnementales élevés sous les contraintes architecturales. Les termes inter- et transdisciplinaire prennent tout leur sens dans cette recherche placée au croisement de plusieurs disciplines : la science des matériaux, la technologie constructive, l’éco-design (ACV et circular design) et une réflexion sur les filières d’approvisionnement et de déploiement de tels matériaux. Elle promeut l’intégration d’une démarche de science des matériaux dans le cadre d’un déploiement architectural et d’une approche environnementale circulaire tels que décrits plus haut. Cette recherche permet d’enrichir la démarche de sélection, et même d’éco-sélection des matériaux en y associant la dimension architecturale. Le caractère interdisciplinaire de cette recherche est également marqué par plusieurs collaborations de l’IMMC avec notamment le CSTC, qualifié pour l’évaluation des performances des éléments de construction et avec des industriels tels que la société KNAUF qui apporte son expertise et sa connaissance sur les matériaux et les procédés industriels de fabrication.

This work focuses on the modeling of acoustic emission (AE) in a microcomposite made of carbon fiber and epoxy matrix. The main objective of this thesis is to quantify the influence of the propagation medium and of the sensor on the acoustic signal related to the breakage of a fiber, via finite element simulations carried out using the ABABQUS® software. Several studies, based on pattern recognition techniques, have shown that it is possible to correlate each AE signal to the different damage mechanisms (fiber breakage, matrix cracking, interfacial fiber / matrix debonding, delamination, etc. ). However, the acoustic signature is not universal; it strongly depends on the material, the structure, the sensors and the acquisition system. In the AE qualitative analysis, propagation and signal modifications are not taken into account. In this context, the validation of the acoustic signature is delicate and the results are difficult to generalize. A quantitative approach based on the simulation of AE and the entire acquisition chain is necessary in order to make the use of AE more reliable and to give robustness to the diagnosis and prognosis. In this work, a numerical model of the carbon fiber failure embedded in an epoxy matrix is established. This numerical model is validated by comparison with the experimental results. A parametric study is carried out in order to identify the effect of the different parts of the AE chain, in particular the effect of the propagation medium and of the sensor. An extension of this numerical model is also proposed in order to simulate another AE source, the interfacial fiber / matrix debonding. These numerical AE signals can be used in addition to experimental data to build libraries for life prediction approaches, based on machine learning methods in a PHM (Prognosis Heath management) type approach., Ce travail porte sur la simulation de l’émission acoustique (EA) dans un microcomposite constitué d’une fibre de carbone et de matrice époxy. L’objectif principal de cette thèse est de quantifier l’influence du milieu de propagation et du capteur sur le signal acoustique lié à la rupture d’une fibre, via une simulation par Eléments Finis réalisée à l’aide du logiciel ABABQUS®. De nombreuses études, basées sur des techniques de reconnaissance de formes, ont montré qu’il est possible de relier chaque signal d’EA aux différents mécanismes d’endommagement (rupture de fibre, fissuration matricielle, décohésion interfaciale fibre/matrice, délaminage, …). Cependant, la signature acoustique n’est pas universelle, elle dépend fortement du matériau, de la structure, des capteurs et du système d’acquisition. Dans l’analyse de EA qualitative, la propagation et les altérations du signal ne sont pas prises en compte. Dans ce contexte, la validation de la signature acoustique est délicate et les résultats difficilement généralisables. Une approche quantitative basée sur la simulation de l’EA et de toute la chaine d’acquisition est nécessaire afin de fiabiliser l’utilisation de l’EA et de donner de la robustesse au diagnostic et au pronostic. Dans ce travail, un modèle numérique de la rupture de fibre en carbone noyée dans une matrice époxy est établi. Ce modèle numérique est validé par comparaison avec les résultats d’essais. Une étude paramétrique est effectuée afin d’identifier l’effet des différents éléments formant la chaîne d’EA, notamment l’effet du milieu de propagation et du capteur. Une extension de ce modèle numérique est également proposée afin de simuler une autre source d’EA, la décohésion interfaciale fibre/matrice. Ces signaux virtuels d’EA pourront être utilisés en complément de données expérimentales afin de construire des bibliothèques pour des approches de prévision de durée vie basées sur des méthodes d’apprentissage automatique dans une approche de type PHM (Pronostic Heath management).

Nowadays, composite materials make it possible to reduce the mass of parts and are widely used in the aerospace, aeronautics and automotive industries. In addition, the multilayered reinforcement of composites allows the design of thick structures such as the fan blades of aircraft engines. However, many defects can occur during the forming process of multilayered reinforcements, such as the wrinkling problem. Research on the formation of wrinkles, as well as on the tufting technology to improve the mechanical property of multilayered reinforcements in the direction of thickness are presented in this work. The first part of this report is a study of the formation of the wrinkles of multilayered reinforcements subjected to out-of-plane bending. Firstly, the influence of the different orientations of the layers on the formation of wrinkles is explored. The relationship between the load applied to the fabric and the creation of wrinkles is thus shown. The second chapter compares two types of weaving pattern on the drapability of the composite. The third part consists of developing two numerical models adapted to simulate the forming of tuft-bonded composite reinforcements. These approaches involve the use of a stress resultant shell element to represent each layer of reinforcement and bar elements to represent the tufting yarn. These models require a specific contact algorithm to manage the interaction between the reinforcement and the tufting yarn. Finally, the last part consists of validating the models by comparing simulations and experiments., De nos jours, les matériaux composites permettent de diminuer la masse des pièces et sont largement utilisés dans le domaine de l'aérospatial, de l'aéronautique et de l'automobile. De plus, les composites multicouches à renfort textiles permettent de la conception des structures épaisses telles que les aubes de la soufflante des réacteurs d'avion. Cependant, de nombreux défauts peuvent apparaître pendant le processus de mise en forme des renforts multicouches, comme des plissements. Des recherches sur la formation de plis, ainsi que sur la technique de piquage pour améliorer la propriété mécanique des renforts multicouches dans l'épaisseur sont présentées dans ce travail. La première partie de ce présent rapport consiste à étudier la formation de plis des renforts multicouches soumis à la flexion hors plan. Dans un premier temps, l'influence des différentes orientations des couches sur la formation de plis est explorée. La relation entre le chargement appliqué sur le tissu et la création de plissements est ainsi montrée. Le second chapitre consiste à comparer l'influence de deux types de tissage pour ce qui concerne la drapabilité du composite. La troisième partie propose deux modèles numériques adaptés pour simuler le drapage des renforts composites liés par piquage. Ces approches impliquent l'utilisation d'un élément fini de coque de type stress resultant pour représenter chaque couche de renfort et des éléments de barre pour représenter le fil de piquage. Ces modèles nécessitent un algorithme de contact propre pour gérer l'interaction entre le renfort et le fil de piquage. Enfin, la dernière partie consiste à valider les modèles par une comparaison entre les simulations et les essais expérimentaux.

International audience; This study deals with the analysis of the propagation of thermal radiation within absorbing and scattering composite materials with rough boundaries. The two-phase system (resin matrix and fibers reinforcement) is treated as an equivalent homogeneous medium characterized by volumetric radiative properties, namely extinction coefficient, scattering albedo, and phase function whereas the interaction of the radiation with the medium boundaries is modeled with boundary scattering properties. The aim is to determine these volumetric and boundary scattering properties by an inverse analysis for parameter identification. It consists of minimizing the sum of the squared difference between calculated and measured bidirectional and normal-hemispherical reflectances and transmittances. The Gauss Newton algorithm is employed for solving this nonlinear least squares problem. The experimental data are obtained by using a visible and near-infrared spectrophotometer equipped with a goniometric system enabling measurements in different scattering directions around a sample between 0.4 and 2.5 µm. The collision-based Monte Carlo method is employed to assess the theoretical values by solving the Radiative Transfer Equation (RTE) along with boundary conditions designed for samples with rough surfaces. The proposed approach is proved to be well appropriate for determining the radiative properties of the rough composite samples. More interestingly, this study demonstrates that the scattering phase function can be modeled by the Henyey and Greenstein approximation and the boundary scattering distributions can be modeled by a Gaussian function and/or a cosine function.

iDICs 2020, Digital image correlation standards, training, and global networking virtual conference, Nantes, FRANCE, 19-/10/2020 - 22/10/2020; Glass fiber composites are preferred as 3D printed materials for aerospace applications for their improved stiffness, strength and toughness. However, the effects of the anisotropy of printed material's microstructure on their mechanical properties are still not fully understood. The microstructure of a printed material is first quantitatively investigated via X-ray computed tomography, in terms of porosity and fibers size and orientation distributions. The DIC and DVC analysis of a complex ex situ compression test is then presented. Several fracture mechanisms are observed.

