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The present work is dedicated to the understanding of the void closure mechanism during the hot rolling of bars issued from continuous casting processes. A representative experimental testing was developed to reproduce the key parameters involved in the porosity evolution during the industrial forming. These parameters were identified throughout a bibliographic study and concern the thermomechanical path depicted by the stress triaxiality and the strain and the void's physical and geometrical properties. The representativeness of the experiment is improved by using samples containing a shrinkage cavity formed during a dedicated casting process. The characterisation of the pore closing mechanism is performed by comparing the experimental evolution of cavities analysed by tomography with full-field FEM-modelling carried out using the “real” geometry of the cavities. A methodology combining the representative test experiment's design to reproduce the key parameters of the rolling process analysed and its full field modelling was developed. This methodology aims the identification of the parameters of mean fields void evolution model through the setting up of experimental design of testing and simulations to improve the pore closure efficiency during the rolling process.; Les travaux de thèse sont consacrés à la caractérisation de la fermeture de porosité au cours du laminage à chaud de blooms issus de coulée continue. Un essai représentatif reproduisant les caractères essentiels du procédé industriel vis-à-vis de la fermeture de porosité a été mis en place. Ces caractères, identifiés au cours d’une étude bibliographique, concernent à la fois les paramètres thermomécaniques pilotant la fermeture de porosité comme la triaxialité des contraintes ou la déformation, mais également la nature géométrique et physique des porosités. Concernant ces dernières, la représentativité des essais a été améliorée en intégrant dans les échantillons une retassure naturelle contrôlée obtenue par un processus de fonderie. La caractérisation du phénomène de fermeture est obtenue par la comparaison des évolutions géométriques de porosités mesurées par tomographie et les résultats d’un modèle numérique en champs complets intégrant la géométrie « réelle » du défaut. Une méthodologie combinant l’essai représentatif conçu pour reproduire les caractères essentiels du processus de laminage et son modèle de simulation en champs complets a été développée. L’ensemble doit permettre par la suite de développer des plans d’expériences expérimentaux et numériques qui serviront à alimenter des modèles en champs moyens qui seront utilisés dans les simulations des gammes de laminage industriel et leur validation vis-à-vis de la fermeture des porosités.

The trend in the microelectronics industry is towards miniaturisation, from transistors to the integrated circuit package. This constant desire of compactness is certainly motivated by economic reasons, but also by the perspectives to gain in performance, power and ergonomics. In early 90s, 0.8 µm was the transistors gate length at major semiconductor manufacturers. The length has been reduced to 6 nm with a density of integration of 125 million transistors per square millimetre. However, such a transition does not come without consequences, as far as it concerns fracture mechanisms, it is particularly true regarding the low-k dielectrics. This family of materials, although porous and fragile, is essential to ensure the insulation in the circuitry of an increasingly dense Back-End of Line (BEoL), with increasingly fine lithography. Besides, due to its porosity, it also has a hydrophilic behaviour which greatly reduces both its insulation quality and stress strength. For all these reasons, the seal ring, the copper interconnection structure that encircles the chip, was implemented to (i) ensure the mechanical integrity of its interior, containing the electrically active part of the die, and (ii) to protect it from moisture and other chemicals intrusions. Hence the interest of this work to address the thermomechanical stresses and cracking phenomena which are articulated around the BEoL. To do so, various paths revolving around the same line of research, mechanical integrity in microelectronics systems, are proposed. (i) Two ways of evaluating stress fields in active silicon and passive BEoL are investigated: by implementing sensor structures based on the principles of piezoresistance and extensometry respectively. (ii) The Four-Point Bending technique is benchmarked, and readapted to account for the crack length, for cracks advancing is homogeneous (decohesion) and heterogeneous (debonding) thin films structures. (iii) A Finite Elements approach, combined with Cohesive Zone Models under Small-Scale Yielding conditions, is proposed to analyse the influence of the arrangement and plasticity of copper in the interconnections in the resistance to crack advance., La tendance dans l'industrie microélectronique est à la miniaturisation, des transistors au boîtier de circuit intégré. Ce désir constant de compacité est, certes, motivé par des raisons économiques, mais aussi par les perspectives de gain de performance, de puissance et d'ergonomie. Au début des années 1990, la longueur de grille des transistors chez les grands fabricants de semi-conducteurs était de 0,8 µm. Cette longueur a été réduite à 6 nm avec une densité d'intégration de 125 millions de transistors par millimètre carré. Cependant, une telle transition n'est pas sans conséquences, en ce qui concerne les mécanismes de fissuration, ce qui est particulièrement vrai pour les diélectriques ‘’low-k’’. Cette famille de matériaux, bien que poreuse et fragile, est essentielle pour assurer l'isolation dans les circuits d'un Back-End of Line (BEoL) de plus en plus dense, avec une lithographie de plus en plus fine. En outre, en raison de sa porosité, il a également un comportement hydrophile qui réduit considérablement sa qualité d'isolation et sa résistance aux contraintes mécaniques. Pour toutes ces raisons, le ‘’seal ring’’, une structure d'interconnexion en cuivre qui entoure la puce, a été introduit pour (i) assurer l'intégrité mécanique de son périmètre intérieur, contenant la partie électriquement active de la puce, et (ii) pour protéger cette dernière contre l'humidité et l’intrusion de produits chimiques. D'où l'intérêt de ce travail pour traiter les contraintes thermomécaniques et des phénomènes de fissuration qui s'articulent autour du BEoL. Pour ce faire, différentes pistes évoluant autour d'un même axe de recherche, l'intégrité mécanique dans les systèmes de la microélectronique, sont proposées. (i) Deux manières d'évaluer les champs de contraintes dans le silicium actif et le BEoL passif sont étudiées : mise en œuvre de capteurs basés sur les principes de piézorésistance et d'extensométrie respectivement. (ii) La technique de flexion quatre points est étalonnée, et réadaptée pour tenir compte de la longueur des fissures, pour des fissures qui avancent dans des structures à couches minces homogènes (décohésion) et hétérogènes (décollement). (iii) Une approche par éléments finis, combinée à des modèles de zones cohésives dans des conditions de déformation à petite échelle, est proposée pour analyser l'influence de la disposition et de la plasticité du cuivre dans les interconnexions sur la résistance à l'avancée des fissures.

The trend in the microelectronics industry is towards miniaturisation, from transistors to the integrated circuit package. This constant desire of compactness is certainly motivated by economic reasons, but also by the perspectives to gain in performance, power and ergonomics. In early 90s, 0.8 µm was the transistors gate length at major semiconductor manufacturers. The length has been reduced to 6 nm with a density of integration of 125 million transistors per square millimetre. However, such a transition does not come without consequences, as far as it concerns fracture mechanisms, it is particularly true regarding the low-k dielectrics. This family of materials, although porous and fragile, is essential to ensure the insulation in the circuitry of an increasingly dense Back-End of Line (BEoL), with increasingly fine lithography. Besides, due to its porosity, it also has a hydrophilic behaviour which greatly reduces both its insulation quality and stress strength. For all these reasons, the seal ring, the copper interconnection structure that encircles the chip, was implemented to (i) ensure the mechanical integrity of its interior, containing the electrically active part of the die, and (ii) to protect it from moisture and other chemicals intrusions. Hence the interest of this work to address the thermomechanical stresses and cracking phenomena which are articulated around the BEoL. To do so, various paths revolving around the same line of research, mechanical integrity in microelectronics systems, are proposed. (i) Two ways of evaluating stress fields in active silicon and passive BEoL are investigated: by implementing sensor structures based on the principles of piezoresistance and extensometry respectively. (ii) The Four-Point Bending technique is benchmarked, and readapted to account for the crack length, for cracks advancing is homogeneous (decohesion) and heterogeneous (debonding) thin films structures. (iii) A Finite Elements approach, combined with Cohesive Zone Models under Small-Scale Yielding conditions, is proposed to analyse the influence of the arrangement and plasticity of copper in the interconnections in the resistance to crack advance.; La tendance dans l'industrie microélectronique est à la miniaturisation, des transistors au boîtier de circuit intégré. Ce désir constant de compacité est, certes, motivé par des raisons économiques, mais aussi par les perspectives de gain de performance, de puissance et d'ergonomie. Au début des années 1990, la longueur de grille des transistors chez les grands fabricants de semi-conducteurs était de 0,8 µm. Cette longueur a été réduite à 6 nm avec une densité d'intégration de 125 millions de transistors par millimètre carré. Cependant, une telle transition n'est pas sans conséquences, en ce qui concerne les mécanismes de fissuration, ce qui est particulièrement vrai pour les diélectriques ‘’low-k’’. Cette famille de matériaux, bien que poreuse et fragile, est essentielle pour assurer l'isolation dans les circuits d'un Back-End of Line (BEoL) de plus en plus dense, avec une lithographie de plus en plus fine. En outre, en raison de sa porosité, il a également un comportement hydrophile qui réduit considérablement sa qualité d'isolation et sa résistance aux contraintes mécaniques. Pour toutes ces raisons, le ‘’seal ring’’, une structure d'interconnexion en cuivre qui entoure la puce, a été introduit pour (i) assurer l'intégrité mécanique de son périmètre intérieur, contenant la partie électriquement active de la puce, et (ii) pour protéger cette dernière contre l'humidité et l’intrusion de produits chimiques. D'où l'intérêt de ce travail pour traiter les contraintes thermomécaniques et des phénomènes de fissuration qui s'articulent autour du BEoL. Pour ce faire, différentes pistes évoluant autour d'un même axe de recherche, l'intégrité mécanique dans les systèmes de la microélectronique, sont proposées. (i) Deux manières d'évaluer les champs de contraintes dans le silicium actif et le BEoL passif sont étudiées : mise en œuvre de capteurs basés sur les principes de piézorésistance et d'extensométrie respectivement. (ii) La technique de flexion quatre points est étalonnée, et réadaptée pour tenir compte de la longueur des fissures, pour des fissures qui avancent dans des structures à couches minces homogènes (décohésion) et hétérogènes (décollement). (iii) Une approche par éléments finis, combinée à des modèles de zones cohésives dans des conditions de déformation à petite échelle, est proposée pour analyser l'influence de la disposition et de la plasticité du cuivre dans les interconnexions sur la résistance à l'avancée des fissures.

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).

Surface Acoustic Wave (SAW) sensors have many advantages mainly a high sensitivity, which is a key parameter in various applications. Two strategies were explored, in this thesis, to enhance the sensitivity of SAW devices: switching to Love mode, with a waveguide layer in SU-8 epoxy resin, and frequency increase from 104 to 208 MHz. Prior to the realization of such devices in a clean room and their further use as chemical sensors, numerical simulations were done, first with MATLAB software, and then with the finite element method, via COMSOL Multiphysics software. The optimum thickness of the waveguide layer, allowing a significant gain in sensitivity, was estimated. A disagreement between experience and simulation was found highlighting the need to continue optimization steps. A confrontation between calculations / experiments was carried out for the SH-SAW structures. These devices were functionalized with an anthracene derivate for zinc ions detection in aqueous media. Gravimetric results indicate that increasing the operating frequency from 104 MHz to 208 MHz permits a gain in sensitivity by a factor of 2.3.; Les capteurs à ondes acoustiques de surfaces (SAW : Surface Acoustic Waves) présentent de nombreux avantages, dont une grande sensibilité, un paramètre clé dans diverses applications. Dans cette thèse, deux voies sont explorées pour améliorer la sensibilité des dispositifs SAWs : le passage en mode de Love, avec une couche guide d’onde en résine époxyde SU-8, et la montée en fréquence de 104 à 208 MHz. Avant de réaliser de tels dispositifs en salle blanche puis de les utiliser en tant que capteurs chimiques, des simulations numériques ont été entreprises, en utilisant tout d’abord le logiciel MATLAB, puis par la méthode des éléments finis, via le logiciel COMSOL Multiphysics. L’épaisseur optimale de la couche guide d’onde, permettant un gain important en sensibilité, a été estimée. Un écart entre l’expérience et la simulation a été trouvé soulignant la nécessité de poursuivre les phases d’optimisation dans cette voie. Une confrontation calculs/expériences a été menée avec succès pour les structures SH-SAW. Ces dispositifs ont été fonctionnalisés avec un dérivé d’anthracène pour détecter les ions zinc en milieu aqueux. Les résultats gravimétriques ont montré un gain en sensibilité d’un facteur 2.3, en augmentant la fréquence de travail de 104 MHz à 208 MHz.

