Boîte à outils de conception pour les systèmes électroniques de puissance à base de circuits imprimés (PCB)

Doctorant : Bahaeddine BEN HAMED

Laboratoire INSA : Laboratoire Ampère

École doctorale : ED n°160 EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon

Les convertisseurs de puissance sont des systèmes complexes faisant intervenir des phénomènes multiphysiques couplés : comportement électromagnétique, effets thermiques et interactions matériaux. Leur conception est rendue difficile par la diversité des composants, matériaux, niveaux de tension et stratégies de refroidissement utilisés. À cela s'ajoutent des exigences croissantes en matière de performance, de miniaturisation et de fiabilité. Les outils actuels de CAO électronique (ECAD) et de simulation ont beaucoup évolué. Ils sont plus précis, conviviaux et capables de modéliser des comportements détaillés. Toutefois, le processus de conception reste morcelé. Différents outils spécialisés sont utilisés à chaque étape, nécessitant des expertises variées, une gestion complexe des données, et impliquant des problèmes d'interopérabilité entre formats propriétaires. Ce cloisonnement ralentit le développement, notamment lors des itérations entre les aspects électriques, thermiques et mécaniques. Le prototypage physique représente également un frein, en particulier pour les technologies avancées comme les PCB embarqués. Les délais de fabrication peuvent atteindre plusieurs mois, avec des coûts élevés. Le prototypage virtuel apparaît ainsi comme une alternative prometteuse, mais encore peu développée dans le domaine de l'électronique de puissance. Cette thèse propose un outil de conception permettant de générer automatiquement des prototypes virtuels de cartes électroniques de convertisseurs. L'objectif est de produire des modèles de simulation électro­ thermiques fiables à partir du layout PCB, en réduisant le recours au prototypage physique. L'outil développé intègre plusieurs étapes: extraction du layout, simplification géométrique, modélisation électromagnétique, simulation thermique par éléments finis et génération de schéma électronique pour la simulation de circuits. Les validations expérimentales menées sur des cartes simples et complexes ont confirmé la pertinence des modèles générés. L'outil permet de simuler des paramètres difficiles à mesurer comme la température de jonction ou les formes d'onde de commutation. Les résultats ont été comparés à des mesures sur prototypes réels, renforçant la crédibilité de l'approche. L'analyse des performances montre que la simulation thermique est l'étape la plus coûteuse en temps (jusqu'à 95% du calcul total), mais reste négligeable face aux délais de fabrication. La capacité à explorer des variantes avant fabrication, et à accéder à des variables internes, montre la valeur pratique du prototypage virtuel. Des limites subsistent: dépendance à des logiciels propriétaires, problèmes de maillage, génération de "netlists" partiellement automatisée, et absence de prise en compte automatique des conditions environnementales. Des pistes d'amélioration incluent l'adoption de standards ouverts (IPC-2581) et l'intégration d'outils open-source. En conclusion, cette thèse démontre le potentiel du prototypage virtuel automatisé basé sur le layout dans le domaine de l'électronique de puissance embarquée. L'outil développé constitue une preuve de concept solide pour une approche unifiée, plus rapide et plus fiable du processus de conception.

Caractérisation du comportement à l'interface fibre-matrice des composites fibre de carbone/PEEK