Following the significant improvement in their properties during the last decade, Distributed Fiber Optics sensing (DFOs) techniques are nowadays implemented for industrial use in the context of Structural Health Monitoring (SHM). While these techniques have formed an undeniable asset for the health monitoring of concrete structures, their performance should be validated for novel structural materials including Ultra High Performance Fiber Reinforced Cementitious composites (UHPFRC). In this study, a full scale UHPFRC beam was instrumented with DFOs, Digital Image Correlation (DIC) and extensometers. The performances of these three measurement techniques in terms of strain measurement as well as crack detection and localization are compared. A method for the measurement of opening and closing of localized fictitious cracks in UHPFRC using the Optical Backscattering Reflectometry (OBR) technique is verified. Moreover, the use of correct combination of DFO sensors allows precise detection of microcracks as well as monitoring of fictitious cracks&rsquo, opening. The recommendations regarding use of various SHM methods for UHPFRC structures are given.

Drilling of bone is a fundamental surgical skill in specialties such as orthopedics, dentistry, and neurosurgery. Facing the aged society of our time, the number of surgical operations is estimated to increase along the enlargement in the proportion of elderly people. In order to fulfill the drastically growing demands of medical care, it is necessary to permit high-efficiency surgical training of doctors and development of performant medical devices. Bone biomodels are indispensable for surgical training and mechanical tests of medical devices, having their advantages in the ease of handling and consistency of material properties. However, a bone biomodel produced under the standard specification was reported to show different drilling characteristics compared to those of natural bone. In order to develop bone biomodels that cover drilling characteristics of natural bone, the objective of this thesis was to find out the relationship among drilling and mechanical properties, and tactile feedback during drilling. This is based on the assumption that drilling can be characterized by drilling properties described by cutting forces and cutting temperature, and those drilling properties are affected by mechanical properties of work materials, and likewise affects tactile feedback during drilling. In this study we fabricated composite materials consisting of acrylic resin and ceramic additives, and looked into the effects of additives on mechanical and drilling properties, and tactile feedback of composite materials. Drilling tests were carried out with the composite materials and controls such as natural bone and Sawbones test materials. Drilling were performed under both constant feed rate and constant thrust force. Besides, mechanical tests such as bending tests, microindentation tests, and fracture toughness tests were performed. Furthermore, tactile feedback during drilling was obtained by manual drilling of experienced surgeons. The experimental results suggested that additives can alter both drilling and mechanical properties. This effect becomes larger with the increase in additive amount up to 40 wt%. Acrylic composite materials including 20 wt% of alumina cement exhibit the good similarity to natural bone in tactile feedback during drilling. This result is considered to be attributed to equivalent thrust force during manual drilling, which is brought by the changes of mechanical properties of the acrylic resin owing to additives. Thrust force can be more dominant rather than torque in tactile feedback because the magnitude of applied force in vertical axis is one-hundred times larger than in lateral axis in drilling., Le perçage d’os est une compétence chirurgicale fondamentale dans les spécialités telles que l’orthopédie, la dentisterie et la neurochirurgie. Face à la société vieillissante de notre époque, le nombre d'opérations chirurgicales devrait augmenter avec l'élargissement de la proportion de personnes âgées. Afin de répondre aux exigences de plus en plus fortes des soins médicaux, il est nécessaire de permettre une formation chirurgicale adaptée des médecins et le développement de dispositifs médicaux performants. Les biomodèles d’os sont indispensables pour la formation chirurgicale et les essais mécaniques des dispositifs médicaux, avec leurs avantages dans la facilité de manipulation et la cohérence des propriétés des matériaux. Cependant, un biomodèle d’os produit selon les spécifications présenterait des caractéristiques de perçage différentes de celles de l'os naturel. Afin de développer des biomodèles d’os qui couvrent les caractéristiques de perçage de l'os naturel, l'objectif de cette thèse a été de découvrir les relations parmi les propriétés mécaniques, et les propriétés de perçage et la rétroaction tactile. Ce travail est basé sur l'hypothèse que le perçage peut être caractérisé par des propriétés de perçage décrites par les forces de coupe et la température de coupe et que ces propriétés de perçage sont affectées par les propriétés mécaniques des matériaux de travail qui affectent également la rétroaction tactile pendant le perçage. Dans cette étude, nous avons fabriqué des matériaux composites constitués de résine acrylique et d'additifs céramiques et nous avons examiné les effets des additifs sur les propriétés mécaniques et de perçage, ainsi que le retour tactile. Des essais de perçage ont été effectués avec les matériaux composites, de l'os naturel et du Sawbones. Le perçage a été effectué à la fois à vitesse d'avance constante et à force de poussée constante. En outre, des essais mécaniques tels que des essais de flexion, des essais de micro-indentation et des essais de ténacité ont été effectués. De plus, des mesures de rétroaction tactile pendant le perçage ont été effectuées par perçage manuel de chirurgiens expérimentés. Les résultats suggèrent que les additifs peuvent modifier à la fois les propriétés de perçage et les propriétés mécaniques. Cet effet devient plus important avec l'augmentation de la quantité d'additif jusqu'à 40% en poids. Les matériaux composites acryliques comprenant 20% en poids de poudre d'alumine présentent une bonne similitude avec l'os dans la rétroaction tactile pendant le perçage. Ce résultat est considéré comme étant attribué à une force de poussée équivalente lors du perçage manuel, qui est due aux changements des propriétés mécaniques de la résine acrylique dus aux additifs. La force de poussée peut être plus dominante que le couple dans la rétroaction tactile car la magnitude de la force appliquée dans l'axe vertical est cent fois plus grande que dans l'axe latéral lors du perçage.

