Les matériaux composites à matrice organique et à fibres longues occupent une place grandissante dans des applications structurales, notamment dans les domaines de l'aéronautique et du spatial. Ces matériaux présentent en effet un ensemble d'atouts tels qu'une bonne résistance à la corrosion, une faible masse volumique et de bonnes propriétés mécaniques. Néanmoins, certaines propriétés restent à améliorer comme la résistance au délaminage, notamment critique pour des sollicitations d'impact. Le travail de thèse est réalisé dans le cadre du projet collaboratif FUI ATIHS (Amélioration de la Tenue des structures satellites aux Impacts Hypervitesse de débris Spatiaux). Il porte sur l'incorporation de tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés, ou tapis de VACNTs (Vertically Aligned Carbon Nanotubes) dans un composite à matrice organique à fibres longues de carbone dans l'objectif de développer un nouveau matériau composite aux propriétés mécaniques améliorées pour des sollicitations statiques et à l'impact. Une première partie du travail de thèse est consacrée au développement et à la mise en œuvre du procédé d'élaboration d'un nouveau matériau composite stratifié en plaçant des tapis de nanotubes aux interplis. Il s'agit en premier lieu de maîtriser le transfert des tapis de VACNTs sur un pré-imprégné M55J-M18, par montée capillaire partielle de la résine puis séparation du substrat de croissance des VACNTs. Dans un deuxième temps, il s'agit de consolider le composite stratifié en conservant la morphologie initiale des VACNTs et en évitant la formation de porosité. Par des observations de l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique, le travail a permis une identification de paramètres procédé répondant à ces objectifs et une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu. Après une étape de mise au point réalisée à petite échelle, le procédé d'élaboration du nouveau composite a été validé à une échelle permettant d'envisager des applications structurales. Une deuxième partie du travail concerne l'étude du comportement mécanique du nouveau matériau composite sous différents types d'essais statiques, notamment ceux sollicitant les interfaces. La démarche est basée sur une comparaison avec le matériau de référence non renforcé. Elle couple des analyses des résultats d'essais mécaniques et d'observations microstructurales à différentes échelles. Elle permet à nouveau une meilleure compréhension des mécanismes d'endommagement. Des déplacements des zones d'endommagement ont été constatés du fait de l'introduction des VACNTs aux interplis, ce qui permet de dégager des perspectives pour la poursuite du développement de composites renforcés de nanotubes de carbone.

Les tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés sont des candidats potentiels pour des applications telles que les interconnexions ou les matériaux d'interface thermique. Ce travail de recherche porte sur la synthèse de tapis de nanotubes de carbone alignés selon le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) d'aérosols liquides, sur l'élaboration de nanocomposites constitués de différentes nuances de matrices époxy infiltrées au sein de ces tapis, ainsi que sur l'étude des propriétés mécaniques et thermiques longitudinales et transverses des tapis secs eux-mêmes et des nanocomposites 1D formés. Les conditions de synthèse permettent notamment de faire varier les caractéristiques des tapis telles que leur épaisseur, leur masse volumique, le diamètre externe moyen des nanotubes de carbone (NTC), l'espace intertube et la teneur volumique en NTC, alors que leur structure cristalline peut être modifiée par le biais d'un traitement thermique à haute température. L'objectif principal de ce travail consiste à démontrer et quantifier l'effet de certaines caractéristiques des tapis de nanotubes de carbone sur les propriétés mécaniques et thermiques des différents types de tapis et matériaux composites obtenus. Les deux méthodes d'imprégnation mises en oeuvre, voie liquide et infusion, conduisent à des tapis de NTC alignés denses avec un alignement des NTC conservé et une répartition homogène des NTC au sein du système époxy. La fraction volumique en NTC s'avère être le paramètre-clé permettant d'exacerber, dans la direction longitudinale aux NTC, les propriétés mécaniques et thermiques des nanocomposites. Par ailleurs, les tapis de NTC et les nanocomposites voient leurs propriétés de conduction thermique longitudinale nettement exacerbées lorsque les NTC présentent une amélioration de leur structure cristalline. L'augmentation significative des performances apportées par les tapis de NTC verticalement alignés au sein de ces matériaux nanocomposites anisotropes par rapport aux matrices organiques non chargées est prometteuse et ouvre des pistes de réflexion visant à répondre aux nouvelles exigences de multifonctionnalité des secteurs de l'aéronautique et de l'aérospatial.