Doctorante : Milena TOSTI UMEMURA

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

La qualité de l'interface fibre-matrice est cruciale pour la détermination des propriétés finales des composites renforcés par des fibres, car elle influence l'efficacité du transfert de contraintes entre la fibre et la matrice, affectant ainsi significativement le comportement mécanique du composite. Dans cette étude, les interfaces entre 4 nuances de fibres de carbone et une matrice thermoplastique de polyétheréthercétone (PEEK) sont étudiées à partir d'une approche multi-échelle, visant à caractériser le comportement des interfaces sous différents modes de sollicitation. En particulier, l'influence de la rugosité et de la composition chimique de la surface des fibres de carbone sur les propriétés interfaciales d'un composite modèle comportant une seule fibre dans la matrice a été étudiée. Dans un premier temps, une étude macroscopique de la fragmentation des fibres sous charge longitudinale, suivie par émission acoustique, a permis de caractériser les propriétés interfaciales en cisaillement par une analyse statistique. La fragmentation des fibres a été utilisée pour estimer les propriétés mécaniques des fibres de carbone. Une analyse complémentaire in situ par microtomographie synchrotron à rayons X a permis une observation détaillée des mécanismes de fragmentation, révélant un retrait en longueur des fragments, même après saturation de la fragmentation. Une analyse micromécanique innovante a été proposée à partir de ce retrait pour estimer la résistance interfaciale au cisaillement (IFSS), permettant d'estimer l'évolution décroissante de l'IFSS pendant l'essai de fragmentation. Les propriétés interfaciales sous chargement transversal ont également été caractérisées par des essais de traction in situ par microtomographie synchrotron à rayons X, révélant une relation entre la propagation de l'endommagement dans la direction axiale de la fibre et la qualité de l'interface. Les caractéristiques interfaciales déterminent aussi la présence d'amorces de fissures au niveau de l'interface, leur ouverture au niveau de la décohésion à l'interface, et leur propagation éventuelle dans la matrice. Une observation précise de l'initiation de l'endommagement interfacial a été obtenue par microscopie électronique à balayage lors d'essais de traction transversale in situ sur des échantillons composites modèles. Ils ont permis de montrer les effets induits par la qualité de l'interface sur les mécanismes d'endommagement au voisinage immédiat de la fibre. Ces résultats démontrent ainsi que la chimie de surface des fibres de carbone a une forte influence sur le cisaillement et l'ouverture à l'interface fibre-matrice, comparée à avec la rugosité de la surface de la fibre. Cependant, cette rugosité a un impact significatif sur la propagation de l'endommagement dans la direction longitudinale des fibres. De plus, une fois la fibre et la matrice complètement décollées, une rugosité plus élevée implique également une érosion plus importante de la surface du polymère en contact avec la fibre, ce qui entraîne une diminution plus rapide des valeurs de l'IFSS d'une part, et d'autre part une plus grande tendance à la formation de fissures qui se propageront dans la matrice.

 

Synthèse et étude de composés et polymères aromatiques et hétérocycliques luminescents

Doctorant : N'gandi N'GAZA

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Cette thèse porte sur la synthèse, la caractérisation des propriétés physicochimiques et photophysiques des bispyrazolopyridines (BPPs), ainsi que sur leur incorporation dans des polymères de type polyaryléther (PAE) en vue d'applications dans les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs). Une réaction de type Hantzsch catalysée par le cuivre a été développée pour produire efficacement divers BPPs portant des groupes donneurs, attracteurs d'électrons ou encombrants. Ces BPPs ont été caractérisés par spectroscopie RMN, diffraction des rayons X (DRX) et analyses thermiques, révélant des structures variées et une grande stabilité thermique. Certains BPPs contenant des groupes phénoliques ont été modifiés en monomères polymérisables (Mol, Mo2) et intégrés dans des polymères PAE via un procédé de polycondensation en deux étapes. Cette méthode a permis d'incorporer une grande quantité de BPPs tout en contrôlant la structure des polymères. Les polymères obtenus (PAEMol, PAEMo2) présentent une masse molaire élevée et une bonne stabilité thermique. Ces copolymères ont été transformés en films minces par coulage de solution et pressage à chaud. Par ailleurs, un polymère de référence (PAEO) a été dopé avec Mol, Mo2 et un BPP haute performance (CarbBPP). L'analyse photophysique des composés et des polymères organiques a donné des résultats prometteurs. De nombreux BPPs émettent une lumière bleu profond ou bleu pur avec des rendements quantiques de photoluminescence ((!)PL) élevés, en solution comme à l'état solide. Les films de copolymères et les films dopés de PAEO présentent (!)PL élevé et une largeur de bande d'émission (FWHM) étroite, les rendant adaptés aux OLEDs. Des études électrochimiques par voltampérométrie cyclique ont permis d'estimer les niveaux d'énergie HOMO et LUMO. Des calculs théoriques DFT et TD-DFT ont confirmé les résultats expérimentaux et suggèrent un mécanisme d'émission hybride local et de transfert de charge (HLCT) pour Mol, Mo2 et CarbBPP.