The objective of this thesis is the characterization of the mechanical behavior and the damage of a woven jute / polyester composite. natural fibers are indeed an interesting ecological alternative to synthetic fibers, in particular glass fibers which are the most used for composite manufacturing. The studied composite is developed in the LMNM laboratory at IOMP, Sétif, Algeria. Two fibre orientations ([0] 8 and [+ 45 / -45] 2S) are considered. The mechanical characterization is carried out in monotonic tensile and compression as well as in cyclic fatigue. Mechanical and microstructural characterizations are carried out in the MATEIS laboratory. The study of the damage is carried out by combining five techniques: the evolution of mechanical parameters via cyclic and fatigue tests, microscopy, acoustic emission (EA), image correlation and micro- RX tomography. The study of the evolution of the mechanical parameters combined with the global analysis of the AE provides first indicators concerning the development of the damage during the tests. Microstructural analyzes allow to finely identify the damage mechanisms that occur during mechanical tests (fiber / matrix decohesions, matrix cracks and fiber breakage). For the segmentation of acoustic emission signals in monotonic tests, an unsupervised classification is used, emphasizing the choice of descriptors and the labeling of the classes obtained. Tensile tests instrumented by image correlation as well as in situ tensile tests under tomography allow to identify the chronology of appearance of the damage. These results are also used to label the obtained classes . The labeled signals are then used to create a library to identify the chronology of evolution of the modes of damage in cyclic fatigue achieved by supervised classification. Finally, all these analyzes made it possible to establish damage scenarios for the different damage modes and for the two orientations. It is thus possible to reconsider the development to optimize the mechanical properties., L’objectif de cette thèse est la caractérisation du comportement mécanique et de l’endommagement d’un composite tissé jute/polyester. Les fibres végétales constituent en effet une alternative écologique intéressante à l’utilisation des fibres synthétiques, en particulier les fibres de verre qui sont les plus utilisées pour les pièces composites de grande diffusion. Le composite est développé au sein du laboratoire LMNM à l’IOMP, Sétif, Algérie. Deux orientations ([0]8 et [+45/-45]2S) sont considérées. La caractérisation mécanique est effectuée en traction et compression monotones ainsi qu’en fatigue cyclique. Les caractérisations mécaniques et microstructurales sont réalisées au sein du laboratoire MATEIS. L’étude de l’endommagement des composites est réalisée en combinant cinq techniques : l’évolution des paramètres mécaniques via des essais cyclés et de fatigue, la microscopie, l’émission acoustique (EA), la corrélation d’images et la micro-tomographie RX. L’étude de l’évolution des paramètres mécaniques accompagnée de l’analyse globale de l’EA fournit des premiers indicateurs quant au développement de l’endommagement lors des essais. Les analyses microstructurales permettent d’identifier finement les différents mécanismes d’endommagement qui surviennent lors des sollicitations mécaniques (décohésions fibre/matrice, fissurations matricielles et rupture de fibres). Pour la segmentation des signaux d’émission acoustique en traction et en compression monotones, une classification non-supervisée est utilisée en mettant l’accent sur le choix des descripteurs et sur la labellisation des classes obtenues. Des essais de traction instrumentés par corrélation d’images ainsi que des essais de traction in-situ sous tomographe permettent d’identifier la chronologie d’apparition de l’endommagement. Ces résultats permettent également de labelliser les classes obtenues. Les signaux labellisés servent ensuite à créer une bibliothèques pour identifier la chronologie d’évolution des modes d’endommagement en fatigue cyclique réalisée par classification supervisée. Enfin, toutes ces analyses ont permis d’établir des scénarios d’endommagement pour les différents modes d’endommagement et pour les deux orientations. Il est ainsi possible de reconsidérer l’élaboration pour optimiser les propriétés mécaniques.

The objective of this thesis is the characterization of the mechanical behavior and the damage of a woven jute / polyester composite. natural fibers are indeed an interesting ecological alternative to synthetic fibers, in particular glass fibers which are the most used for composite manufacturing. The studied composite is developed in the LMNM laboratory at IOMP, Sétif, Algeria. Two fibre orientations ([0] 8 and [+ 45 / -45] 2S) are considered. The mechanical characterization is carried out in monotonic tensile and compression as well as in cyclic fatigue. Mechanical and microstructural characterizations are carried out in the MATEIS laboratory. The study of the damage is carried out by combining five techniques: the evolution of mechanical parameters via cyclic and fatigue tests, microscopy, acoustic emission (EA), image correlation and micro- RX tomography. The study of the evolution of the mechanical parameters combined with the global analysis of the AE provides first indicators concerning the development of the damage during the tests. Microstructural analyzes allow to finely identify the damage mechanisms that occur during mechanical tests (fiber / matrix decohesions, matrix cracks and fiber breakage). For the segmentation of acoustic emission signals in monotonic tests, an unsupervised classification is used, emphasizing the choice of descriptors and the labeling of the classes obtained. Tensile tests instrumented by image correlation as well as in situ tensile tests under tomography allow to identify the chronology of appearance of the damage. These results are also used to label the obtained classes . The labeled signals are then used to create a library to identify the chronology of evolution of the modes of damage in cyclic fatigue achieved by supervised classification. Finally, all these analyzes made it possible to establish damage scenarios for the different damage modes and for the two orientations. It is thus possible to reconsider the development to optimize the mechanical properties.; L’objectif de cette thèse est la caractérisation du comportement mécanique et de l’endommagement d’un composite tissé jute/polyester. Les fibres végétales constituent en effet une alternative écologique intéressante à l’utilisation des fibres synthétiques, en particulier les fibres de verre qui sont les plus utilisées pour les pièces composites de grande diffusion. Le composite est développé au sein du laboratoire LMNM à l’IOMP, Sétif, Algérie. Deux orientations ([0]8 et [+45/-45]2S) sont considérées. La caractérisation mécanique est effectuée en traction et compression monotones ainsi qu’en fatigue cyclique. Les caractérisations mécaniques et microstructurales sont réalisées au sein du laboratoire MATEIS. L’étude de l’endommagement des composites est réalisée en combinant cinq techniques : l’évolution des paramètres mécaniques via des essais cyclés et de fatigue, la microscopie, l’émission acoustique (EA), la corrélation d’images et la micro-tomographie RX. L’étude de l’évolution des paramètres mécaniques accompagnée de l’analyse globale de l’EA fournit des premiers indicateurs quant au développement de l’endommagement lors des essais. Les analyses microstructurales permettent d’identifier finement les différents mécanismes d’endommagement qui surviennent lors des sollicitations mécaniques (décohésions fibre/matrice, fissurations matricielles et rupture de fibres). Pour la segmentation des signaux d’émission acoustique en traction et en compression monotones, une classification non-supervisée est utilisée en mettant l’accent sur le choix des descripteurs et sur la labellisation des classes obtenues. Des essais de traction instrumentés par corrélation d’images ainsi que des essais de traction in-situ sous tomographe permettent d’identifier la chronologie d’apparition de l’endommagement. Ces résultats permettent également de labelliser les classes obtenues. Les signaux labellisés servent ensuite à créer une bibliothèques pour identifier la chronologie d’évolution des modes d’endommagement en fatigue cyclique réalisée par classification supervisée. Enfin, toutes ces analyses ont permis d’établir des scénarios d’endommagement pour les différents modes d’endommagement et pour les deux orientations. Il est ainsi possible de reconsidérer l’élaboration pour optimiser les propriétés mécaniques.

Le développement de lanceurs spatiaux réutilisables nécessite une connaissance appro-fondie des effets des écoulements transsoniques sur la structure du lanceur, commele tremblement transsonique. En effet, l’intégrité mécanique du lanceur peut êtrecompromise par des interactions onde de choc/couche limite. Ces interactions peuventinduire, par exemple, des forces latérales responsables des moments de roulis et detangage, ou une excitation modale de certains éléments de structure pouvant conduireà leur endommagement, voire leur rupture. Ce travail rapporte des études numériqueset expérimentales sur la caractérisation de l’écoulement transsonique autour d’un aileronà profil losangique, conçu pour les lanceurs dédiés aux nanosatellites, avec un intérêtparticulier pour le tremblement transsonique. Ce phénomène a été longuement étudié.Malheureusement, les mécanismes intimes à l’origine du tremblement et la dynamiquedu phénomène sont encore débattus. De plus, il y a un manque d’études sur lesprofils losangiques. Des visualisations strioscopiques résolues en temps, des mesuresde pressions stationnaire et instationnaire pariétales ainsi que des mesures LDV sontréalisées expérimentalement dans une soufflerie transsonique. Les résultats sont comparésà des prédictions numériques basées sur des approches RANS instationnaire et LES. Lestraits tridimensionnels du tremblement transsonique et son caractère chaotique sur unprofil diamant sans flèche sont mis en évidence expérimentalement. The development of reusable space launchers requires a comprehensive knowledge oftransonic flow effects on the launcher structure, such as buffet. Indeed, the mechanicalintegrity of the launcher can be compromised by shock wave/boundary layer interactions.These interactions can induce, amongst others, lateral forces responsible for rolling andpitching moments, or modal excitation of some structural elements that can lead to theirdamage or even failure. This work reports numerical and experimental investigationson the characterization of the transonic flow past a diamond airfoil, designed fornanosatellite-dedicated launchers, with a particular interest for buffeting. Buffeting hasbeen extensively studied. Unfortunately, the detailed mechanisms that are responsiblefor the buffet inception and its dynamics are still debated. Moreover, there is a lackof studies for diamond airfoils. Here, time-resolved Schlieren visualizations, steadyand unsteady pressure measures and LVD measures are experimentally conducted ina transonic wind tunnel. They are compared with numerical predictions based on un-steady RANS and LES approaches. Three dimensional features of buffet over a diamondairfoil without swept, and the occurrence of a chaotic state, are experimentally highlighted.