L’utilisation des composites à matrice organique pour des applications structurales à haute température est de plus en plus souvent envisagée, notamment dans certaines zones de turbomachines aéronautiques. A cette fin, il devient nécessaire d’analyser les effets du vieillissement thermo-oxydant sur le comportement mécanique d’un polymère et des composites associés. Cet ouvrage met en relief des méthodologies expérimentales originales qui permettent, par analyse inverse, de développer et d’identifier une loi de comportement du polymère dépendant du vieillissement ainsi que les déformations d’origine chimique. Ces informations sont utilisées pour le calcul des contraintes internes induites par un vieillissement thermo-oxydant dans des composites unidirectionnels à fibres continues de carbone. Comportement mécanique des composites à matrice organique se différencie des autres ouvrages par son approche. Il examine des lois de comportement thermomécaniques locales dépendant de l’oxydation grâce à l’emploi d’essais couplés et non couplés à l’échelle microscopique. Il présente des modèles originaux afin d'intégrer toute la richesse de la phénoménologie observée expérimentalement, grâce à l'emploi de variables internes correctement choisies.

Over much of the last three decades, the evolution of techniques for characterizing composite materials has struggled to keep up with the advances of composite materials themselves and their broadening areas of application. In recent years, however, much work has been done to consolidate test methods and better understand those being used. Finally,

Les fibres à base de nanotubes de carbone (NTC), de par leurs propriétés électriques et mécaniques, sont des candidates potentielles pour des applications telles que les textiles fonctionnels ou les câbles conducteurs. A ce jour, deux familles de fibres, préparées selon des voies différentes, coexistent : les fibres contenant seulement des NTC et les fibres composites polymère/NTC. Les caractéristiques des NTC et les voies de mise en forme sont des facteurs reconnus pour impacter les propriétés électriques et mécaniques des fibres. Toutefois, compte tenu de la variabilité des sources de NTC et des conditions d'élaboration, il est difficile de dégager des relations entre caractéristiques des fibres et propriétés. C'est dans ce contexte que se situent ces travaux, avec comme objectifs la préparation de fibres à partir de NTC verticalement alignés selon deux voies d'élaboration et l'étude de leurs propriétés en fonction des caractéristiques des NTC. Une première partie de l'étude s'est focalisée sur la faisabilité de filage (voie sèche) à partir de tapis de NTC synthétisés par CCVD d'aérosol afin d'obtenir des fibres composée seulement de NTC. Même si l'ensemble des essais n'a pas abouti à un filage continu, ils ont permis de mettre en évidence un lien entre la faible tortuosité des NTC au sein du tapis et la capacité de ce dernier à former un réseau cotonneux qui semble être nécessaire à l'obtention d'une fibre. La seconde partie concerne l'étude de l'effet des caractéristiques des NTC (longueur, diamètre et structure) sur les propriétés électriques et mécaniques de fibres composites NTC/alcool polyvinylique (PVA) obtenues par voie humide à partir de suspensions de NTC. Or, la préparation de ces dernières engendre une rupture des NTC dont la longueur en suspension est limitée au micromètre. Un nouveau procédé de dispersion basé sur l'utilisation de cycles de gel/dégel a été développé, permettant d'aboutir à des longueurs de NTC en suspension de l'ordre de 4 à 6 μm. Ainsi, des suspensions concentrées en NTC de longueur, structure et diamètre différents ont été obtenues et ont permis d'élaborer avec succès des fibres composites. Les propriétés mécaniques des fibres brutes sont essentiellement modifiées par la longueur des NTC qui conduit à une amélioration du module de Young et de la contrainte à la rupture. Les propriétés électriques dépendent de la concentration en NTC dans la fibre et de la structure des NTC. Après traitement des fibres à 200 °C, l'augmentation de la longueur des NTC entraine une amélioration de la conductivité électrique. Par conséquent, l'utilisation de NTC longs dans des fibres composites s'avère bénéfique en termes d'augmentation des performances.