Plasticité induite par transformation de phase dans les céramiques de zircone cériées à petites échelles

Doctorant : Marcelo DEMETRIO DE MAGALHÂES

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les céramiques à base de zircone dopée à la cérine (Ce-TZP) présentent des propriétés mécaniques uniques, notamment une transformation martensitique induite par la contrainte de la phase tétragonale vers la phase monoclinique (t-m), qui confère une plasticité induite par transformation (TRIP), une meilleure ténacité et une variabilité des contraintes à la rupture réduite par rapport aux céramiques conventionnelles. De plus, la réversibilité de cette transformation de phase positionnent les Ce-TZP comme des candidats prometteurs pour des applications comme céramiques à mémoire de forme (SMC), analogues à certains alliages métalliques, à condition que la transformation ne provoque pas de dommages microstructuraux significatifs. Ce travail vise à élucider le comportement micromécanique régissant les transformations réversibles t-m dans des micropiliers de Ce-TZP. L'objectif principal était de caractériser comment l'orientation cristallographique, les joints de grains et les défauts microstructuraux influencent l'initiation et la propagation de la transformation martensitique, ainsi que sa réversibilité et les effets de mémoire de forme associés. Pour cela, des micropiliers monocristallins et oligocristallins ont été fabriqués et soumis à des charges mécaniques à l'aide de techniques in situ telles que la microdiffraction Laue et la microscopie électronique à balayage (MEB), incluant la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Des traitements thermiques ont également été appliqués pour étudier la transformation inverse (m-t), permettant l'observation directe de l'effet mémoire de forme et l'évaluation de la déformation résiduelle. Les résultats ont montré que la transformation martensitique dépend fortement de l'orientation, se produisant préférentiellement selon des directions cristallographiques qui maximisent les contraintes de cisaillement. Par ailleurs, les hétérogénéités microstructurales telles que les interfaces et les défauts ont un impact significatif sur l'initiation, la propagation et le comportement mécanique qui en découle. Des cycles mécaniques répétés combinés à des traitements thermiques ont confirmé la réversibilité partielle du changement de forme dû à la transformation, et révélé une diminution progressive de la contrainte critique. Ce comportement a été observé après un cycle initial de transformation t-m suivi d'une transformation inverse m-t. La transformation facilitée pourrait être attribuée aux défauts introduits lors du premier cycle, qui modifient le paysage énergétique. L'absence de récupération complète serait probablement liée à l'activité de dislocations, entraînant une déformation plastique résiduelle après chauffage.

Prédiction de la consommation des chauffe-eau électriques pour la commande prédictive des micro-grids