Surface Acoustic Wave (SAW) sensors have many advantages mainly a high sensitivity, which is a key parameter in various applications. Two strategies were explored, in this thesis, to enhance the sensitivity of SAW devices: switching to Love mode, with a waveguide layer in SU-8 epoxy resin, and frequency increase from 104 to 208 MHz. Prior to the realization of such devices in a clean room and their further use as chemical sensors, numerical simulations were done, first with MATLAB software, and then with the finite element method, via COMSOL Multiphysics software. The optimum thickness of the waveguide layer, allowing a significant gain in sensitivity, was estimated. A disagreement between experience and simulation was found highlighting the need to continue optimization steps. A confrontation between calculations / experiments was carried out for the SH-SAW structures. These devices were functionalized with an anthracene derivate for zinc ions detection in aqueous media. Gravimetric results indicate that increasing the operating frequency from 104 MHz to 208 MHz permits a gain in sensitivity by a factor of 2.3.; Les capteurs à ondes acoustiques de surfaces (SAW : Surface Acoustic Waves) présentent de nombreux avantages, dont une grande sensibilité, un paramètre clé dans diverses applications. Dans cette thèse, deux voies sont explorées pour améliorer la sensibilité des dispositifs SAWs : le passage en mode de Love, avec une couche guide d’onde en résine époxyde SU-8, et la montée en fréquence de 104 à 208 MHz. Avant de réaliser de tels dispositifs en salle blanche puis de les utiliser en tant que capteurs chimiques, des simulations numériques ont été entreprises, en utilisant tout d’abord le logiciel MATLAB, puis par la méthode des éléments finis, via le logiciel COMSOL Multiphysics. L’épaisseur optimale de la couche guide d’onde, permettant un gain important en sensibilité, a été estimée. Un écart entre l’expérience et la simulation a été trouvé soulignant la nécessité de poursuivre les phases d’optimisation dans cette voie. Une confrontation calculs/expériences a été menée avec succès pour les structures SH-SAW. Ces dispositifs ont été fonctionnalisés avec un dérivé d’anthracène pour détecter les ions zinc en milieu aqueux. Les résultats gravimétriques ont montré un gain en sensibilité d’un facteur 2.3, en augmentant la fréquence de travail de 104 MHz à 208 MHz.

The present study is an experimental and numerical work on the propagation of seismic waves in carbonate rocks at the laboratory-scale. We aim at producing seismic data that are comparable with field data so as to transfer the knowledge and techniques acquired and developed in field into the laboratory. In return, well-controlled laboratory-scale data can contribute to benchmarking tests on the latest imaging approaches as well as data processing procedures. Ultrasonic probes on natural rocks are fairly common in numerous engineering fields such as geophysical logging, civil engineering and materials science. In terms of ultrasonic sources, both the conventional piezoelectric transducer (PZT) and the laser-ablation pulse are used as a seismic source in our experimental configurations. In terms of receivers, a single-point Laser Doppler Vibrometer (LDV) is employed in most of the experimental setups. Additionally, a 3D wavefield-scan LDV has been used to perform multi-component measurements. The originality of this work consists in the comprehensive characterization of the laser source in a geophysical context and its use as a point-like megahertz source on the carbonate cores, which enabled us to propose original and efficient core-probing configurations for both experimentation and simulations. We developed and validated an experimental prototype featuring PZT-LDV or Laser-pulse-LDV as source-receiver configurations for high-resolution measurements. As to the numerical simulation, we adapted a Fortran code, initially dedicated to method developments at the field-scale, to the numerical production at the high-frequency (HF) laboratory-scale. We will show the results of calibrations on both the experimental and numerical tools including the polarization analysis on multi-component data, the results of the laser pulsed source characterization and the main tomography results from the First Arrival Travel-time (FAT) Tomography (FATT) featuring multi-grids, along with the parallelized 2D/3D simulations featuring the Interior Penalty Discontinuous Galerkin method (IPDGm). A brief demonstration of anisotropy analyses from FAT will also be given at the end. The latest generation of imaging method involves both the observed and synthetic data, such as the promising Full Waveform Inversion (FWI) that can push further the resolution limits of the classical tomography, which is the key motivation of our studies involving both the experiment and simulation.; Par la présente étude nous expliquons et illustrons nos travaux sur la propagation d'ondes sismiques en roche carbonatée avec des approches expérimentale et numérique à l'échelle des carottes géologiques au laboratoire. Notre objectif principal consiste à produire des données sismiques qui sont comparables aux données du terrain dans l'optique de transférer au laboratoire les connaissances et techniques acquises et développées pour la sismique de terrain. En retour, les données acquises dans des conditions bien contrôlées à l'échelle du laboratoire peuvent contribuer aux benchmarking tests sur les approches d'imagerie les plus récentes ainsi que les procédures de traitement des données. Sonder les roches naturelles par les ondes ultrasonores est plutôt commun dans de nombreux domaines tels la diagraphie acoustique, le génie civil et la science des matériaux. En termes de sources sismiques, les transducteurs piézoélectriques (PZT) couramment utilisés, ainsi qu'un pulse laser utilisé spécialement dans le cadre de nos mesures, sont appliqués aux configurations expérimentales. En termes de récepteurs, un vibromètre laser monopoint (LDV) est employé dans la plupart des expérimentations. En outre, un vibromètre 3D fut utilisé pour des mesures multi-composantes. L'originalité de ces travaux se trouve dans la caractérisation intégrale de la source laser dans un contexte géophysique et son application sur les carottes carbonatées comme une source sismique Haute Fréquence (HF, Mégahertz), ce qui nous permet de proposer des configurations originales et efficaces pour sonder les carottes carbonatées, aussi bien en expérimentation qu'en simulation. Nous avons construit et validé un prototype comprenant une configuration source-récepteur de type PZT-LDV ou Laser-pulse-LDV. Quant à la simulation numérique, nous avons adapté un code Fortran, initialement dédié au développement à l'échelle du terrain, aux productions numériques à hautes fréquences (HF) à l'échelle du laboratoire. Nous détaillerons les résultats des calibrations sur les outils expérimentaux et numériques ainsi qu'une analyse de la polarisation sur des mesures multi-composantes, les résultats de la caractérisation de la source pulse-laser et ceux de la tomographie en se basant sur les temps des premières arrivées (FAT). Les inversions se font avec un méthode multi-grilles. Parallèlement, des simulations par éléments finis en 2D/3D (code parallélisé) ont été effectuées avec la méthode Galerkin discontinu avec pénalité intérieure. Nous démontrerons également la possibilité d'analyser l'anisotropie sismique d'une carotte à partir du FAT. La dernière génération de méthode d'imagerie sismique fait intervenir à la fois les données observées et les données synthétiques, comme dans la méthode prometteuse de l'inversion de formes d'ondes complètes (FWI), cette méthode pouvant repousser davantage les limites de la résolution de la tomographie classique.

In recent years, a number of physical and economical barriers have emerged in the race for miniaturization and speed of integrated circuits. To circumvent these issues, new processes and architectures are continuously developed. In particular, a progressive shift towards 3D integration strategies is currently observed in the semiconductor industry as an alternative path to further transistor downscaling. This innovative approach consists in combining chips of different technologies or different functionalities into a single module. A possible strategy to realize such heterogeneous systems is to stack chips on top of each other instead of tiling them on the plane, enabling considerable benefits in terms of compactness and versatility, but also increased performance. This is especially true for image sensor chips, for which vertical stacking allows the incorporation of additional functionalities such as advanced image signal processing. Among various methods to achieve direct vertical interconnections between stacked chips, a promising method is Cu/SiO2 hybrid bonding, enabling simultaneous mechanical and electrical connection with a submicron interconnection pitch mostly limited by photolithography resolution and alignment accuracy.The mechanical integrity of the different electrical connection elements for such a 3D integrated imager-on-logic device is of critical importance. The aim of this thesis is to investigate the mechanical robustness of this relatively new architecture in semiconductor manufacturing during its fabrication, aiming to address a number of possible issues from a thermomechanical perspective. In this work, thermomechanical stresses building up in the image sensor during chip processing and assembly onto a package are investigated, and the interactions between the different system components analyzed. The mechanical integrity of several key structures is studied, namely (i) interconnection pads at the hybrid bonding interface between the imager/logic chips, (ii) bondpad structures below the wires connecting the imager to the package substrate, and (iii) semiconductor devices in the image sensor, through in-situ evaluation of process-induced mechanical stresses using doped Si piezoresistive stress sensors. To do so, for each item a combined numerical and experimental approach was adopted, using morphological, mechanical and electrical characterizations, then correlated or extended by thermomechanical finite element analyses, allowing to secure product integration from a thermomechanical perspective., Ces dernières années, un certain nombre de barrières physiques ou économiques ont fait leur apparition dans la course pour la miniaturisation et l’amélioration des performances des circuits intégrés. Pour dépasser ces limites, de nouvelles architectures sont continûment développées. En particulier, on observe un tournant dans l’industrie de la microélectronique vers les stratégies d’intégration 3D, comme une alternative à la réduction des dimensions des transistors MOS. Cette approche innovante consiste à combiner en un seul et même module des puces de technologies ou fonctionnalités diverses. Une stratégie possible pour réaliser ces systèmes hétérogènes est d’empiler verticalement les puces les unes sur les autres plutôt que de les juxtaposer dans le plan, permettant des gains considérables en terme de compacité et de polyvalence des circuits. Ceci vaut en particulier pour les capteurs d’image, pour lesquels l’exploitation de la dimension verticale rend possible l’incorporation de fonctionnalités supplémentaires, notamment pour le traitement d’image. Parmi les nombreuses méthodes existantes pour réaliser des interconnexions verticales directes entre les puces empilées, le collage « hybride » cuivre/oxyde est une approche prometteuse permettant de réaliser simultanément la connexion mécanique et électrique, avec un pas d’interconnexion submicronique car limité principalement par la précision d’alignement atteignable entre les plots de collage métalliques au moment de leur mise en contact.Un enjeu majeur pour ce type d’architecture innovante est la tenue mécanique des éléments de connexion électrique. Cette thèse vise à examiner la robustesse mécanique d’un capteur d’image reporté sur un circuit logique de technologie plus avancée par empilement 3D, dans le but de prévenir un certain nombre de problèmes potentiels causés par les contraintes thermomécaniques s’accumulant pendant sa fabrication. Dans ce travail de thèse, les contraintes mécaniques générées dans le capteur d’image empilé pendant l’élaboration du circuit et son encapsulation dans un boîtier à puce sont examinées, et les interactions entre les différents composants du système analysées. L’intégrité mécanique de plusieurs structures clés est étudiée, notamment : (i) les plots d’interconnexion à l’interface de collage « hybride » entre la puce imageur et la puce logique, (ii) les plots d’assemblage filaire faisant le lien entre le capteur d’image empilé et le substrat du boîtier, ainsi que (iii) les composants électroniques dans la zone active du substrat silicium du capteur d’image, à travers l’évaluation in-situ des contraintes mécaniques induites par les procédés de fabrication grâce à des capteurs de contraintes piézorésistifs à base de silicium dopé. Pour ce faire, une approche combinant caractérisations expérimentales et analyses numériques a été adoptée : les mesures morphologiques, mécaniques et électriques effectuées sont systématiquement corrélées et étendues à l’aide de simulations par la méthode des éléments finis, permettant de garantir la bonne intégration des produits d’imagerie du point de vue thermomécanique.