Mechanical engineering, an engineering discipline borne of the needs of the in dustrial revolution, is once again asked to do its substantial share in the call for industrial renewal. The general call is urgent as we face profound issues of produc tivity and competitiveness that require engineering solutions, among others. The Mechanical Engineering Series features graduate texts and research monographs intended to address the need for information in contemporary areas of mechanical engineering. The series is conceived as a comprehensive one that covers a broad range of concentrations important to mechanical engineering graduate education and re search. We are fortunate to have a distinguished roster of consulting editors on the advisory board, each an expert in one of the areas of concentration. The names of the consulting editors are listed on the next page of this volume. The areas of concentration are applied mechanics, biomechanics, computational mechan ics, dynamic systems and control, energetics, mechanics of materials, processing, thermal science, and tribology.

LA PRESENTE ETUDE S'INSCRIT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DE LA DURABILITE DE SYSTEMES COMPOSITES A MATRICE POLYMERIQUE SOUS L'EFFET D'ENVIRONNEMENT HYGROTHERMIQUE. SON OBJECTIF EST D'APPORTER UNE CONTRIBUTION A LA COMPREHENSION ET A LA PREVISION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES EN FONCTION DU VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE DE L'ABSORPTION D'EAU PAR LES MATERIAUX COMPOSITES. ELLE DEBUTE PAR UNE MISE EN EVIDENCE DU PROCESSUS D'ABSORPTION D'EAU PAR DES MESURES REALISEES SUR UNE LONGUE DUREE. UNE DISCUSSION SUR LES MECANISMES DE L'ABSORPTION EST MENEE AFIN DE MIEUX COMPRENDRE LA VARIATION PHYSICO-CHIMIQUE ET LA DEGRADATION MECANIQUE DES MATERIAUX. UNE ANALYSE STATISTIQUE EST EFFECTUEE SUR LES MESURES EXPERIMENTALES. ELLE CONDUIT A UNE PROPOSITION D'UN MODELE DE FICK MODIFIE EN INTEGRANT CERTAINS PARAMETRES STATISTIQUES PERMETTANT DE DECRIRE LES PROCESSUS D'ABSORPTION. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A LA MODELISATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES VIEILLIS SOUS ENVIRONNEMENT HYGROTHERMIQUE. UNE APPROCHE EXPERIMENTALE EST D'ABORD UTILISEE, A PARTIR D'ESSAIS MECANIQUES, POUR OBTENIR LES CARACTERISTIQUES ELASTIQUES, LES CONTRAINTES ULTIMES ET LA TENACITE DE DIFFERENTS COMPOSITES NON VIEILLIS ET VIEILLIS, DONEES NECESSAIRES POUR DECRIRE LA DEGRADATION DES MATERIAUX. ENSUITE, APRES AVOIR IDENTIFIE LE PARAMETRE HYGROTHERMIQUE DOMINANT DANS LA VARIATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE - CONTENU DE L'EAU ABSORBEE M, NOUS AVONS ETABLI LES RELATIONS EMPIRIQUES ENTRE CE DERNIER ET LES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES STRATIFIES ETUDIES. EN CONCLUSION, UNE APPROCHE ANALYTIQUE PERMET DE PREVOIR LA DEGRADATION D'UN STRATIFIE MULTIDIRECTIONNEL A PARTIR DES CARACTERISTIQUES DES PLIS ELEMENTAIRES, CETTE PREVISION AYANT ETE VERIFIEE PAR DES RESULTATS EXPERIMENTAUX.