Doctorant : Ibrahim Ali KACHALLA

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Cette thèse examine de manière critique et développe un nouvel algorithme de prédiction de la consommation d'énergie pour les chauffe-eau électriques domestiques habitations, en se concentrant sur les systèmes qui stockent l'énergie pendant les heures creuses et la fournissent pendant les heures pleines. Un modèle de prévision précis peut améliorer de manière significative la gestion des mini-réseaux d'énergie renouvelable et la programmation de la charge en fonction de la demande d'eau chaude, réduisant ainsi les coûts et les émissions globales de carbone liées à la dépendance du réseau national. Les recherches montrent que la consommation d'eau chaude dans les habitations résidentielles représente 12 % de la consommation totale d'énergie dans les bâtiments. L'intégration d'un modèle de prédiction robuste avec un système de contrôle prédictif de modèle (MPC) peut minimiser le gaspillage d'énergie et permettre une programmation à l'avance pour une gestion optimale du réseau. Cette étude passe d'abord en revue les modèles de prédiction les plus récents et effectue une analyse comparative de la régression statistique, de l'apprentissage automatique basé sur la régression et des techniques avancées d'apprentissage automatique afin d'évaluer leurs forces et leurs faiblesses pour les applications de chaudières électriques à eau chaude en utilisant des données provenant de trois bâtiments comme étude de cas. Trois nouveaux modèles hybrides ont été développés sur la base de cette analyse afin d'obtenir un modèle de prédiction plus robuste pour les chauffe-eau électriques. Le meilleur modèle a été sélectionné sur la base des mesures de performance de la précision et de l'efficacité de calcul. En outre, le modèle hybride a été évalué pour prédire la consommation d'eau chaude en utilisant des données exogènes, notamment l'heure de la journée, le jour de la semaine et l'historique de l'utilisation de l'eau chaude, afin d'évaluer leur impact sur la consommation d'énergie. L'étude met en évidence les points forts et les limites des modèles et suggère des domaines de recherche et d'application pour l'avenir.

Apprentissage fédéré en segmentation en imagerie cérébrale

Doctorant : Matthis MANTHE

Laboratoire INSA : CREATIS - Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'lmage pour la Santé

École doctorale : ED160 EEA - Electronique, Electrotechnique Automatique de Lyon

L'apprentissage profond en analyse d'image médicale peut amener des outils cliniques intéressants, en accélérant les tâches rébarbatives et ouvrant la porte à des propositions de diagnostique automatiques. Ces modèles entraînés en laboratoire montrent souvent une pauvre capacité de généralisation, principalement dûe au manque de données d'entraînement ce qui limite leur utilité clinique. La construction de bases de données inter-institutionnelles et internationales se heurte aux questions de sensibilité des données de santé. Construire de grandes bases de données dans le domaine médical est excessivement difficile, que ce soit dû aux régulations de données strictes ou aux nombreuses barrières humaines et systémiques. L'apprentissage fédéré a été proposé en 2016 comme un paradigme d'apprentissage décentralisé, collaboratif et sécurisé. Il pourrait être une réponse partielle au problème de partage de données, permettant la collaboration entre différentes entités médicales pour l'entraînement de gros modèles profonds pour un coût légal et de sécurité des données limité. L'algorithme pionnier FedAvg donne des résultats convaincants sur un grand nombre de tâches, mais son utilisation pose de nombreuses questions telles que la justice dans la fédération, sa robustesse aux données aberrantes et ses réelles capacités en sécurité des données. Entre autre apparaissent de sérieuses contraintes sur la distribution des données dans ces fédérations, chaque institution ne possédant qu'une fraction des données biaisée et non représentative. Cette configuration hétérogène des données a été montrée comme altérant significativement la convergence des apprentissages. L'objectif de cette thèse est principalement exploratoire à travers la question de recherche suivante: Comment entraîner des réseaux profonds de manière fédérée pour des tâches de segmentation d'images neurologiques, dans des configurations cross-silo (entre 10 et 100 institutions) et hétérogènes (avec différents modes d'acquisition et de labellisation des données entre institution)?Les organisateurs du challenge Brain Tumor Segmentation (BraTS) ont publié le partitionnement par institution de cette base de données populaire, créant la première (et seule à l'époque) grande base fédérée publique réaliste pour cette préciseuse tâche; FeTS 2021 et 2022. L'étude de l'apprentissage fédéré profond cross-silo et hétérogène pour cette tâche est le point focal de cette thèse. Nous avons dans un premier temps produit un large benchmark de méthodes d'apprentissage fédéré sur la base FeTS 2022. Nous avons exploré pour la première fois les performances de méthodes personalisées et clusterisées pour cette tâche. Nous avons montré que extit{FedAvgJ performe déjà très bien, mais peut être légèrement battu par certaines autres méthodes globales, personalisées ou clusterisées. Nous avons complété ce travail par une méthode basée de comparaison des coûts de ces algorithmes fédérés dans toute leur complexité. De plus, nous avons proposé un nouvel algorithm de rafinement fédéré clusterisé par patient specifiquement pour la segmentation automatique de tumeurs cérébrales. Par un clustering côté serveur basé sur des mesures radiomiques par volume, nous pouvons ratiner un modèle fédéré par type d'acquisition, améliorant légèrement les performances de segmentation. Enfin, nous avons généralisé ce paradigm d'apprentissage fédéré clusterisé par image pour une hétérogénéité d'apparence en segmentation. Nous proposons un clustering dans l'espace des gradients d'un modèle pendant son apprentissage fédéré, montrant une correspondance surprenamment précise avec des aprioris sur l'origine des données. Nous sommes sortis du champ biomédical dans ce travail, évaluant ce paradigme avec une base de données jouet ainsi qu'une tâche de segmentation courante en adaptation de domaine, Cityscapes et GTAS.