The use of textile composites is increasing in several areas, such as aerospace industries, transportation, civil engineering and others, due to their high strength-weight ratio. Braided structures are one of the textile reinforcements used in different industrial applications for the cost effectiveness of their manufacturing technique, its versatility and the wide range of shapes it can offer. The special structures with the special functionalities needed in each composite application make the braiding a delicate process that needs to be studied in order to fulfill the demands of each specific sector. This PhD project aims to achieve a proper understanding of the process, the structures, the various parameters and the behavior of the final products. The study is conducted using the Herzog 2D braiding machine of Ifth, which, combined with a 6 axes robot, can prototype 3D structures by over-braiding complex shaped mandrels. Multiple carbon fiber braided samples are produced by varying the process parameters (Braid angle, Braid's diameter ...) and characterized in order to assess the influence of these parameters on the braid's geometry and its mechanical properties. To reach a better understanding of the materials' behavior and to avoid the time-consuming trial and error manufacturing and testing way, a modeling procedure is necessary to support the experimental work and optimize the design phase of the braids. Different models have been developed by researchers to predict the properties of braids at different scales of the structure (microscopic - mesoscopic - macroscopic). This work will be focused on the finite element analysis at the meso-scale, i.e. the braid unit cell scale, which considers the orientation of the yarns and the braid's architecture. This analysis is conducted using a hypo-elastic constitutive law which is implemented in user subroutine Vumat in Abaqus/Explicit. In this work, the geometric model is obtained using micro-computed tomography, which is a nondestructive scanning technique that allows detailed and precise analysis of the geometry of a textile reinforcement., L'utilisation des composites à renforts fibreux est en continuelle croissance dans plusieurs domaines, tels que les industries aérospatiales, les transports et le génie civil. Cela est dû principalement à leur excellent ratio légèreté/performances. Les structures tressées font partie des structures textiles utilisées comme renforts pour les composites. Leur procédé de fabrication permet la réalisation de formes complexes et de géométries très variées. Cependant, les nombreux paramètres présents tant au niveau des matières utilisées qu'au niveau des procédés de mise en œuvre impliquent la nécessité de bien maitriser la technologie du tressage afin d'optimiser les paramètres de fabrication et de prédire le comportement final de ces structures de renfort. Ce projet de recherche constitue une étude des paramètres de tressage et du comportement mécanique des structures tressées. Cette étude comporte une partie expérimentale et une partie numérique. Dans la partie expérimentale, plusieurs renforts tressés tubulaires en fibre de carbone sont fabriqués à l'aide d'une machine de tressage radiale 2D couplée à un robot six axes. Des composites à base de ces renforts sont ensuite élaborés par le procédé RTM. Plusieurs essais expérimentaux sont réalisés pour caractériser le comportement des renforts secs et leurs composites afin de pouvoir évaluer l'influence des paramètres géométriques, comme l'angle de tressage, le diamètre de la tresse et le type de la tresse (biaxiale ou triaxiale), sur les propriétés mécaniques des tresses tubulaires. Dans la partie numérique de l'étude, la microtomographie aux rayons X est utilisée pour obtenir le modèle géométrique des renforts tressés. Une analyse par élément finis à l'échelle mésoscopique est réalisée en utilisant une loi de comportement hypoélastique implémentée dans Abaqus/Explicit à l'aide d'une subroutine Vumat.

Solar roads are transportation infrastructures able both to generate electricity thanks to solar cells placed under a semi-transparent layer and to ensure heavy traffic circulation. In this paper, a novel transparent top layer made of glass aggregates bonded together using a polyurethane glue is presented. The goal is to design a composite material able to support traffic load, guarantee vehicle skid-resistance, allow the passage of sunlight, and protect the solar cells. For this purpose, the authors investigated the effect of different variables (thickness, glue content, and glass aggregate distribution) on the mechanical and optical performances of the material applying the factorial design method. The semi-transparent layer was characterized by performing the three-point bending test and measuring the power loss. Regarding the vehicle friction, experimental tests with the British Pendulum were conducted in order to measure the skid resistance of the surface and compare it with the specifications of a typical road infrastructure. According to the fraction factorial design and the British Pendulum test, the following mixture was developed: 42.8% of 4/6 mm, 42.8% of 2/4 mm, 14.4% of glue in volume, and a thickness of 0.6 cm. The first results are encouraging, and they demonstrate the feasibility of a semi-transparent layer for future applications in full scale.

This work aims at completing the existing description and understanding of the fatigue behavior and damage mechanisms of short-glass fibers reinforced thermoplastic polymers.After a state of the art review the work focuses on the evaluation of fatigue and quasi-static damage mechanisms in SFRP as observed by micro-tomography and microscopy.In order to fully address the polymer damage mechanisms additional observations are performed on the neat polymer matrix and evidence a full scenario of intra-spherulitic fatigue damage growth.Microstructure modeling is used to complete the understanding of damage mechanisms accordingly to local mechanical fields.Based on the similarities of fatigue damage mechanisms with those observed for creep loading, a fatigue life assessment model based on the cyclic strain rate is introduced.It proved very effective at unifying the SFRP fatigue behavior over a wide range of loading conditions including R ratio effect, frequency effect, fiber orientation effect and humidity.The proposed criterion is also adapted for application to notched specimens and yielded promising results.; Ce travail vise à compléter la description et la compréhension actuelles du comportement en fatigue et des mécanismes d'endommagement des polymères thermoplastiques renforcés de fibres de verre courtes.Après une revue de l'état de l'art, le travail se concentre sur l'évaluation des mécanismes d'endommagement fatigue dans le composite tels qu'observés par micro-tomographie et microscopie.Afin de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement de la matrice du composite, des observations supplémentaires sont effectuées sur le polymère et mettent en évidence un scénario complet de l'endommagement intrasphérolitique sous chargement de fatigue.Le calcul de microstructure est utilisé pour compléter cette approche et améliorer la compréhension des mécanismes d'endommagement grâce au calcul de champs mécaniques locaux.En se basant sur les similitudes entre les mécanismes d'endommagement en fatigue et ceux observés en fluage, un modèle d'évaluation de la durée de vie en fatigue basé sur la vitesse de déformation cyclique est proposé.Il s'avère très efficace pour unifier les durée de vie en fatigue du composite dans une large gamme de conditions de chargement, y compris l'effet du rapport de charge R, l'effet de fréquence, l'effet d'orientation des fibres et l'humidité.Le critère proposé est également adapté pour application aux échantillons entaillés et donne des résultats prometteurs.

This study focuses on the experimental characterization of the bond behavior between concrete and Fiber Reinforced Polymer (FRP) reinforcing bars (rebars). Pull-out tests were performed on glass, carbon, and aramid FRP rebars, as well as on deformed steel rebars. The influence of various parameters on the bond behavior was studied, such as the type of fibers, the diameter of the FRP bars and their surface geometry. Scanning-Electron-Microscope (SEM) observations were performed to precisely study the sand coating characteristics of these rebars. A main originality of the proposed approach relied on the instrumentation of pull-out samples using Distributed Optical Fiber Sensing (DOFS) instrumentation. Such a distributed measurement system provided access to the longitudinal strain distribution along the rebar near the rebar-concrete interface, and then made it possible to determine the effective development length of the various types of rebars considered in this study. As the introduction of DOFS instrumentation may be intrusive, its influence on the interface behavior was also discussed.