Continuous fibre composites (carbon, glass) are regularly used in the transport industries (automotive, aeronautics) for their excellent mechanical performance in relation to their mass. While woven reinforcements are widely used and studied, there is a growing interest in stitched reinforcements called "non crimp fabric" (NCF). These reinforcements consist of juxtaposed plies of unidirectional fibres , non-woven, but sewn together with a stitching thread. They allow a greater variety of fibre orientation and optimize the properties of the composite by reducing fiber interweaving. The manufacture of composite parts by automated processes such as RTM (Resin Transfer Molding) involves the forming of fibrous reinforcements to obtain complex 3D geometries. The draping of NCFs is strongly impacted by the presence of the stiching thread. The development of simulation tools should enable the manufacture of these products to be optimize. This work focuses on the mechanical role of stitching during forming. The study focuses on experimental tests and finite element simulations in explicit dynamics of various NCF reinforcements. Different modelling approaches at macroscopic scale are proposed for NCFs, based on previous work on woven reinforcements : integration of stitched thread and the stitch pattern into the laws of behaviour; development of models mixing continuous finite elements for fibre modelisation, and semi-discrete models for the stitch. The performance of these different approaches is compared with experimental results. Finally, a new contribution is add to consider the bending rigidity in the plane of the fibrous reinforcements by generalizing the use of finite elements shell called "rotation-free" for the calculation of all the curvatures (out of plane and in the plane)., Les composites à fibres continues (carbone, verre) sont régulièrement employés dans les industries du transport (automobile, aéronautique) pour leurs excellentes performances mécaniques rapportées à leur masse. Alors que les renforts tissés sont largement utilisés et étudiés, on constate un intérêt croissant pour les renforts cousus appelés « non crimp fabric » (NCF). Ces renforts sont constitués de plis de fibres unidirectionnels juxtaposés, non tissés, mais cousus entre eux à l’aide d’un fil de couture. Ils permettent une plus grande variété d’empilements et optimisent les propriétés du composite en réduisant l’entrelacement des fibres. La fabrication de pièces composites par des procédés automatisés tel que le RTM (Resin Transfert Molding) implique de mettre en forme les renforts fibreux pour obtenir des géométries 3D complexes. La mise en forme des NCF est fortement impactée par la présence de la couture. Le développement d’outils de simulation adaptés doit permettre d’optimiser la fabrication de ces produits. Ce travail s’intéresse au rôle mécanique de la couture lors de la mise en forme. L’étude porte sur différents renforts NCF, des essais expérimentaux et des simulations par éléments finis en dynamique explicite. En s’inspirant de travaux antérieurs sur les renforts tissés, différentes approches de modélisation sont proposées pour les NCF à l’échelle macroscopique : intégration du fil et du motif de couture dans les lois de comportement ; développement de modèles mixant des éléments finis continus pour les nappes de fibres, et semi-discrets pour les coutures. Les performances de ces différentes approches sont confrontées aux résultats expérimentaux. Enfin, une nouvelle contribution est apportée pour la prise en compte de la rigidité de flexion dans le plan des renforts fibreux, en généralisant l’utilisation des éléments finis de coque dit « rotation-free » pour le calcul de l’ensemble des courbures (hors plan et dans le plan).

International audience; A unified damage and failure approach has been proposed to estimate the failure of 3D woven composite materials with polymer matrix subjected to static and/or fatigue loadings. Indeed, the existing damage and failure approach developed by Onera for static loading has been extended in the present paper to predict the damage evolution during fatigue loading, even for multiaxial spectral loadings, using an incremental damage formalism. The fatigue lifetime predictions, meaning the evolution of apparent modulus and S-N curves for different stress ratios, have been compared successfully with the available tests carried-out by Safran Groupor Onera. Moreover, this unified approach has been implemented into a commercial finite element code and applied successfully to different composite structures, presenting an increasing complexity, subjected to fatigue loadings.; Une approche unifiée de l’endommagement et la rupture a été proposée pour prévoir la ruine et la durée de vie de matériaux composites tissés 3D à matrice polymère soumise à des charges statiques et/ou de fatigue. L'approche macroscopique de l’endommagement et de la rupture développée par l'Onera pour les chargements statiques a été étendue dans cette étude pour prévoir l'évolution des endommagements durant les chargements de fatigue, même pour des chargements spectraux multiaxiaux, en utilisant un formalisme d’endommagement incrémental. Les prévisions de durée de vie en fatigue, aussi bien en termes d'évolution du module apparent que de courbes S-N pour différents rapports de charge, ont été comparées avec succès aux essais disponibles réalisés par le groupe Safran ou à l’Onera. De plus, cette approche unifiée a été mise en œuvre dans un code commercial par éléments finis et appliquée avec succès à des structures composites, présentant une complexité croissante, soumises à des chargements de fatigue.

The inner cavities of aluminum cylinder heads are made using sand cores, which are made of silica sand and of a polyurethane resin binder. The cores are placed in the metallic mold just before casting. During this stage, the cores are submitted to the metallo-static pressure and high temperatures. Under these extreme loading conditions, with the development of thinner and thinner walls with complex designs, the cores exhibit significant deformation causing dimensional defects in the final cast.To control the deformation of the sand core, it is necessary to possess a robust characterization of their thermal and mechanical properties, that could be introduced in structural computations simulating the flow of the liquid metal, the solidification and the thermal fields. This approach is still not fully in use in the industry. A review of the literature confirms that this knowledge is incomplete for the moment.The work was therefore concentrated on the experimental characterization of the thermomechanical behavior and the thermophysical properties of the foundry cores and Polyurethane resin binder.Then, a behavior model capable of taking into account the viscosity of the material, damage development, and especially its evolution as a function of time and temperature because of the thermal degradation of the binder resin was developed.A technological specimen was finally designed and an experimental protocol has been established to measure the deformation of a core during casting and numerically validate the constitutive equations under complex thermal and mechanical loadings.; Les cavités intérieures des culasses d'aluminium sont réalisées à l'aide de noyaux de sable, qui sont constitués d'un mélange de silice et d'une résine Polyuréthane. Ils sont placés dans le moule métallique juste avant la coulée. Durant celle-ci, ils subissent la pression métallo-statique et sont soumis à des températures élevées. Sous ces conditions extrêmes, avec l'apparition de parois de plus en plus fines et de formes plus complexes, les noyaux peuvent présenter des déformations qui induisent des défauts dimensionnels sur les pièces finales.Pour contrôler la déformation des noyaux, il faut d'abord disposer d'une caractérisation robuste de leur propriétés thermiques et mécaniques, qui puisse être utilisée dans des calculs de structures simulant le flux de métal liquide, la solidification et les champs thermiques. Cette approche n'est pas encore pratiquée de façon complète dans l'industrie. Une revue de la littérature confirme que cette connaissance n'est que très parcellaire pour le moment.Le travail a donc d'abord été concentré sur la caractérisation expérimentale du comportement thermomécanique et des propriétés thermophysiques des noyaux de fonderie et du liant résine.Ensuite, un modèle de comportement capable de prendre en compte la viscosité du matériau, son endommagement, et surtout son évolution en fonction du temps et de la température en raison de la dégradation thermique du liant résine a été développé.Une éprouvette technologique a finalement été conçue et un protocole expérimental a été mis en place pour mesurer la déformation d'un noyau durant la coulée et de valider numériquement le modèle de comportement sous des chargements thermiques et mécaniques complexes.

Recently, in-situ observations by X-ray laminography (at synchrotron) show that the multiple localization bands are the precursors of damage and possibly the slant fracture. These bands can be related to the strain ageing effect (L"uders or Portevin-Le Chatelier (PLC)) whose influence on the fracture is still poorly understood. These effects are observed in many industrial alloys such as 2000 or 5000 series aluminium alloys, or, for example, in the C-Mn steels for which a ductility drop is observed in the temperature range where these effects are most pronounced.The aim of the thesis is to characterize the PLC effect and to evaluate its influence on the development of ductile damage and therefore on the final fracture. Firstly, the influence of strain ageing on strain hardening was introduced in a model based on the dislocation density using results from the literature. Secondly, several 2000 series aluminium alloys and a C-Mn steel were investigated by mechanical tests combined with Digital Image Correlation. The premature triggering of localization bands was observed in tensile tests involving relaxation, unloading and strain rate jump for certain aluminium alloys. The bands around the notch in the specimens of C-Mn steel were observed at high temperature. Two different modes of fracture were observed at the two temperatures. These results are compared with those produced with the KEMC model. Thirdly, a constitutive model combining the strain ageing (type KEMC) and damage (type Rousselier) was developed in order to explain the experimentally observed interactions between these two phenomena.; Récemment, les observations in-situ par laminographie aux rayons X (au synchrotron) montrent que les multiples bandes de localisation sont les précurseurs de l'endommagement et éventuellement de la rupture en biseau. Ces bandes peuvent être liées aux phénomènes de vieillissement par la déformation (type effet de L"uders ou Portevin-Le Chatelier (PLC)) dont l'influence sur la rupture est encore mal compris. Ces effets sont pourtant observés dans de nombreux alliages industriels comme les aluminiums de la série 2000 ou 5000, ou par exemple, dans le cas des aciers C-Mn pour lesquels un creux de ductilité est observé dans la gamme de température o'u ces effets sont les plus marqués.L'objectif de la thèse consiste à caractériser l'effet PLC et évaluer son influence sur le développement de l'endommagement et donc sur la rupture finale. D'abord, l'effet de vieillissement sur l'écrouissage a été introduit dans un modèle basé sur la densité de dislocations en utilisant les résultats dans la littérature. Ensuite, certains alliages d'aluminium de la série 2000 et un acier C-Mn ont été étudiés par essais mécaniques avec corrélation d'images.Le déclenchement prématuré de localisation a été observé pendant les essais de relaxation, de déchargement et de changement de vitesse pour certains alliages d'aluminium.Les bandes autour de l'entaille dans l'éprouvette d'acier C-Mn ont été observées à haute température. Deux modes de rupture différents ont été observés dans les deux températures. Ces résultats sont comparés avec ceux du modèle KEMC. Enfin, un modèle de comportement couplant les effets de vieillissement (type KEMC) et d'endommagement (type Rousselier) a été développé pour tenter d'expliquer les interactions observées expérimentalement entre ces deux phénomènes.

Recently, in-situ observations by X-ray laminography (at synchrotron) show that the multiple localization bands are the precursors of damage and possibly the slant fracture. These bands can be related to the strain ageing effect (L"uders or Portevin-Le Chatelier (PLC)) whose influence on the fracture is still poorly understood. These effects are observed in many industrial alloys such as 2000 or 5000 series aluminium alloys, or, for example, in the C-Mn steels for which a ductility drop is observed in the temperature range where these effects are most pronounced.The aim of the thesis is to characterize the PLC effect and to evaluate its influence on the development of ductile damage and therefore on the final fracture. Firstly, the influence of strain ageing on strain hardening was introduced in a model based on the dislocation density using results from the literature. Secondly, several 2000 series aluminium alloys and a C-Mn steel were investigated by mechanical tests combined with Digital Image Correlation. The premature triggering of localization bands was observed in tensile tests involving relaxation, unloading and strain rate jump for certain aluminium alloys. The bands around the notch in the specimens of C-Mn steel were observed at high temperature. Two different modes of fracture were observed at the two temperatures. These results are compared with those produced with the KEMC model. Thirdly, a constitutive model combining the strain ageing (type KEMC) and damage (type Rousselier) was developed in order to explain the experimentally observed interactions between these two phenomena.; Récemment, les observations in-situ par laminographie aux rayons X (au synchrotron) montrent que les multiples bandes de localisation sont les précurseurs de l'endommagement et éventuellement de la rupture en biseau. Ces bandes peuvent être liées aux phénomènes de vieillissement par la déformation (type effet de L"uders ou Portevin-Le Chatelier (PLC)) dont l'influence sur la rupture est encore mal compris. Ces effets sont pourtant observés dans de nombreux alliages industriels comme les aluminiums de la série 2000 ou 5000, ou par exemple, dans le cas des aciers C-Mn pour lesquels un creux de ductilité est observé dans la gamme de température o'u ces effets sont les plus marqués.L'objectif de la thèse consiste à caractériser l'effet PLC et évaluer son influence sur le développement de l'endommagement et donc sur la rupture finale. D'abord, l'effet de vieillissement sur l'écrouissage a été introduit dans un modèle basé sur la densité de dislocations en utilisant les résultats dans la littérature. Ensuite, certains alliages d'aluminium de la série 2000 et un acier C-Mn ont été étudiés par essais mécaniques avec corrélation d'images.Le déclenchement prématuré de localisation a été observé pendant les essais de relaxation, de déchargement et de changement de vitesse pour certains alliages d'aluminium.Les bandes autour de l'entaille dans l'éprouvette d'acier C-Mn ont été observées à haute température. Deux modes de rupture différents ont été observés dans les deux températures. Ces résultats sont comparés avec ceux du modèle KEMC. Enfin, un modèle de comportement couplant les effets de vieillissement (type KEMC) et d'endommagement (type Rousselier) a été développé pour tenter d'expliquer les interactions observées expérimentalement entre ces deux phénomènes.