In France, the built heritage of civil engineering and building structures is vast and ageing. Recent reports prepared by experts highlight this alarming situation and point out the need to significantly increase the resources allocated to the rehabilitation of this heritage. In this context, structural reinforcement by externally bonded composites has become an attractive solution for the rehabilitation of structures and the extension of their lifespan. This thesis, funded by the French Research Agency (ANR), aims to develop a new composite reinforcement system with a reduced environmental footprint, on one hand, and to build an original reliability approach to estimate the lifetime of reinforcement systems and their failure probability at any time, on the other hand. In this manuscript, the main phases of development of the bio-based system are first recalled. In particular, it is recalled that the formulation of the bio-sourced epoxy matrix was based upon the specifications and characteristics of the Foreva® TFC matrix, and the criteria that guided the choice of the unidirectional flax fibre reinforcement fabric are also presented. The second part of the manuscript presents all the experimental results obtained within the framework of the durability study on the bio-based strengthening system. This test campaign relies on a Design of Experiment optimized by Hoke’s matrix. Laminated composite plates and concrete slabs reinforced with these composites were subjected to accelerated ageing under hygrothermal conditions, and to natural ageing on an outdoor exposure site in Lyon as well, for a total duration of 24 months. In a first step, the results of various physico-chemical characterizations that were periodically conducted on the bio-based composites, highlighted the relative contributions of mechanisms involved in microstructural evolutions and degradation phenomena of both the polymer matrix and fiber/matrix interfaces. In a second step, the changes in the main performance indicators related to the composite and the concrete-composite interface subjected to the various ageing environments, are presented and interpreted in the light of the previous physico-chemical characterizations. In a third step, a comparison is made between the bio-based composite system and a traditional carbon fibre strengthening system. The last part of the manuscript is devoted to the implementation of the reliability approach, relying on the experimental database previously collected for the bio-based system. A statistical analysis by the ANOVA method is first carried out on all experimental data. Two degradation models were then developed to describe the evolutions of performance indicators over time for any hygrothermal ageing condition: an analytical model with explicit terms related to quadratic effects and coupling between temperature and relative humidity, and a physical model based on Eyring's law.In a next step, these models were used to estimate the lifetime of the bio-based strengthening system under accelerated ageing conditions. End-of-life criteria were first defined based on specifications proposed by different design guidelines, in particular by ACI and AFGC reports.In order to evaluate the lifetime under actual service conditions, a specific procedure was then proposed to apply the analytical model in the case of natural ageing. Finally, a probabilization of the analytical model is carried out in order to determine the probability of failure of the bio-based strengthening system at any time during its lifetime, En France, le patrimoine bâti des ouvrages d’art et bâtiments est vaste et vieillissant. Des rapports récents établis par des experts dressent un constat alarmant de la situation et pointent la nécessité d’augmenter significativement les moyens alloués à la réhabilitation de ce patrimoine. Dans ce contexte, le renforcement structural par collage externe de matériaux composites s’est imposé depuis une vingtaine d’années comme une solution de choix pour la remise à niveau des ouvrages et l’extension de leur durée de vie. Cette thèse, financée par l'ANR, vise, en premier lieu à développer un système de renforcement composite inédit à empreinte environnementale réduite, et d’autre part, à construire d’une démarche fiabiliste permettant d’estimer la durée de vie des systèmes de renforcement et leur probabilité de défaillance à tout instant. Dans le présent manuscrit, les principales phases de développement du système bio-sourcé sont tout d’abord rappelées. On y rappelle notamment que la matrice époxy bio-sourcée a été formulée sur la base d’un cahier des charges établi à partir des caractéristiques de la matrice associée au procédé de renforcement Foreva® TFC, ainsi que les critères ayant guidé le choix du tissu de renforcement unidirectionnel en fibres de lin. Une seconde partie du manuscrit présente l’ensemble des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de la campagne de durabilité sur le système de renforcement bio-sourcé. Cette campagne s’appuie sur un plan d’expériences optimisé par la matrice de Hoke. Des plaques de composite stratifié ainsi que des dallettes de béton renforcées par ce composite ont ainsi été soumis à des vieillissements accélérés en conditions hygrothermiques ainsi qu’à un vieillissement naturel. Dans une première étape, les résultats de différentes caractérisations physico-chimiques réalisées sur le composite bio-sourcé à différentes échéances de vieillissement, mettent en évidence l’importance respective et les effets parfois antagonistes des mécanismes d’évolution microstructurale et des phénomènes de dégradation dans les différentes conditions de vieillissement. Dans une seconde étape, les évolutions des principaux indicateurs des performances mécaniques du composite et de l’interface béton-composite dans les différents milieux de vieillissement sont présentées et interprétées à la lumière des caractérisations physico-chimiques précédentes. Dans une troisième étape, des éléments de comparaison sont apportés entre le système composite bio-sourcé et un système traditionnel à fibres de carbone. La dernière partie du manuscrit est consacrée à la mise en œuvre de la démarche fiabiliste à partir de la base de données expérimentale collectée précédemment pour le système bio-sourcé. Une analyse statistique par la méthode ANOVA (analyse de la variance) est d’abord réalisée sur l’ensemble des données expérimentales. Deux modèles de dégradation ont ensuite été élaborés en vue de décrire l’évolution des indicateurs de performance dans le temps pour toute condition de vieillissement hygrothermique : un modèle analytique incluant de manière explicite les effets quadratiques et le couplage entre la température et l’humidité relative, et un modèle physique basé sur la loi d’Eyring. L’étape suivante a ensuite consisté à utiliser ces modèles pour estimer des durées de vie du système de renforcement bio-sourcé dans les conditions de vieillissement accéléré. Des critères de fin de vie du système ont été définis à partir des recommandations de dimensionnement proposées notamment par les guides ACI et AFGC. En vue d’évaluer la durée de vie en condition de service, une procédure spécifique a ensuite été proposée pour appliquer le modèle analytique dans le cas du vieillissement naturel. Enfin, une probabilisation du modèle analytique est réalisée de manière à déterminer la probabilité de défaillance du système de renforcement bio-sourcé à tout instant de sa durée de vie

L'invention concerne un matériau composite à base de particules d'une matière naturelle lignocellulosique, notamment de bois. Ces particules sont dispersées dans une matrice d'un polymère thermoplastique choisi parmi les polyamides et les copolymères à blocs comprenant au moins un bloc polyamide. Un procédé de préparation de ce matériau composite comprend le mélange desdites particules et dudit polymère thermoplastique et la mise en forme de ce mélange.

Polymer-modified mortars are widely used as protection and/or repair materials. Indeed, the addition of polymer allows modifying the properties of materials especially by promoting their adhesion, while reducing their permeability. However, studies rarely take into account the actual conditions of application on worksite. Those studies are generally realised on massive materials whereas, in fact, polymer-modified mortars are applied into thin layers. In addition, on site, the requirements regarding materials curing are not always applied, and water transfers car occur. Finally, studies on material durability do not consider possible interactions between polymer-modified mortars and microorganisms, which lead to moderate yet aesthetically detrimental degradations.Accordingly, the aim of this thesis is to study the behaviour of polymer-modified mortars applied into thin layers when they are exposed to worksite conditions.To do so, studies were realised in order to understand better the properties of polymer-modified mortars at early age. Firstly, it was showed that polymers have a delaying effect on cement hydration. This effect was partially linked to the adsorption of polymer on cement grains, but mostly due to the complexation of calcium ions following polymer hydrolysis. Then, polymer-modified mortars were exposed to an air flow during hardening, in order to simulate their air drying when curing conditions are not respected. It was noted that polymers do not allow slowing down water evaporation. Besides, mortars with a thickness of less than 20 mm do not retain enough water to ensure cement hydration after 24 hours of drying. Further studies were realised on hardened polymer-modified mortars in order to evaluate their resistance to biocolonisation in the case of their use as a protection material for façades and sewer systems. In the first case, results showed an influence of curing on the bioalteration of mortars, which needs to be verified in a new test campaign. Besides, the colonisation of mortars was limited by the high surface pH of the samples, even after three months. This study allowed recommending the necessity of an abiotic pre-treatment in order to reduce the surface pH to allow the growing of microorganisms. In the second case, results showed that polymer-modified mortars behaved the same way as neat Portland mortars. Indeed, after four months of conservation in the biodeterioration chamber, all mortars showed deterioration depths of 0.5 to 1 mm. Thus, the presence of polymers does not limit biodeterioration.; Les matériaux composites mortier-polymère sont largement utilisés dans l'industrie pour des applications de protection et/ou de réparation de surfaces en béton. En effet, l'ajout de polymère dans les formulations de mortier permet de modifier les propriétés de ces matériaux, en particulier en favorisant leur adhésion tout en réduisant leur perméabilité. Cependant, les études menées sur ces matériaux ne prennent pas en compte les conditions d'application rencontrées sur chantier. En effet, elles sont généralement réalisées sur des pièces massives, alors qu'en réalité ces matériaux sont appliqués en couche mince. En outre, sur chantier, les exigences qui concernent la cure des matériaux ne sont pas toujours appliquées, et des transferts d'eau par évaporation peuvent avoir lieu. Enfin, les études de durabilité ne tiennent pas compte des interactions possibles entre les matériaux et les micro-organismes, ce qui conduit à des dégradations qui restent bien souvent très modérées mais préjudiciables sur le plan esthétique. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier le comportement de composites mortier-polymère appliqués en couches minces, lorsqu'ils sont dans un environnement proche de ceux rencontrés sur chantier. Pour cela, des études ont tout d'abord été réalisées afin de mieux comprendre les propriétés des composites mortier-polymère au jeune âge. Un effet retardateur de prise a été mis en évidence en ajoutant des polymères dans la formulation de pâtes de ciment. Il a été attribué partiellement à l'adsorption des particules de polymère à la surface des grains de ciment, mais surtout à la complexation des ions calcium de la solution interstitielle par les polymères qui sont alors hydrolysés. Ensuite, les composites mortier-polymère ont été exposés à un flux d'air pendant leur durcissement, afin de reproduire leur séchage à l'air libre quand les conditions de cure ne sont pas respectées. Les essais ont montré que la présence de polymère ne permet pas de limiter les pertes d'eau par évaporation. De plus, il a été mis en évidence l'influence de l'épaisseur des mortiers. En effet, pour une épaisseur de moins de 20 mm, il n'y a plus assez d'eau après 24 heures de séchage pour pouvoir assurer l'hydratation du ciment.Dans une seconde partie, des études ont été menées sur les mortiers modifiés durcis afin d'évaluer leur résistance à la biocolonisation dans le cadre de leur utilisation pour la protection d'une façade de bâtiment d'une part, et d'une canalisation d'un réseau d'assainissement d'autre part. Dans le premier cas, les résultats montrent un effet du mode de cure, qui demande à être approfondis à travers une nouvelle campagne d'essais. De plus, la colonisation des mortiers a été fortement limitée par leur pH de surface qui était trop élevé même après trois mois. Ces essais permettent donc de préconiser l'application d'un prétraitement abiotique au préalable afin d'abaisser suffisamment le pH de surface des matériaux pour permettre le développement des micro-organismes. Dans le second cas, les résultats ont montré que les composites mortier-polymère ont un comportement similaire à des mortiers non modifiés formulés à base de CEM I. En effet, au bout de quatre mois d'essai, tous les mortiers présentent des profondeurs de détérioration de 0,5 à 1 mm. Ainsi donc, la présence de polymère ne permet pas de limiter la biodétérioration.

JST, Homogénéisation et calcul multi-échelles dans les matériaux hétérogènes et structures composites, Champs sur Marne, FRANCE, 14-/10/2019 - 14/10/2019

The blade/disk interface in turbofan is subject to fretting loading. Fan blade of the new generation of aircraft engines are made of woven composite materials. The introduction of these new kind of materials create the need for a new numerical tool able to simulate the contact between heterogeneous materials. The tribological behavior and the damage mechanism associated with these kind of material are still not well understood. The developpment of new numerical tool able to model the damage in the contact area would allow to predict the life of engines parts and to guarantee the security of passengers. This PhD is about the developpment of semi-analytical methods for modeling the damage in fretting and rolling contact conditions with some applications to heterogeneous materials., Les pieds d’aubes de soufflantes de turboréacteurs étant soumis à des sollicitations de type fretting, l’introduction de matériaux composites dans la nouvelle génération de moteur d’avion a rendu nécessaire le développement d’outils permettant de modéliser le contact entre des matériaux hétérogènes. En particulier, le comportement tribologique et l’endommagement de ces matériaux est encore mal compris. La mise en place de méthodes numériques capable de prédire les endommagements dans le contact permettrait de mieux prédire la durée de vie des pièces en service et de garantir la sécurité des passagers. Cette thèse porte sur le développement de méthodes semi-analytiques pour la modélisation de l’endommagement dans des conditions de fretting et de roulement.

This thesis focuses on the development of a numerical model for the preform impregnation during the VARI (Vacuum Assisted Resin Infusion) process for the manufacturing of a composite material. The in situ characterization of the mechanical behavior in the thickness direction of a preform (real infusion tests) was compared with an ex situ characterization by a universal testing machine. The preform behavior was characterized for different parameters such as loading type, saturation state, influence of fluid viscosity and strain rate. All the tests revealed the viscoelastic behavior of a woven fabric during its decompression in the impregnated state, leading to the definition of a non-linear viscoelastic constitutive law of the woven fabric during this phase. To extend the use of this mechanical constitutive law to a wide range of fabrics, the same experimental approach was applied to the case of a random mat fabric with non-linear elastic behavior. The generalized form of the constitutive law is adapted to the description of the two types of fabrics while the potential viscoelastic effects are taken into account according to the fabric type. After the implementation of the new constitutive law in a numerical code for the simulation of a mold filling process, the comparison between numerical and experimental results has proved the reliability of the new numerical model for these two reinforcements with distinct architectures.; Cette thèse fait l’objet du développement d’un modèle numérique de la phase d’imprégnation d’une préforme lors du procédé de fabrication d’un matériau composite par infusion sous vide de type VARI (Vacuum Assisted Resin Infusion). La caractérisation in situ du comportement mécanique dans l’épaisseur d’une préforme (essais d’infusion réels) est confrontée à sa caractérisation ex situ par une machine de traction/compression. L’effet de différents paramètres est mis en valeur sur le comportement de la préforme (type de chargement appliqué, état de saturation, influence de la viscosité du fluide et de la vitesse de déformation). Les essais ont révélé le caractère viscoélastique d’un renfort de type tissé lors de sa décompression à l’état imprégné et ont permis la définition d’une loi de comportement viscoélastique non-linéaire du renfort lors de cette phase. En vue d’étendre l’usage de cette loi de comportement mécanique à une large gamme de renforts, la même démarche expérimentale est appliquée au cas d’un renfort de type mat, au comportement élastique non-linéaire. La forme générale de la loi de comportement proposée se veut être adaptée à la description des deux types de renforts testés, où les éventuels effets viscoélastiques sont pris en compte selon le renfort étudié. Suite à l’implantation de la nouvelle loi de comportement dans un code numérique dédié à la simulation de la phase de remplissage d’un moule, la comparaison entre les résultats numériques et ceux des essais d’infusion sous vide prouve la fiabilité de ce nouveau modèle pour ces deux renforts à l’architecture bien distincte.