Cold spray process is based on spraying particles carried by a gas at a supersonic speed onto a substrate. Particle deformation during impact with the substrate creates a coating. This spraying process can retain particle microstructure and produce very dense coating. This property is crucial for anticorrosion applications. The aim of this work is to understand the effect of cold spray aluminum coating microstructure on marine corrosion mechanisms. To achieve this goal, several aluminum powders (including pure aluminum, aluminum alloys and mixtures with alumina) are sprayed onto a steel substrate. Coating microstructure is studied down to a nanoscale (TEM). The coating-substrate bond strength is determined using pull-off testing. From a thorough microstructure study, various mechanisms are proposed to explain multiscale porosity formation in coatings. A numerical study using finite elements modeling complements this microstructure analysis. From particle speed (DPV-2000) and temperature (thermal camera) measurements during impact, new material models are optimized to model aluminum and alumina behavior at particle impact. Moreover, corrosion tests are conducted (including immersion and salt spray tests). The study of corroded coating microstructures is used to identify corrosion mechanisms which occur in the coating. A relationship between coating porosity and its corrosion behavior is particularly brought into light. Finally, a first approach to a technological transfer of this process to an industrial application is proposed.; Le principe de la projection dynamique par gaz froid ou « cold spray » repose sur la projection de particules de poudres convoyées par un gaz à des vitesses supersoniques vers un substrat. La déformation des particules à l’impact avec ce dernier permet la construction d’un dépôt. Ce procédé permet de conserver la microstructure des particules de poudre et de produire des dépôts peu poreux. Cette dernière caractéristique est essentielle dans le cadre d’applications anticorrosion. L’ambition de la thèse est de comprendre le rôle de la microstructure sur les mécanismes de corrosion marine d’un dépôt à base d’aluminium élaboré par cold spray. Pour atteindre cet objectif sont projetées des poudres à base d’aluminium (aluminium pur, alliages d’aluminium et mélanges avec ajout d’alumine) sur un substrat en acier. Les microstructures des dépôts sont étudiées jusqu’à l’échelle nanométrique (MET). L’adhérence des dépôts est mesurée par l’essai de plot collé. A partir des microstructures sont proposés plusieurs mécanismes de formation de la porosité dans un dépôt cold spray à différentes échelles. Une étude numérique par éléments finis complète cette analyse microstructurale. Grâce aux mesures de la vitesse (DPV-2000) et de la température (caméra thermique) d’impact des particules, les paramètres de nouveaux modèles matériau sont optimisés pour simuler le comportement de l’aluminium et de l’alumine à l’impact. De plus, plusieurs essais de corrosion marine (immersion et brouillard salin) sont conduits. L’étude des microstructures corrodées permettent d’établir différents mécanismes de corrosion du dépôt cold spray. Un lien entre la porosité du dépôt et son comportement en corrosion est notamment montré. Enfin, une première approche du transfert de technologie du procédé à l’échelle industrielle est décrite.

Cold spray process is based on spraying particles carried by a gas at a supersonic speed onto a substrate. Particle deformation during impact with the substrate creates a coating. This spraying process can retain particle microstructure and produce very dense coating. This property is crucial for anticorrosion applications. The aim of this work is to understand the effect of cold spray aluminum coating microstructure on marine corrosion mechanisms. To achieve this goal, several aluminum powders (including pure aluminum, aluminum alloys and mixtures with alumina) are sprayed onto a steel substrate. Coating microstructure is studied down to a nanoscale (TEM). The coating-substrate bond strength is determined using pull-off testing. From a thorough microstructure study, various mechanisms are proposed to explain multiscale porosity formation in coatings. A numerical study using finite elements modeling complements this microstructure analysis. From particle speed (DPV-2000) and temperature (thermal camera) measurements during impact, new material models are optimized to model aluminum and alumina behavior at particle impact. Moreover, corrosion tests are conducted (including immersion and salt spray tests). The study of corroded coating microstructures is used to identify corrosion mechanisms which occur in the coating. A relationship between coating porosity and its corrosion behavior is particularly brought into light. Finally, a first approach to a technological transfer of this process to an industrial application is proposed.; Le principe de la projection dynamique par gaz froid ou « cold spray » repose sur la projection de particules de poudres convoyées par un gaz à des vitesses supersoniques vers un substrat. La déformation des particules à l’impact avec ce dernier permet la construction d’un dépôt. Ce procédé permet de conserver la microstructure des particules de poudre et de produire des dépôts peu poreux. Cette dernière caractéristique est essentielle dans le cadre d’applications anticorrosion. L’ambition de la thèse est de comprendre le rôle de la microstructure sur les mécanismes de corrosion marine d’un dépôt à base d’aluminium élaboré par cold spray. Pour atteindre cet objectif sont projetées des poudres à base d’aluminium (aluminium pur, alliages d’aluminium et mélanges avec ajout d’alumine) sur un substrat en acier. Les microstructures des dépôts sont étudiées jusqu’à l’échelle nanométrique (MET). L’adhérence des dépôts est mesurée par l’essai de plot collé. A partir des microstructures sont proposés plusieurs mécanismes de formation de la porosité dans un dépôt cold spray à différentes échelles. Une étude numérique par éléments finis complète cette analyse microstructurale. Grâce aux mesures de la vitesse (DPV-2000) et de la température (caméra thermique) d’impact des particules, les paramètres de nouveaux modèles matériau sont optimisés pour simuler le comportement de l’aluminium et de l’alumine à l’impact. De plus, plusieurs essais de corrosion marine (immersion et brouillard salin) sont conduits. L’étude des microstructures corrodées permettent d’établir différents mécanismes de corrosion du dépôt cold spray. Un lien entre la porosité du dépôt et son comportement en corrosion est notamment montré. Enfin, une première approche du transfert de technologie du procédé à l’échelle industrielle est décrite.

This PhD addresses the development of high-power laser diodes emitting at 975nm withhigh efficiency and wavelength stabilized using a Bragg grating. This thesis was conducted in the framework of a close partnership between IMS Laboratory, the GIE III-V lab, who is themain French founder of III-V semiconductor devices for electronic and photonic applications,and THALES Research & Technology in Palaiseau. An in-depth characterization and analysiswork has addressed thermal aspects that contribute, in particular, to limit the optical outputpower of a laser diode. In such a context, we have carried out a set of complementary characterizations both at III-V lab and IMS allowing us to provide some corrective solutionsfor technological optimization concerning the etching depth of the grooves that defines the emitting stripe of the laser diode and the nature of the submount acting as a thermocompensator.These solutions have been proposed from optical modelling implemented with a dedicated simulator, property of III-V lab, and thermal and thermomechanical (multiphysics approach) finite element simulations of the overall microassembled structure. All this work has resulted in the fabrication as well as electro-optical and thermal characterizations of three vertical structures namely LOC (Large Optical Cavity), SLOC (Super Large Optical Cavity)and AOC (Asymmetrical Optical Cavity). The LOC and SLOC vertical structures have been processed with a Fabry-Perot cavity and also including a Bragg grating (DFB architecture) while the AOC one was only fabricated with a Fabry-Perot cavity. State-of-the-art results aredemonstrated since in particular an optical power of 8W with an efficiency of 60% has been obtained that can be compared to those recently published by the Ferdinand-Braun Institute.The originality of the work carried out in this PhD has allowed us to receive a grant from the European Laserlab Cluster (The Integrated Initiative of the European Laser Research Infrastructures), to conduct dedicated experiments at the Max-Born Institute (Berlin) in thegroup of Dr. J.W. Tomm. The work aimed to characterize mechanical strain of the laser diode induced by the soldering process. Two vertical structures (SLOC and AOC) were investigated using complementary techniques (microphotoluminescence, time-resolved photoluminescence,photocurrent spectroscopy and pulsed L-I measurements), allowing to quantify the level of residual stress provided by the laser diode mounting process as well as the kinetics of the catastrophic degradation process (COD)., Cette thèse CIFRE adresse le développement de diodes laser, émettant à 975nm, de très forte puissance, rendement à la prise élevé, et stabilisées en longueur d’onde pour pompage de fibres dopées Er/Yb et réalisation de lasers à fibre. La thèse a été développée dans le cadre d’un partenariat étroit entre le Laboratoire IMS, le GIE III-V Lab, principal fondeur français de composants à semiconducteurs III-V pour des applications électroniques et photoniques, et THALES Research & Technology à Palaiseau en région parisienne. Un travail en profondeur de caractérisation et d’analyse a porté sur les aspects thermiques qui contribuent, en particulier,à limiter les niveaux de puissance optique de sortie. Dans ce cadre, nous avons réalisé un ensemble de caractérisations complémentaires au GIE III-V lab et à l’IMS nous permettant d’envisager des solutions correctives d’optimisation technologique portant en particulier sur la profondeur de gravure définissant la largeur de la zone d’émission et la nature du substrat dissipateur. Ces solutions ont été proposées à partir de modélisations physiques mises en oeuvre avec un simulateur dédié, propriété de III-V Lab et de simulations par éléments finis thermiques et thermomécaniques (approche multiphysique) de la structure microassemblée définitive. Ces travaux se sont prolongés par la fabrication et la caractérisation électro-optique et thermique de plusieurs structures verticales : LOC (Large Optical Cavity), SLOC (Super Large OpticalCavity) et AOC (Asymetrical Optical Cavity). Les diodes laser de type LOC et SLOC sont stabilisées en longueur d’onde en intégrant un réseau de Bragg (DFB). Une puissance optique de 8W avec une efficacité de 60% a été obtenue ; ce qui permet de situer ces travaux à l’état de l’art international notamment vis-à-vis de ceux publiés par l’Institut Ferdinand-Braun.L’originalité des travaux menés dans cette thèse nous a permis d’avoir accès à une bourse du Cluster européen « Laserlab » (The Integrated Initiative of European Laser Research Infrastructures), pour conduire des campagnes d’expérimentation à l’Institut Max Born à Berlin dans le groupe du Dr J.W. Tomm. Les travaux ont porté sur la caractérisation thermique de ces diodes laser de forte puissance émettant à 975nm, à double hétérostructure symétrique et asymétrique (SLOC et AOC), en utilisant des techniques complémentaires (microphotoluminescence,photoluminescence résolue en temps, spectroscopie de photocourant et mesures L-I pulsées) et permettant d’évaluer le type de contraintes résiduelles apportées par les étapes de report de la diode Laser ainsi que la cinétique de dégradation catastrophique de type COD.

International audience; Les câbles synthétiques tressés subissent des endommagements internes lors de leurs pas- sages sur des poulies du fait des interactions de contact-frottement entre leurs constituants internes. Une méthode de simulation par éléments finis est proposée afin de déterminer la configuration initiale a priori inconnue des ces structures tressées, et d’évaluer les contraintes au niveau des brins constituant le câble tressé lors de sa flexion sur une poulie. Différentes architectures de câbles sont étudiées, et des tests de rupture en traction droite et en traction sur poulie sont simulés.

International audience; HiTape R© est un renfort sec unidirectionnel conçu pour répondre au besoin de réduction des coûts tout en maintenant des performances mécaniques comparables à celles des renforts pré-imprégnés. L’objectif du projet est la simulation de la mise en forme de ce renfort. Pour cela, les principaux mécanismes de déformation sont identifiés et une loi de comportement hyperélastique est sélectionnée pour représenter ces différents mécanismes supposés découplés. La simulation est réalisée dans le code Zset à l’échelle macroscopique à l’aide d’éléments de coques.