The goal of this PhD thesis is to explore new technologies that make possible to improve the integration of isolators in radiofrequency chain of satellites. These components are especially used to control matching of amplifiers.We propose two ways of producing these isolators. At first, ferricomposite materials are studied to design low-cost isolators at Kuband.Then, we studied pre-oriented strontium or barium hexaferrites to design self-biased components (without magnets) for Q and Ka band frequencies.; L’objectif de cette thèse est d’explorer de nouvelles technologies permettant de faciliter l’intégration des isolateurs dans les chaînes radiofréquences de satellites. Ces composants sont utilisés pour contrôler l’adaptation des amplificateurs dans les sections d’entrée et de sortie des équipements RF bas niveaux. Nous proposons deux voies de réalisation de ces isolateurs. Une première voie basée sur l’utilisation de matériaux ferricomposites est étudiée pour concevoir des composants en bande Ku. Une deuxième voie, basée sur l’utilisation d’hexaferrites de strontium et de baryum préorientés, a été étudiée pour concevoir des composants auto-polarisés (sans aimants) en bandes Q et Ka.

Structure and Dynamics of Polymer Composites and Gels: A Simulation Perspective. Edible Soft Matter – a SoftComp Topical Workshop

Raffia Vinifera L. Arecacea is a type of fast-growing palm, which is found in marshy environments and along rivers. In this study, the “Raffia Bamboo” is the stalk of a Raffia palm widely used in the West Region of Cameroon as a building material. From the litterature review, few informations about its elastic properties are available. Our investigations focused on the elastic moduli and strengths of raffia bamboo and the consequent analysis. The raffia bamboo is a composite material, consisting of a fragile marrow (matrix) inside a thin shell (reinforcement), smooth and hard which protects the marrow. The experimental determination of its elastic properties at 13% moisture content allowed us to evaluate: the shear modulus of the marrow (about 5.8 MPa); the respective longitudinal elastic moduli of the shell, the marrow and the raffia bamboo (17 043 MPa; 959 MPa; 13 008 MPa); the transverse elasticity modulus of the raffia bamboo (about 3 149) ; and finally, the tensile strength of the shell (247 MPa), the respective bending strengths of the marrow and raffia bamboo (738 MPa; 5943 MPa) . From the analysis of the results, the elastic properties of the raffia bamboo Vinifera L. Arecacea allow us to classify this material among the light woods, useful for construction and decoration. Résumé Le raphia est un genre de palmier à croissance rapide, de la famille des Arecaceae que l’on rencontre dans les milieux marécageux et le long des fleuves. Dans cette étude, le « bambou de Raphia » est le pétiole d’une palme de Raphia Vinifera L. Arecacea largement utilisé dans la Région de l’Ouest Cameroun comme matériau de construction. La revue de la littérature montre que très peu d’informations sont disponibles sur ses propriétés élastiques. Dans ce travail, nous présentons des résultats sur les propriétés élastiques du bambou de raphia et l’analyse conséquente. Le bambou de raphia est constitué d’une moelle fragile à l’intérieur d’une coque mince, lisse et dure qui protège cette dernière. Il peut donc être assimilé à un matériau composite dont le renfort est constitué de fibres. La détermination expérimentale des propriétés élastiques à 13% d’humidité a permis de trouver: un module de cisaillement de la moelle d’environ 5,8 MPa, un module d’élasticité longitudinal de l’ordre de 17 043 MPa pour la coque, 959 MPa pour la moelle, 13 008 MPa pour le bambou de raphia ; un module d’élasticité transversale de l’ordre de 3 149 MPa pour le bambou de raphia; et en fin, une résistance en traction de l’ordre de 247 MPa pour la coque, une résistance en flexion 738 MPa pour la moelle et 5 943 MPa pour le bambou de raphia . Il ressort de l’analyse des résultats que les propriétés élastiques du bambou de raphia Vinifera L. Arecacea nous permettent de le classer parmi les bois légers utiles pour la construction et la décoration. &nbsp

L’invention concerne un matériau composite à base de particules d’une matière naturelle contenant des scléroprotéines, notamment de corne ou de cuir. Ces particules sont dispersées dans une matrice d’un polymère thermoplastique choisi parmi le polyamide 11 et les polyéther-bloc-amides. Un procédé de préparation de ce matériau composite comprend le mélange desdites particules et dudit polymère thermoplastique et la mise en forme de ce mélange.

Composite materials are experiencing exponential growth in use in the aerospace, aeronautics, automotive and sports sectors. This significant development is mainly due to the excellent mechanical properties offered by this type of material. In addition, the ratio characteristics/weight is extremely advantageous since they remain lighter than the materials usually used in the past. However, they are also extremely expensive and moderately understood compared to the scientific knowledge that exists for crystalline materials. Numerical simulation tool has therefore become an integral part of the improvement of shaping processes, which requires the development of mechanical models. Until now, given stamping strategies using a single punch/matrix pair, the loads were assumed to be monotonous and therefore the associated behavioural laws were hyperelastic or viscoelastic. However, given that industrial demand is constantly growing and the complexity of the geometries which is also increasing, we propose, through the work presented here, innovative and original approaches such as incremental forming and the management of boundary conditions. These new approaches induce cyclic loading variations in shear or bending and hyperelastic models are therefore no longer enough reliable to properly model stamping processes. As the study of hysteresis behaviour is new for composite materials, the work presented then focuses on dry reinforcements. Thus, an experimental approach was carried out to determine the reaction of the fabric once it was subjected to cyclic loading. Then, dissipative hysteretic models were established for integration into finite element calculation software. Finally, numerical simulations with experimental comparisons are proposed, initially basic to validate the model and then more complex to show the interest of such models and strategies., Les matériaux composites connaissent une croissance exponentielle d'utilisation que ce soit dans le domaine de l'aérospatial, l'aéronautique, l'automobile ou encore le sport. Cette évolution significative s'explique notamment par les excellentes propriétés mécaniques que propose ce genre de matériaux. De plus, le ratio caractéristiques/poids est extrêmement favorable à ces derniers puisqu'ils restent plus légers que les matériaux usuellement employés par le passé. Cependant, ils sont aussi extrêmement coûteux et moyennement maîtrisés comparés aux connaissances scientifiques qui existent pour les matériaux cristallins. L'outil de simulation numérique est donc devenu partie intégrante de l'amélioration des procédés de mise en forme, ce qui nécessite, entre autres, l'élaboration de modèles mécaniques. Jusqu'à maintenant, compte tenu des stratégies d'emboutissage utilisant un seul couple poinçon/matrice, les chargements étaient supposés monotones et donc les lois de comportement associées étaient hyperélastiques ou viscoélastiques. Toutefois, étant donné que la demande industrielle ne cesse de croître et la complexité des géométries demandées aussi, nous proposons au travers des travaux présentés ici, des approches innovantes et originales comme la mise en forme incrémentale et la gestion des conditions aux limites. Ces nouvelles approches induisent des variations de chargement en cisaillement ou en flexion et les modèles hyperélastiques ne sont donc plus suffisamment riches pour correctement modéliser les procédés d'estampage. L'étude du comportement hystérétique étant nouvelle pour les matériaux composites, les travaux présentés se focalisent alors sur les renforts secs. C'est ainsi qu'une approche expérimentale a été réalisée afin de connaître la réaction du tissé soumis à ce type de chargements non monotones. Puis, des modèles dissipatifs hystérétiques ont été établis en vue de les intégrer dans un logiciel de calcul par éléments finis. Enfin, des simulations numériques avec comparaisons expérimentales sont proposées, basiques au début pour valider les modèles puis plus complexes pour montrer l'intérêt de telles modélisations et de telles stratégies.