The high dose hydrogen ion implantation is used in the Smart Cut (tm) process to transfer relatively thick (i.e. >200 nm) Si layers from a donor substrate onto a host material. Hydrogen and helium co-implantation at low energies for a much lower total fluence opens the way for transferring extremely thinner (i.e. 200 nm) sur un autre substrat. En utilisant l'implantation à très basse énergie, la co-implantation d'H et d'He pour des doses totales bien plus faibles que celles requises lorsque l'hydrogène est implanté seul ouvre la voie à un transfert de couches beaucoup plus minces (< 50 nm). Cependant, les phénomènes mis en jeu ainsi que les mécanismes responsables de l'interaction, près de la surface libre du wafer, entre l'H et l'He, et les interstitiels et les lacunes qu'ils génèrent, restent à ce jour largement incompris. Dans ce travail, nous avons tout d'abord déterminé l'effet de la réduction des énergies d'implantation d'H et d'He sur la formation et le développement, lors d'un recuit, des cloques qui se forment à partir de micro-fissures en l'absence d'un raidisseur collé à la plaque implantée. Une approche basée sur la comparaison entre les caractéristiques dimensionnelles des cloques obtenues expérimentalement et la simulation par éléments finis, nous a permis de déterminer la pression et la quantité d'He et d'H2 hébergées dans ces cloques. En comparant ces résultats avec les doses d'ions implantées, nous avons pu mettre en évidence l'absence d'exo-diffusion d'He et d'H lors d'un recuit quelle que soit la distance entre la surface et les profils d'ions implantés, qui montre une forte efficacité des cloques à préserver les molécules. Nous avons pu identifier, puis expliquer, la différence en efficacité de coalescence des cloques en fonction de leurs positions en profondeur en la reliant à la variation de l'augmentation d'énergie élastique des cloques par rapport à leur surface. Nous avons ensuite étudié le rôle du dommage ionique, c'est-à-dire des défauts résultants de la co-implantation d'He et d'H, sur la formation et l'évolution thermique de la microstructure du silicium implanté. Cette étude a été menée soit en fonction de l'ordre d'implantation, soit en fonction de la position nominale en profondeur du profil d'He par rapport au profil d'H, soit en fonction du ratio entre les doses d'implantation d'He et d'H. Nous avons montré que la distribution en profondeur de l'H n'est jamais affectée par la co-implantation d'He. L'He est toujours piégé dans la zone où le dommage est maximal. Lorsque le dommage est maximal dans la zone du profil d'H, l'He y diffuse et y est piégé dans des nano-bulles et/ou des microfissures. Mais si le dommage généré dans la zone où est distribué l'He est supérieur à celui généré autour du profil d'H, l'He reste piégé en dehors du profil d'H dans des nano-bulles. L'He contenue dans des nano-bulles, quelle que soit leur distribution en profondeur, ne contribue pas à la pressurisation des cloques ce qui ralenti la coalescence des cloques. Finalement, nous avons pu proposer différents scénarii permettant de rendre compte des similarités et des différences mises en évidence tant avant recuit qu'après recuit, à basse ou plus haute température selon le type d'implantation réalisé.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Depuis quelques années, dans le but d’augmenter la densité et les performances des cartes électroniques, des composants sont enfouis dans les couches internes de circuit imprimé. Une évaluation de la fiabilité de cette technologie est nécessaire avant utilisation au sein de cartes électroniques soumises à des environnements sévères pendant de longues durées. Afin d’étudier le comportement thermomécanique de ces cartes, des simulations par éléments finis ont été réalisées. Les composants enfouis sont soumis à un chargement thermomécanique complexe durant le procédé d’assemblage, notamment de flexion composée, due à un rétreint des résines et des préimprégnés.

Cold Spray consists in the high-speed spray of powder particles onto a target; namely the substrate. Their adhesion and accumulation leads to a more or less dense coating to be used in the automotive, the biomedical… areas. The first stage of coating results from a powder to substrate contact. Bonding is due to mechanical anchoring and, depending on the involved materials, to metallurgical interaction. This study helps to rule on these two components. For this, two systems, which promote either mechanical or metallurgical mechanism separately, are selected. Mechanical anchoring is studied through polymer metallization using of aluminum for spraying onto polyamide 6,6. Metallurgical bonding is studied using titanium onto Ti-6Al-4V. Before studying the bonding mechanisms, the spraying process is investigated using many process parameters and materials properties (temperature, particle size…). Advanced tools are employed to determine impact conditions; i.e. particle velocity by DPV2000, substrate temperature by infrared thermography and particle temperature by numerical calculation. Mechanical anchoring onto the polymer is described through the analysis of elementary particle impacts and through 2D (micrograph sections) and 3D (laminography) study of interface roughness. The porosity gradient is also quantified. Metallurgical bonding is studied by TEM. Before that, a finite element simulation is used to go into the phenomenology of the impact and to quantify the local deformation and temperature at the interface. The simulated particle morphology is compared to those observed in real spraying conditions. Lastly, deposit adhesion is assessed by pull-off testing and the fractured surface is observed. The influence of the substrate surface morphology is exhibited using sand-blasting and laser structuring pretreatments.; La projection thermique cold spray consiste en l'envol de poudres à haute vitesse sur une cible : le substrat. Leur adhérence et leur accumulation mène à des revêtements plus ou moins denses, utilisés dans le domaine automobile, biomédical, etc. La première étape de construction du dépôt passe par un contact entre la poudre et le substrat. Il est admis que la liaison créée est mécanique et, si la nature des matériaux le permet, métallurgique. Cette étude permet de statuer sur ces deux composantes. Pour cela, deux systèmes privilégiant l'une ou l'autre, sont choisis. L'ancrage mécanique est vu au travers de la métallisation de polymère avec l'emploi d'aluminium projeté sur polyamide 6,6. La liaison métallurgique est abordée avec l'emploi de titane sur un substrat plus rigide en TA6V. Avant d'étudier les mécanismes de liaison, une étape d'élaboration des dépôts est réalisée balayant de nombreux paramètres « procédé » et différentes propriétés des matériaux (température, granulométrie). Des outils sont déployés pour connaître les conditions d'impact : la vitesse de particule par DPV2000, la température du substrat par thermographie infra-rouge et la température des particules par voie numérique. L'ancrage mécanique dans le polymère est décrit grâce à l'étude de l'impact de particules élémentaires ainsi que de la rugosité d'interface 2D (coupes micrographiques) et 3D (laminographie X). Le gradient de porosité est également quantifié. La liaison métallurgique est étudiée par MET. Au préalable, la simulation numérique par éléments finis est employée pour retracer la phénoménologie de l'impact ainsi que quantifier les déformations et les températures locales atteintes à l'interface. La morphologie simulée des particules à l'impact est comparée à celles observées dans des conditions réelles de projection. Enfin, l'adhérence des différents dépôts est évaluée par essai « plot collé » et les faciès de rupture observés. L'influence de la morphologie de surface est étudiée avec des prétraitements de sablage et de structuration laser.

Cold Spray consists in the high-speed spray of powder particles onto a target; namely the substrate. Their adhesion and accumulation leads to a more or less dense coating to be used in the automotive, the biomedical… areas. The first stage of coating results from a powder to substrate contact. Bonding is due to mechanical anchoring and, depending on the involved materials, to metallurgical interaction. This study helps to rule on these two components. For this, two systems, which promote either mechanical or metallurgical mechanism separately, are selected. Mechanical anchoring is studied through polymer metallization using of aluminum for spraying onto polyamide 6,6. Metallurgical bonding is studied using titanium onto Ti-6Al-4V. Before studying the bonding mechanisms, the spraying process is investigated using many process parameters and materials properties (temperature, particle size…). Advanced tools are employed to determine impact conditions; i.e. particle velocity by DPV2000, substrate temperature by infrared thermography and particle temperature by numerical calculation. Mechanical anchoring onto the polymer is described through the analysis of elementary particle impacts and through 2D (micrograph sections) and 3D (laminography) study of interface roughness. The porosity gradient is also quantified. Metallurgical bonding is studied by TEM. Before that, a finite element simulation is used to go into the phenomenology of the impact and to quantify the local deformation and temperature at the interface. The simulated particle morphology is compared to those observed in real spraying conditions. Lastly, deposit adhesion is assessed by pull-off testing and the fractured surface is observed. The influence of the substrate surface morphology is exhibited using sand-blasting and laser structuring pretreatments.; La projection thermique cold spray consiste en l'envol de poudres à haute vitesse sur une cible : le substrat. Leur adhérence et leur accumulation mène à des revêtements plus ou moins denses, utilisés dans le domaine automobile, biomédical, etc. La première étape de construction du dépôt passe par un contact entre la poudre et le substrat. Il est admis que la liaison créée est mécanique et, si la nature des matériaux le permet, métallurgique. Cette étude permet de statuer sur ces deux composantes. Pour cela, deux systèmes privilégiant l'une ou l'autre, sont choisis. L'ancrage mécanique est vu au travers de la métallisation de polymère avec l'emploi d'aluminium projeté sur polyamide 6,6. La liaison métallurgique est abordée avec l'emploi de titane sur un substrat plus rigide en TA6V. Avant d'étudier les mécanismes de liaison, une étape d'élaboration des dépôts est réalisée balayant de nombreux paramètres « procédé » et différentes propriétés des matériaux (température, granulométrie). Des outils sont déployés pour connaître les conditions d'impact : la vitesse de particule par DPV2000, la température du substrat par thermographie infra-rouge et la température des particules par voie numérique. L'ancrage mécanique dans le polymère est décrit grâce à l'étude de l'impact de particules élémentaires ainsi que de la rugosité d'interface 2D (coupes micrographiques) et 3D (laminographie X). Le gradient de porosité est également quantifié. La liaison métallurgique est étudiée par MET. Au préalable, la simulation numérique par éléments finis est employée pour retracer la phénoménologie de l'impact ainsi que quantifier les déformations et les températures locales atteintes à l'interface. La morphologie simulée des particules à l'impact est comparée à celles observées dans des conditions réelles de projection. Enfin, l'adhérence des différents dépôts est évaluée par essai « plot collé » et les faciès de rupture observés. L'influence de la morphologie de surface est étudiée avec des prétraitements de sablage et de structuration laser.

Resistance spot welding is a technique widely used by the automotive industry to assemble thin steel sheets. The accumulation of weld spots causes a progressive wear of the electrode active face which is accelerated when high strength galvanized steels are welded. This experimental and numerical study addresses the understanding of the mechanisms of degradation of CuCr1Zr electrodes, with a particular attention to the influence of the softening of the precipitation-hardened alloy. The thermo-mechanical behavior of the alloy and its thermo-physical properties have been characterized in different microstructural states. Instrumented welding tests, achieved on galvanized or uncoated steel sheets, allowed to study the degradation kinetics of the electrodes. Furthermore these tests provide data to validate the numerical simulations performed with the SYSWELD® code. A coupled electrical-thermal-metallurgical model allows proper simulation of the temperature field in the electrodes and assesses the respective contribution of welding parameters and boundary conditions that influence softening. A second electrical-thermal-metallurgical and mechanical analysis, using an elastoviscoplastic behavior law with an aging parameter, enables to calculate the electrode deformation during almost ten welded spots. Although the number of simulated spots is insufficient, satisfactory results are obtained in terms of calculated thermal cycles and promising tendencies are observed for mechanics.; Le soudage par point est utilisé par l'industrie automobile pour assembler des tôles minces en acier. L'accumulation des points de soudage entraîne une usure des faces actives des électrodes surtout dans le cas du soudage de tôles galvanisées à haute limite d'élasticité. Cette étude, expérimentale et numérique, porte sur la compréhension des mécanismes de dégradation des électrodes en CuCr1Zr, avec une attention particulière portée à l'influence de l'adoucissement lié à l'état de précipitation du matériau. Le comportement thermomécanique de l'alliage et ses propriétés thermo-physiques ont été caractérisés dans différents états microstructuraux. Des essais de soudage par point instrumentés, sur tôles nues et revêtues, ont permis d'étudier la cinétique de dégradation des électrodes. Ces essais fournissent par ailleurs des données pour valider les simulations numériques réalisées avec le code SYSWELD®. Un modèle couplé électro-thermo-métallurgique permet une simulation correcte du champ de température dans les électrodes et d'évaluer la contribution respective des paramètres de soudage et des conditions aux limites qui influencent l'adoucissement. Un second modèle électro-thermo-métallurgique-mécanique, intégrant une loi de comportement élastoviscoplastique avec une variable de vieillissement, permet de calculer la déformation de l'électrode au cours d'une dizaine de cycles de soudage. Bien que le nombre de points simulés soit insuffisant, les premiers résultats sont satisfaisants en thermique et encourageants pour la mécanique.

This study presents the development of an experimental and numerical material characterization method relying on the investigation of the material behavior of woven composites, from the microscopic scale up to the macroscopic level by increasing progressively the complexity of the geometries and load cases. Taking into account the different limitations imposed by the industrial and engineering fields, a new numerical mesh-insensitive material model has been developed as a UMAT for the explicit finite elements solver LS-DYNA. This model accounts for nonlinearity, plasticity, failure and post-failure damage in order to predict the macroscopic behavior and the damage tolerance of woven laminated composites. It includes also a smeared formulation to avoid undesirable localization phenomena. The first step of the validation process relies on the simulation of quasi-static coupon tests, which allows to set the fundamental numerical parameters corresponding to the effective material properties and to the macroscopic behavior observed experimentally. Then, the post-failure material degradation models have been investigated using the simulations of impact tests on elementary plates and on representative parts. A satisfying agreement has been obtained for the different load cases.; Cette étude présente le développement d'une méthode expérimentale et numérique de caractérisation du comportement d'un matériau composite à renforts tissés, depuis l'échelle microscopique jusqu'au niveau macroscopique, en augmentant progressivement la complexité des géométries et des cas de chargement. Un nouveau modèle matériau numérique a été développé sous la forme d'un UMAT pour le logiciel éléments finis LS-DYNA. Ce modèle est capable de prédire un comportement linéaire ou non-linéaire, la déformation plastique, la rupture et l'endommagement progressif du matériau après rupture, tout en respectant les différentes restrictions imposées par le domaine industriel. Une formulation non-locale a été implémentée afin d'éviter les phénomènes indésirables de localisation de l'endommagement et d'offrir l'indépendance du modèle à la finesse du maillage. La première étape du processus de validation est la simulation des essais quasi-statiques sur des échantillons, ce qui permet de définir les paramètres numériques fondamentaux correspondant aux propriétés mécaniques et au comportement macroscopique du matériau étudié. Ensuite, les simulations d'impact assurent l'étude des modèles de dégradation. Une bonne corrélation a été obtenue pour les différents cas de chargement.

International audience; Le procédé de nanocristallisation superficielle SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) est un procédé dont le principe est proche de grenaillage ultrason. Il permet de nanocristalliser la surface de la pièce traitée sur quelques dizaines de micromètres. Ce traitement est reconnu pour l'amélioration considérable des propriétés de surface des matériaux ainsi traités (dureté, résistance à la fatigue...). Cette efficacité a été démontrée sur de nombreux alliages métalliques comme l'acier, ou sur des métaux purs comme le cuivre. Toutefois, le SMAT dépend de nombreux paramètres qui peuvent rendre difficile sa bonne utilisation. Afin de maîtriser et d'étudier les effets qu'il introduit, une démarche de calcul permettant de simuler l'ensemble du procédé est présentée. Dans un premier temps, la mise en œuvre d'un modèle de gaz granulaire, qui donne accès aux trajectoires des billes, permet de prédire l'influence des différents paramètres sur la distribution des impacts à la surface d'une pièce. L'amplitude de vibration et la masse totale de billes sont identifiées comme les paramètres clés pour optimiser les conditions de traitement. Dans un second temps, en se ramenant à l'analyse de l'impact d'une seule bille sur un matériau homogène équivalent, il est finalement possible d'obtenir le champ de déplacement macroscopique local, aussi bien que le champ de déplacement global de la surface impactée, tenant compte de la statistique des différents impacts. Une modélisation micromécanique basée sur l'évolution des densités de dislocations est enfin utilisée pour simuler le raffinement des grains.

International audience; L'utilisation de la méthode des Éléments Finis pour prédire le comportement local des matériaux cristallins à partir des champs mécaniques locaux, s'est développée en 1980 avec les travaux de Peirce et al. [1]. Cette approche s'est généralisée du fait de l'augmentation de la puissance de calcul, qui permet actuellement de traiter des agrégats cristallins représentatifs de matériaux comportant plusieurs centaines de grains ou phases [2]. L'intérêt des approches multicristallines est de décrire au mieux les interactions entre grains et les effets des joints de grains. Cela suppose une bonne description spatiale de la morphologie de chaque grain et de leur orientation cristallographique. Les approches cristallines couplées à la méthode des Éléments Finis prennent en compte la plasticité à l'échelle des systèmes de glissement dans les grains dont l'orientation est connue. Elles s'appuient sur des lois de comportement et d'écrouissage et permettent de décrire les hétérogénéités de champs mécaniques locaux et leur influence sur la mise en forme, les textures de déformation et de recristallisation, l'endommagement et la rupture. La performance de ces modèles est liée aux lois physiques choisies, mais aussi à la représentativité de l'agrégat cristallin, au choix du maillage et aux conditions aux limites appliquées. L'utilisation de ces approches dans des logiciels de calcul du commerce nécessite l'écriture de sous-programmes du comportement correspondant aux lois retenues.

Rheology at high shear rate for both polymers, semi-crystalline HDPE and amorphous PMMA was studied. Classical rheometry tools, plane-plane dynamic mode rheometer and capillary rheometer, were used in extreme conditions (with channels diameters for capillary rheometry up to 0.3 mm). However, analyses of these results were made following conventional assumptions neglecting instabilities and physical phenomena involved in these flows.We then developed a mathematical model of a capillary flow in to reflect the importance of different physical phenomena that can occur in extreme flows, namely heating, pressure dependency of viscosity, compressibility and the wall slip. The results of the developed model were compared with experimental results.We helped develop a press microinjection original and we tested it with instrumented plate mold with thickness up to 0.2 mm. We have shown that it is possible to make quality parts which are proven by well reproducible pressure, speed and temperature measurements. We used the experimental rheological data in filling phase modeling with the calculation software Rem3D. Correlations between experimental measurements and calculations were carried out by comparing the pressure in the filling system and the cavity.; La rhéologie à hauts taux de cisaillement pour deux polymères, le PEHD semi-cristallin et le PMMA amorphe a été étudiée. Des outils de rhéométrie classique, un rhéomètre plan-plan en mode dynamique, et un rhéomètre capillaire, ont été utilisés dans des conditions extrêmes (avec des filières pour la rhéométrie capillaire de diamètres allant jusqu'à 0,3 mm) mais les dépouillements de ces résultats ont été fait suivant les hypothèses conventionnelles en négligeant les instabilités et les phénomènes physiques qui interviennent lors de ces écoulements.Nous avons par la suite développé un modèle mathématique de l'écoulement dans un capillaire pour rendre compte de l'importance des différents phénomènes physiques qui peuvent avoir lieu dans des écoulements extrêmes, à savoir l'échauffement et la piezodépendance de la viscosité, la compressibilité et le glissement à la paroi. Les résultats du modèle développé ont été comparés avec les résultats expérimentaux.Nous avons aidé au développement d'une presse de microinjection originale et nous l'avons testée avec un moule de plaque instrumenté d'épaisseur allant jusqu'à 0,2 mm. Nous avons montré qu'il était possible de réaliser des pièces de qualité ce qui est avéré par des mesures de pression, vitesse et de température bien reproductibles. Nous avons exploité les données rhéologiques expérimentales dans la modélisation de la phase de remplissage avec le logiciel de calcul Rem3D. Des corrélations entre les mesures expérimentales et les calculs ont été réalisées en comparant l'évolution des pressions dans le système d'alimentation et dans l'empreinte.

Rheology at high shear rate for both polymers, semi-crystalline HDPE and amorphous PMMA was studied. Classical rheometry tools, plane-plane dynamic mode rheometer and capillary rheometer, were used in extreme conditions (with channels diameters for capillary rheometry up to 0.3 mm). However, analyses of these results were made following conventional assumptions neglecting instabilities and physical phenomena involved in these flows.We then developed a mathematical model of a capillary flow in to reflect the importance of different physical phenomena that can occur in extreme flows, namely heating, pressure dependency of viscosity, compressibility and the wall slip. The results of the developed model were compared with experimental results.We helped develop a press microinjection original and we tested it with instrumented plate mold with thickness up to 0.2 mm. We have shown that it is possible to make quality parts which are proven by well reproducible pressure, speed and temperature measurements. We used the experimental rheological data in filling phase modeling with the calculation software Rem3D. Correlations between experimental measurements and calculations were carried out by comparing the pressure in the filling system and the cavity.; La rhéologie à hauts taux de cisaillement pour deux polymères, le PEHD semi-cristallin et le PMMA amorphe a été étudiée. Des outils de rhéométrie classique, un rhéomètre plan-plan en mode dynamique, et un rhéomètre capillaire, ont été utilisés dans des conditions extrêmes (avec des filières pour la rhéométrie capillaire de diamètres allant jusqu'à 0,3 mm) mais les dépouillements de ces résultats ont été fait suivant les hypothèses conventionnelles en négligeant les instabilités et les phénomènes physiques qui interviennent lors de ces écoulements.Nous avons par la suite développé un modèle mathématique de l'écoulement dans un capillaire pour rendre compte de l'importance des différents phénomènes physiques qui peuvent avoir lieu dans des écoulements extrêmes, à savoir l'échauffement et la piezodépendance de la viscosité, la compressibilité et le glissement à la paroi. Les résultats du modèle développé ont été comparés avec les résultats expérimentaux.Nous avons aidé au développement d'une presse de microinjection originale et nous l'avons testée avec un moule de plaque instrumenté d'épaisseur allant jusqu'à 0,2 mm. Nous avons montré qu'il était possible de réaliser des pièces de qualité ce qui est avéré par des mesures de pression, vitesse et de température bien reproductibles. Nous avons exploité les données rhéologiques expérimentales dans la modélisation de la phase de remplissage avec le logiciel de calcul Rem3D. Des corrélations entre les mesures expérimentales et les calculs ont été réalisées en comparant l'évolution des pressions dans le système d'alimentation et dans l'empreinte.

Tissue engineering, which consists in replacing an injured tissue with a biodegradable scaffold seeded with cells, has the potential to overcome the limitations associated with current reconstructions strategies of the Anterior Cruciate Ligament (ACL). However, no relevant solution has been proposed yet, especially due to the variety of scientific fields involved in this approach.In the current study, the key requirements for the design of a new scaffold have been listed from the current state of art. A scaffold based on P(LL85/CL15) fibers arranged into a multilayer braided structure has been proposed, and the tools needed to process this scaffold have been developed. Dedicated numerical tools have been proposed in order to predict the morphological and multiscale biomechanical behavior of the scaffold. These simulation tools have enabled to optimize the scaffold geometry in order to match the selected key requirements for ACL tissue engineering.Moreover, preliminary biological assessments have shown that the scaffold was suited for the culture of stem cells and for tissue formation. In addition, a dedicated bioreactor has been developed in order to prescribe tension-torsion cycles within a controlled environment.The use of local information issued from the biomechanical simulations open large perspectives as far as the optimization of culture conditions and the understanding of mechanisms that govern the formation of a ligamentous tissue are concerned. As a conclusion, the present study is likely to enable a new solution for ACL tissue engineering to emerge in the next years., L’ingénierie tissulaire, qui consiste à remplacer un tissu lésé par un biosubstitut constitué de cellules réparatrices ensemencées dans une matrice de support biodégradable, possède un potentiel prometteur pour la réparation du Ligament Croisé Antérieur (LCA). Or, aucune solution opérationnelle n'a encore été proposée à ce jour, notamment au vu du nombre de domaines scientifiques impliqués.Dans ce travail, nous avons dressé un cahier des charges pour la définition de cette matrice en nous appuyant sur l'état de l'art. Une matrice de support tressée multicouche constituée de fibres de P(LL85/CL15) a été imaginée, puis les outils nécessaires à sa fabrication à l'échelle du laboratoire ont été mis en place. Nous avons ensuite développé des outils numériques spécifiques permettant la modélisation de sa géométrie et de son comportement biomécanique multi-échelles, qui ont été mis à profit afin d’optimiser les caractéristiques de la matrice compte tenu du cahier des charges établi.De plus, des caractérisations biologiques ont montré que la matrice était compatible avec la culture de cellules souches, et était susceptible d’accueillir la formation d'un néo-tissu. Par ailleurs, nous avons mis en place un bioréacteur spécifique permettant d'imposer à la matrice de support des cycles de traction-torsion sous environnement contrôlé.L'utilisation des informations locales issues de la modélisation biomécanique, afin d'interpréter ou d'optimiser les résultats de culture cellulaire sous sollicitations cycliques, constitue une perspective majeure du présent travail. Notre investigation permet en outre de penser qu'un nouveau biosubstitut pour le LCA pourrait prochainement être proposé.