Polymer-modified mortars are widely used as protection and/or repair materials. Indeed, the addition of polymer allows modifying the properties of materials especially by promoting their adhesion, while reducing their permeability. However, studies rarely take into account the actual conditions of application on worksite. Those studies are generally realised on massive materials whereas, in fact, polymer-modified mortars are applied into thin layers. In addition, on site, the requirements regarding materials curing are not always applied, and water transfers car occur. Finally, studies on material durability do not consider possible interactions between polymer-modified mortars and microorganisms, which lead to moderate yet aesthetically detrimental degradations.Accordingly, the aim of this thesis is to study the behaviour of polymer-modified mortars applied into thin layers when they are exposed to worksite conditions.To do so, studies were realised in order to understand better the properties of polymer-modified mortars at early age. Firstly, it was showed that polymers have a delaying effect on cement hydration. This effect was partially linked to the adsorption of polymer on cement grains, but mostly due to the complexation of calcium ions following polymer hydrolysis. Then, polymer-modified mortars were exposed to an air flow during hardening, in order to simulate their air drying when curing conditions are not respected. It was noted that polymers do not allow slowing down water evaporation. Besides, mortars with a thickness of less than 20 mm do not retain enough water to ensure cement hydration after 24 hours of drying. Further studies were realised on hardened polymer-modified mortars in order to evaluate their resistance to biocolonisation in the case of their use as a protection material for façades and sewer systems. In the first case, results showed an influence of curing on the bioalteration of mortars, which needs to be verified in a new test campaign. Besides, the colonisation of mortars was limited by the high surface pH of the samples, even after three months. This study allowed recommending the necessity of an abiotic pre-treatment in order to reduce the surface pH to allow the growing of microorganisms. In the second case, results showed that polymer-modified mortars behaved the same way as neat Portland mortars. Indeed, after four months of conservation in the biodeterioration chamber, all mortars showed deterioration depths of 0.5 to 1 mm. Thus, the presence of polymers does not limit biodeterioration., Les matériaux composites mortier-polymère sont largement utilisés dans l'industrie pour des applications de protection et/ou de réparation de surfaces en béton. En effet, l'ajout de polymère dans les formulations de mortier permet de modifier les propriétés de ces matériaux, en particulier en favorisant leur adhésion tout en réduisant leur perméabilité. Cependant, les études menées sur ces matériaux ne prennent pas en compte les conditions d'application rencontrées sur chantier. En effet, elles sont généralement réalisées sur des pièces massives, alors qu'en réalité ces matériaux sont appliqués en couche mince. En outre, sur chantier, les exigences qui concernent la cure des matériaux ne sont pas toujours appliquées, et des transferts d'eau par évaporation peuvent avoir lieu. Enfin, les études de durabilité ne tiennent pas compte des interactions possibles entre les matériaux et les micro-organismes, ce qui conduit à des dégradations qui restent bien souvent très modérées mais préjudiciables sur le plan esthétique. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier le comportement de composites mortier-polymère appliqués en couches minces, lorsqu'ils sont dans un environnement proche de ceux rencontrés sur chantier. Pour cela, des études ont tout d'abord été réalisées afin de mieux comprendre les propriétés des composites mortier-polymère au jeune âge. Un effet retardateur de prise a été mis en évidence en ajoutant des polymères dans la formulation de pâtes de ciment. Il a été attribué partiellement à l'adsorption des particules de polymère à la surface des grains de ciment, mais surtout à la complexation des ions calcium de la solution interstitielle par les polymères qui sont alors hydrolysés. Ensuite, les composites mortier-polymère ont été exposés à un flux d'air pendant leur durcissement, afin de reproduire leur séchage à l'air libre quand les conditions de cure ne sont pas respectées. Les essais ont montré que la présence de polymère ne permet pas de limiter les pertes d'eau par évaporation. De plus, il a été mis en évidence l'influence de l'épaisseur des mortiers. En effet, pour une épaisseur de moins de 20 mm, il n'y a plus assez d'eau après 24 heures de séchage pour pouvoir assurer l'hydratation du ciment.Dans une seconde partie, des études ont été menées sur les mortiers modifiés durcis afin d'évaluer leur résistance à la biocolonisation dans le cadre de leur utilisation pour la protection d'une façade de bâtiment d'une part, et d'une canalisation d'un réseau d'assainissement d'autre part. Dans le premier cas, les résultats montrent un effet du mode de cure, qui demande à être approfondis à travers une nouvelle campagne d'essais. De plus, la colonisation des mortiers a été fortement limitée par leur pH de surface qui était trop élevé même après trois mois. Ces essais permettent donc de préconiser l'application d'un prétraitement abiotique au préalable afin d'abaisser suffisamment le pH de surface des matériaux pour permettre le développement des micro-organismes. Dans le second cas, les résultats ont montré que les composites mortier-polymère ont un comportement similaire à des mortiers non modifiés formulés à base de CEM I. En effet, au bout de quatre mois d'essai, tous les mortiers présentent des profondeurs de détérioration de 0,5 à 1 mm. Ainsi donc, la présence de polymère ne permet pas de limiter la biodétérioration.

Hygromorph biocomposites (HBC) possess moisture-induced actuation from bioinspired designs. The present work describes a large experimental and comprehensive database of the hygro-mechanical and bending actuation properties of flax/maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP) HBC composites over a large range of moisture variation (10–90% RH) and water immersion. HBCs exhibit a promising responsiveness and reactivity over the whole relative humidity range (10–90% RH), with acceleration and increase of the actuation observed as soon as a 30% RH value is reached. The experimental data are compared to analogous results from an analytical model based on a modified Timoshenko theory, and a finite element model based on the use of classical laminate theory (CLT). We discuss the effects of the hygroscopic properties (β coefficient) and the design parameters (length/width and thickness ratios) of the composites on the actuation performance.

The forming stage in the RTM process is crucial because it strongly influences the mechanical behavior of composites in service. In order to better predict the appearance of possible defects of composite materials, numerical simulations are increasingly developed taking into account the duration and the cost of experiences. Deformations and orientations of yarns at the mesoscopic scale are essential to simulate the resin flow in the stage of injection. Given the number of elements and their complex interactions, it is difficult to conduct the shaping simulations for the entire reinforcement at this mesoscopic scale. This present thesis consists in developing a multiscale method that allows linking the macroscopic simulations of reinforcements and the mesoscopic modellings of RVE (representative volume element) during the forming process. Firstly, the numerical simulations for three different woven reinforcements at the macroscopic scale are carried out using an anisotropic hyperelastic constitutive law, by the finite element method with a dynamic explicit scheme. Then, the geometrical modelling of RVE at the mesoscopic scale are reconstituted based on the tomographic images. The mesoscopic displacement-deformation fields of woven reinforcements are determined from the macroscopic results and the position of the yarns. In order to take into consideration sliding effects of yarns, two approaches of mesoscopic simulations of RVE are developed. Finally, the mesoscopic numerical results are compared with the experimental results., L’étape de mise en forme dans le procédé RTM est importante car elle influence fortement le comportement mécanique du composite en service. Pour mieux prédire l’apparition de défauts éventuels des matériaux composites, les méthodes numériques sont de plus en plus développées compte tenu de la durée et du coût des essais. Déformations et orientations des mèches à l’échelle mésoscopiques sont essentielles pour simuler l’écoulement de la résine dans l’étape d’injection. Etant donné le nombre d’éléments et les interactions complexes, il est difficile d’effectuer les simulations de formage pour toute la pièce du renfort à l’échelle mésoscopique. La présente thèse consiste à développer une méthode multiéchelle qui permet de relier les simulations macroscopiques des renforts et les modélisations mésoscopiques de VER (volume élémentaire représentatif) lors de la mise en forme. D’abord, les simulations numériques macroscopiques pour trois renforts tissés différents sont réalisées à l’aide d’une loi de comportement hyperélastique, par la méthode des éléments finis avec un schéma explicite dynamique. Ensuite, les modélisations géométriques de VER à l’échelle mésoscopique sont reconstituées sur la base des images de tomographie X. Les champs de déplacements-déformations mésoscopiques des renforts tissés sont déterminés à partir des résultats macroscopiques et de la position des mèches. Pour prendre en compte les effets locaux de glissements des mèches, deux approches de simulations mésoscopiques de VER sont développées. Finalement, les résultats numériques mésoscopiques sont comparés avec ceux expérimentaux.