The specific properties of titanium make it a key material for the replacement of steel in weight dependent applications. however, unlike steel, titanium suffers from poor wear resistance. in order to improve this weakness, it is proposed to develop titanium metal matrix composites (mmc) reinforced with titanium carbide particles.to this end, ti and ti-6al-4v mmc were prepared with reinforcement fractions ranging from 5 percent to 20 percent using three powder metallurgy techniques: free sintering, hot isostatic compression and extrusion. the composites were then characterized from a microstructural (density, grain size) and a mechanical (tensile test) point of view. by comparing the results, it was possible to establish a relationship between microstructural features and mechanical properties.following their preparation, the composites were subjected to a forging step in order to study their behavior during hot deformation and to further improve their mechanical properties. the presence of particles induces the apparition of damage during hot deformation. therefore, we determined the best forging for the different composites whilst taking microstructure into account.finally, through analytical modeling and numerical simulations, we determined the young modulus, the yield stress and predicted the behavior of a mmc during a tensile test., Les propriétés spécifiques du titane en font un matériau de choix pour remplacer l’acier dans des applications où le poids est un paramètre de conception important. cependant, contrairement à l’acier, le titane souffre de mauvaises propriétés tribologiques. c’est pour répondre à cette problématique qu’il est envisagé de développer des composites à matrice métallique (cmm) titane renforcée par des particules de carbure de titane. dans le cadre de ce projet, plusieurs nuances de cmm à matrice ti ou ti-6al-4v contenants différentes fractions volumiques de particules de tic ont été élaborées par métallurgie des poudres. trois procédés ont été employés : le frittage libre, la compression isostatique à chaud et le filage. les différentes nuances ont ensuite été caractérisées du point de vue microstructurale (taux de densification, taille des grains) et mécanique (traction). la confrontation des résultats a permis d’établir un lien entre microstructure et propriétés mécaniques. dans l’optique d’étudier la mise en forme mais également d’améliorer les propriétés mécaniques, un post-traitement de type forgeage a été appliqué à la suite de la phase d’élaboration. excepté dans le cas des cmm filés, la présence de renforts entraîne l’apparition d’endommagement lors de la déformation à chaud. nous avons alors déterminé les conditions de forgeage les plus adaptées selon les nuances.finalement, à travers un travail de modélisation analytique et de simulation numérique par méthode d’homogénéisation, nous avons déterminé les grandeurs mécaniques (module de young et limite d’élasticité) et prévu la loi de comportement des cmm en traction.

Due to their specific geometry, made of overlapping layers of unidirectional plies of continuous fibres, linked by more or less complex stitching, non-crimp fabric (NCF) reinforcements have advantageous combination of properties. These properties enable the use of process in production such as RTM process and allow the full use of stiffness characteristics of the fibres in the final part. Thus, these reinforcements find applications in different areas of composites industry. The plies of juxtaposed parallel fibres are bound by a tricot or a chain stitching with a lead. This link leads to different properties of the NCF compared to those of a woven reinforcement where the warp and weft yarns are linked by the interweaving. Therefore, deformation kinematics of dry NCF reinforcements might be different. In this research work, we first carry out an experimental study on deformation mechanisms occurring during elementary tests and a drawing experiment. Several non-crimp fabrics and an interlock fabric are studied. Then, we introduce a new model for the simulation of the dry composite reinforcement preforming. This approach involves a semi discrete Lagrangian finite element to represent the plies and a truss element to represent the stitching. This model requires a specific contact algorithm to handle the relation between the finite elements. A Coulomb law with a friction threshold is used. Finally, the model is validated using the bias extension test and the preforming on a hemisphere is simulated and compared to the experiment., Grâce à leur géométrie spécifique, faite d’une superposition de couches unidirectionnelles de fibres continues, liées par des coutures plus ou moins complexes, les renforts NCF (Non-Crimp Fabric) possèdent une combinaison de propriétés intéressantes. Ces propriétés permettent l'utilisation de procédés de production tels que le procédé RTM (Resin Transfer Moulding) et permettent l’utilisation des caractéristiques de rigidité élevée des fibres dans la pièce finale. Ainsi, ces renforts trouvent des applications dans différents secteurs de l'industrie des composites et notamment en aéronautique. Les couches, formées de fibres parallèles juxtaposées, sont liées par différents types de coutures. Ce lien conduit à des propriétés différentes de celles observées sur un renfort tissé où les mèches de chaîne et de trame sont liées par entrelacement. Par conséquent, la cinématique de déformation des renforts NCF secs lors de la mise en forme peut être différente. Dans ce travail de recherche, nous menons d'abord une étude expérimentale sur les mécanismes de déformation se produisant lors de tests élémentaires et lors d’une expérience d’emboutissage. Plusieurs renforts NCF et un renfort interlock sont étudiés. Ensuite, nous introduisons un nouveau modèle pour la simulation de la mise en forme du renfort de composite NCF sec. Cette approche implique l’utilisation d’éléments finis lagrangien semi-discrets pour représenter les couches et d’éléments de barres pour représenter les coutures. Ce modèle nécessite un algorithme de contact spécifique pour gérer la relation entre les éléments finis. Une loi de frottement de Coulomb avec seuil de glissement est utilisée. Enfin, le modèle est validé par l’intermédiaire de l’essai de bias test puis la mise en forme sur un hémisphère est simulée et comparée à l'expérience.

Co-encadrement de la thèse : Yazid Madi; The purpose of this thesis consists in understanding the influence of microstructure on plastic anisotropy and fracture toughness for two grade 2198 Al-Cu-Li alloys. The sheet thicknesses are 2~mm and 6~mm. Two heat treatment conditions (T351 and T851) were studied for each grade. Multiscale characterization techniques including optical micrography, transmission electron microscopy and X-ray computed tomography have been used to identify materials microstructure and damage micro-mechanisms. Plastic anisotropy and thickness effect on plasticity have been investigated via tensile tests on smooth flat and notched flat specimens showing an anisotropic plastic behaviour along different loading directions. Ductile tearing behaviour was examined using small sized Kahn specimens and large panels M(T) tests. Fracture toughness anisotropy was investigated on different loading configuration tests. Fractography via scanning electron microscopy (SEM) and synchrotron radiation computed tomography (SRCT) have clarified the intergranular and transgranular mechanisms of fracture with respect to grain structure and heat treatment. Void growth is limited in the crack propagation regions. Finally, the finite element simulation of ductile tearing is based on the local approach to fracture using cohesive zone model (CZM). The cohesive parameters were adjusted on small sized Kahn specimens. Fitted parameters were employed to predict the ductile tearing behaviour of M(T) tests. Simulation results show that the fitted cohesive parameters are more sensitive for M(T) tests than for Kahn tests. The thickness effect was assessed using node release technique by analysing variation of stress and strain along thickness direction.; L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension de l'influence de la microstructure sur l'anisotropie plastique et la ténacité de deux nuances d'alliage Al-Cu-Li 2198 sous forme de tôle. L'épaisseur de tôles est 2 mm et 6 mm. Deux traitements thermiques (T351 et T851) ont été étudiés pour chaque nuance. Différentes techniques de caractérisation multi-échelles telles que la microscopie optique, la microscopie électronique en transmission ou encore la tomographie à rayons X ont été utilisées pour identifier les microstructures des matériaux et les micro-mécanismes d'endommagement. L'anisotropie plastique et l'effet d'épaisseur sur la plasticité ont été étudiés via des essais de traction sur les éprouvettes lisses et entaillées selon différentes directions. Les résultats montrent que le comportement plastique est anisotrope dans le plan de tôle. Le comportement en déchirure ductile a été examiné en utilisant des éprouvettes de petite taille de type Kahn ainsi que des plaques larges de type M(T). L'anisotropie de ténacité a été étudiée sur les éprouvettes chargées selon différentes configurations. La fractographie par microscope électronique à balayage (MEB) et la tomographie synchrotron aux rayons X ont clarifié le rôle des structures granulaires et des traitements thermiques sur les mécanismes de la rupture inter-granulaire et trans-granulaire. La croissance de cavités reste limitée dans la zone de propagation de fissure. En fin, la simulation de la déchirure ductile par élément finis est basée sur l'approche locale de la rupture en utilisant un modèle de zone cohésive (CZM). Les paramètres cohésifs ont été ajustés sur les éprouvettes Kahn. Les paramètres identifiés ont été employés pour prédire la déchirure ductile des essais M(T). Les résultats montrent que la simulation des essais M(T) est plus sensible aux valeurs des paramètres ajustés que la simulation des essais Kahn. L'effet d'épaisseur a été évalué à l'aide de la technique de relâchement des nœuds en analysant la variation de la contrainte et de la déformation dans la direction de l'épaisseur.

Co-encadrement de la thèse : Yazid Madi; The purpose of this thesis consists in understanding the influence of microstructure on plastic anisotropy and fracture toughness for two grade 2198 Al-Cu-Li alloys. The sheet thicknesses are 2~mm and 6~mm. Two heat treatment conditions (T351 and T851) were studied for each grade. Multiscale characterization techniques including optical micrography, transmission electron microscopy and X-ray computed tomography have been used to identify materials microstructure and damage micro-mechanisms. Plastic anisotropy and thickness effect on plasticity have been investigated via tensile tests on smooth flat and notched flat specimens showing an anisotropic plastic behaviour along different loading directions. Ductile tearing behaviour was examined using small sized Kahn specimens and large panels M(T) tests. Fracture toughness anisotropy was investigated on different loading configuration tests. Fractography via scanning electron microscopy (SEM) and synchrotron radiation computed tomography (SRCT) have clarified the intergranular and transgranular mechanisms of fracture with respect to grain structure and heat treatment. Void growth is limited in the crack propagation regions. Finally, the finite element simulation of ductile tearing is based on the local approach to fracture using cohesive zone model (CZM). The cohesive parameters were adjusted on small sized Kahn specimens. Fitted parameters were employed to predict the ductile tearing behaviour of M(T) tests. Simulation results show that the fitted cohesive parameters are more sensitive for M(T) tests than for Kahn tests. The thickness effect was assessed using node release technique by analysing variation of stress and strain along thickness direction.; L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension de l'influence de la microstructure sur l'anisotropie plastique et la ténacité de deux nuances d'alliage Al-Cu-Li 2198 sous forme de tôle. L'épaisseur de tôles est 2 mm et 6 mm. Deux traitements thermiques (T351 et T851) ont été étudiés pour chaque nuance. Différentes techniques de caractérisation multi-échelles telles que la microscopie optique, la microscopie électronique en transmission ou encore la tomographie à rayons X ont été utilisées pour identifier les microstructures des matériaux et les micro-mécanismes d'endommagement. L'anisotropie plastique et l'effet d'épaisseur sur la plasticité ont été étudiés via des essais de traction sur les éprouvettes lisses et entaillées selon différentes directions. Les résultats montrent que le comportement plastique est anisotrope dans le plan de tôle. Le comportement en déchirure ductile a été examiné en utilisant des éprouvettes de petite taille de type Kahn ainsi que des plaques larges de type M(T). L'anisotropie de ténacité a été étudiée sur les éprouvettes chargées selon différentes configurations. La fractographie par microscope électronique à balayage (MEB) et la tomographie synchrotron aux rayons X ont clarifié le rôle des structures granulaires et des traitements thermiques sur les mécanismes de la rupture inter-granulaire et trans-granulaire. La croissance de cavités reste limitée dans la zone de propagation de fissure. En fin, la simulation de la déchirure ductile par élément finis est basée sur l'approche locale de la rupture en utilisant un modèle de zone cohésive (CZM). Les paramètres cohésifs ont été ajustés sur les éprouvettes Kahn. Les paramètres identifiés ont été employés pour prédire la déchirure ductile des essais M(T). Les résultats montrent que la simulation des essais M(T) est plus sensible aux valeurs des paramètres ajustés que la simulation des essais Kahn. L'effet d'épaisseur a été évalué à l'aide de la technique de relâchement des nœuds en analysant la variation de la contrainte et de la déformation dans la direction de l'épaisseur.

This thesis focuses on the current measurement from magnetic field measurement without using magnetic concentrator. A new current system ensuring good magnetic perturbation rejection has been realized. It consists to disposes one differential magnetic fluxgate sensor upon sections of U-shaped conductor. This conductor was crossed by the current to be measured. Using this system, we are reduced many problems of magnetic and mechanical misalignments acquired when using two magnetic sensors. Besides, using a single magnetic core permits to overcome the disparity between two magnetic sensors. This system has been studied theoretically and validated experimentally. The impacts of various factors of achievement have been studied by using analytical calculations, elements finite simulations and measurements. The integration of this current system permits the dissemination of current sensor., Les travaux décrits dans cette thèse portent sur la mesure de courant à partir de mesure de champ magnétique sans canalisation de flux. Une nouvelle structure de capteur de courant basée sur une mesure différentielle du champ magnétique a été réalisée. Elle consiste à disposer un seul capteur magnétique différentiel linéaire du type fluxgate au-dessus des sections d'un conducteur en forme U traversé par le courant à mesurer. Utilisant cette structure, nous avons pu améliorer la précision et assurer une bonne réjection des perturbations magnétiques extérieures. Cette structure a été étudiée théoriquement et validée expérimentalement. Les impacts de divers facteurs de réalisation ont été étudiés à l'aide de calculs analytiques, des simulations par éléments finis et des mesures. L'intégration de cette nouvelle structure faciliterait la dissémination de capteurs de courant.

In the objective to extend the variety of the integrated components inside a System in Packahe (SiP), it is necessary to develop the integration of heterogeneous component. This study presents a flip-chip solution with an adhesive bonding. The use of such materials involves some problems of thermo-mechanical reliability. With virtual prototyping, it is possible to evaluate the strains and to understand the behaviour of the structure. These allow us to know the origin of the failure and to optimize its design before the fabrication. The feasability of the technique is demonstrated with a surface acoustic waves filter (SAW). We study three different types of polymer (BCB, SU-8 and TMMF) for the sealing and for the protection of the active area of the filter. Different tests : mechanical, electrical and reliability validate our solution. We have made a complete SiP composed by a silicon tuner and a SAW filter inside a single package for a television on mobile application; Afin d'étendre la diversité des composants intégrables dans un System in Package (SiP), il apparaît nécessaire de développer l'intégration de composants hétérogènes. Cette étude présente une solution par report avec un scellement en polymère. L'utilisation de ces matériaux entraîne des problèmes de fiabilité thermomécanique. Grâce à un prototype virtuel, il est possible d'évaluer les sollicitations et de comprendre ce comportement de la structure. Cela permet de mieux appréhender les mécanismes de défaillance et d'optimiser la structure avant sa fabrication. Pour démontrer la faisabilité, nous avons utilisé des filtres à ondes acoustiques de surfaces (SAW filters). Nous avons étudié trois types de polymères (BCB, SU8 et TMMF) pour réaliser le scellement et protéger le filtre. Différents tests mécaniques, électriques et de fiabilité ont permis de valider cette solution. Nous avons réalisé un SiP comprenant un tuner et un filtre SAW dans un même boîtier pour de la télévision sur mobile

International audience; The dynamic behaviour of metals involves temperature and strain rate effects. In this contribution, two approaches are presented. The first one is based on mechanical considerations whereas the second one is derived in the classical thermodynamical framework. They both attempt to describe the viscoplastic and damage behaviour of an industrial copper alloy during thin sheet blanking. The numerical results are compared with experimental results. Results from a parametric studies are presented.; Le comportement mécanique sous sollicitation dynamique des matériaux est sensible à un certain nombre de paramètres comme la température et la vitesse de déformation. Dans notre étude, deux approches sont suivies afin d'appréhender le comportement et la rupture d'un alliage de cuivre au cours d'une opération de découpe: une approche mécanistique et une approche phénoménologique. Les résultats obtenus par simulations numériques sont comparés avec des résultats expérimentaux. Une étude de l'influence des paramètres procédés est présentée.

L'objectif de ce travail est la simulation par éléments finis de la déchirure ductile des tôles minces en alliage d'aluminium 2024. La méthode est basée sur l'approche locale de la rupture. Les observations métallographiques indiquent deux mécanismes de rupture. Si la pression hydrostatique est élevée, la rupture intervient par striction interne. Dans le cas contraire, la rupture intervient par localisation de la déformation en bande à 45 degrés. Dans les éprouvettes de fissuration Kahn et M(T), les mécanismes de rupture sont identiques. Les simulations sont basées sur une extension du modèle de Rousselier incluant une représentation de l'anisotropie plastique et de la germination de porosités.Un nouveau critère de plasticité anisotrope est spécifiquement développé. Il s'agit d'une extension du critère de Karafillis et Boyce (1993). Le modèle est appliqué à deux nuances dont la teneur en particules intermétalliques est différente. Les paramètres sont ajustés sur de petites éprouvettes pour le matériau à haute pureté. La transférabilité est vérifiée sur les grands panneaux M(T). Le transfert vers le matériau ayant la plus forte teneur en particules intermétalliques est fait en modifiant la taille de maille dans le même rapport que l'espacement inter-particules. Le modèle est utilisé comme un outil numérique afin d'étudier les effets de la loi d'écrouissage, d'une pré-traction ou de l'anisotropie plastique sur la résistance à la propagation de fissure. Il est alors possible de proposer des voies d'amélioration du matériau.

The innovations in the electrical devices technology bring a new constraint for the function of Electrical Engineering CAD System. It must support the integrated analysis of the performances of electrical devices. This requirement is necessary in term of modeling, and also results a complexity in term of utilization by the user. Hence, the techniques of human-machine interaction, which had been considered as the secondary interest during the implementation of CAD System in Electrical Engineering, becomes as important as the model developed. The method of exploring and the human-machine interface, which are two belongings of the techniques of human-machine interaction, should be natural and easily compréhensible in order to hold up the usefulness of the CAD System. For that, the approach of experiment techniques in the electrical devices laboratory has been adopted as the method of exploring, while developing an interactive System that représenta a model of the electrical devices laboratory. Then, the contribution of the Virtual Reality technology has been taken into account for providing the intuitive interaction and the natural visualization of the performances of electrical devices., La course à l'innovation dans la technologie des dispositifs électriques, induit de nouvelles contraintes sur les fonctionnalités des systèmes de CAO en Génie Electrique. Ils doivent permettre l'analyse fine des comportements multiphysiques des dispositifs électriques. Cette puissance, nécessaire en terme de modélisation, se traduit aussi par une complexité en terme de maîtrise par l'utilisateur. Par conséquent, les techniques d'interaction homme - machine, qui avaient été longtemps considérées comme d'intérêt secondaire dans le domaine de Pélectrotechnique, deviennent aussi importantes que les modèles physiques. L'objectif de notre travail est de développer des méthodes d'exploration et d'Interface homme - machine, naturelles et faciles à comprendre, afin de facilité l'utilisation des logiciels de simulation en électrotechnique. Pour arriver à cet objectif, nous nous sommes inspirés des activités intervenant dans un laboratoire d'expérimentation en électrotechnique. Dans un premier temps, nous avons modélisé un vrai laboratoire en dégageant les rôles du dispositif électrique à étudier, des manipulations à mettre en places, des protocoles d'expérimentation, .... Après cela, nous avons développé un système interactif, le Laboratoire Virtuel d'Expérimentation en Électrotechnique (LVEE), bâti sur le modèle d'un laboratoire réel, et dans lequel le fonctionnement du dispositif électrique est obtenu à l'aide des logiciels de simulation. La contribution de la technologie de Réalité Virtuelle a été prise en considération pour fournir l'interaction intuitive et la visualisation naturelle des comportements physiques des dispositifs électriques.

Soil is a particulate material that may undergo irreversible strain as the relative positions of the constituent particles change. That irreversible behaviour may be induced not only by an external stress variation but also by temperature or suction changes. The geomaterials that will be involved in the confinement of radioactive waste in deep geological formations will be submitted to strong thermal, hydraulic, and mechanical modifications. Those modifications may produce a significant change of the characteristics of the confinement barrier. A safety assessment of such facilities must be performed that considers the potential thermo-plasticity effects in the confining soil. Following the need for understanding and quantifying such effects, a constitutive model that deals with the thermo-mechanical modelling of unsaturated soils is proposed. In light of elasto-plasticity, this model is based on the relevant temperature and suction effects on the mechanical behaviour of fine-grained soils, as observed in experiments. In addition, an experimental program has been undertaken in order to corroborate and to extend the existing results. Finally, the developed constitutive model has been properly implemented in a finite element code in order to study the behaviour of the soils that confine the nuclear waste. Therefore, this work addresses the issue from three different directions: a constitutive, experimental, and numerical point of view. (i) Constitutive study. The elaboration of a thermo-plastic constitutive model for unsaturated soils is done in a systematic manner. Starting from a hardening plasticity model for isothermal and saturated conditions, the constitutive relations are progressively extended to non-isothermal conditions and then to unsaturated states. For the more advanced model, a generalized effective stress framework is adopted, which includes a number of intrinsic thermo-hydro-mechanical connections, to represent the stress state in the soil. Two coupled constitutive aspects are used to fully describe the soil behaviour. The mechanical constitutive part is built on concepts of bounding surface theory and multi-mechanism plasticity, while water retention characteristics are described using elasto-plasticity to reproduce the hysteretic response and the effect of temperature and dry density on the soil's water retention properties. The theoretical formulation is supported by comparisons with experimental results. (ii) Experimental study. Aiming at a better understanding of the non-isothermal mechanical behaviour of unsaturated soils, a series of oedometric compression tests under controlled temperatures and suction conditions has been carried out on a silty material. The characteristics and the calibrations of the experimental apparatus are presented. The main results are interpreted in light of the proposed constitutive framework. The compressibility of the soil tested appears not to be affected by the temperature, but it decreases with a suction increase. As far as the preconsolidation stress is concerned, the results show a decrease of the yield limit with increasing temperature, while a suction increase tends to enhance this limit. Finally, an analytical expression is proposed to describe the evolution of the preconsolidation stress with respect to temperature and suction. (iii) Numerical study. In the issue of nuclear waste disposal, the quantification of the temporal and spatial distributions of the thermo-hydro-mechanical phenomena that occur in the confining soils requires that numerical simulations be carried out under imposed boundary conditions. To this end, the last part of this work presents finite element modelling results of several in-situ or laboratory simulation tests through using the developed constitutive model that was implemented in an advanced finite element code. The parameters of the different materials involved in the simulated experiments are determined by means of an extensive literature analysis on their thermal, hydraulic, and mechanical characteristics. The simulation results are interpreted in light of the elasto-thermoplasticity of saturated and unsaturated soils, which emphasizes the significant role of thermo-plastic processes in the global thermo-hydromechanical response of the confining materials. In that sense, this work supplies, in a systematic and progressive manner, constitutive explanations that may help to provide a better understanding of what the effects of thermo-plasticity in soils involved in the confinement of nuclear waste are.