Apport des analyses numérique et expérimentale dans l’étude des contacts de type impact-glissement

Doctorant : Matteo DELLI COLLI

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergéque, Génie Civil, Acousque

L’industrie nécessite de réaliser de tests expérimentaux d’usure pour estimer la durée de vie de certains composants. Ces tests sont de plus en plus exigeants en termes de représentativité, surtout que leur endommagement représente des risques pour la sécurité. Ceci est le cas des faisceaux tubulaires supportés avec jeu dans les centrales nucléaires. Pour cette raison, FRAMATOME a développé ses propres bancs d’essais (bancs AURORE) pour étudier l’usure par impact-glissement de ces composants. Chaque banc d’essais est lui-même une structure élancée et supportée avec jeu à échelle réduite, excitée par des forces magnétiques et immergée dans un milieu aqueux à haute température et haute pression. Mis à part l’enjeu de réaliser des essais dans un tel environnement extrême, d’autres défis sont présents : la répétabilité des résultats, étant les conditions d’impact issues de la réponse dynamique d’un système non-linéaire ; la mesure des grandeurs de contact, posant la représentativité des essais des contraintes sur l’instrumentation. Cette thèse a donc deux objectifs : identifier des conditions de fonctionnement de ces bancs d’essais qui donnent des caractéristiques d’impact égales pendant un essai et répétables entre différents essais ; estimer les grandeurs du contact à partir des mesures réalisées. Pour ce faire, une approche numérique et expérimentale a été choisie. Plusieurs modèles numériques ont été mis en place, car les phénomènes ont lieu sur des échelles temporelles et spatiales différentes. La dynamique du système impactant est modélisée comme un oscillateur à impacts avec deux degrés de liberté, soumis à une force magnétique et à des forces liées à l’écrasement du fluide dans le jeu entre le tube et son support. La prise en compte de cet eet est possible grâce à la résolution de l’équation de Reynolds modifiée pour prendre en compte également une partie de l’inertie de l’eau. Ce modèle permet de réaliser des analyses paramétriques et de trouver des conditions de fonctionnement adéquates. Un autre modèle masse-ressort-amortisseur a été réalisé pour estimer les grandeurs du contact. Un modèle aux éléments finis du banc complet a été développé pour accéder à la pression de contact entre le tube et son support. Ensuite, la réalisation de tests expérimentaux d’usure et l’analyse post-mortem des échantillons ont permis de valider les résultats numériques obtenus. Les résultats de cee étude montrent le rôle de la fréquence d’excitation du système impactant pour obtenir des essais avec des caractéristiques des impacts (position, vitesse, angle et fréquence) égales et répétables entre plusieurs essais. Notamment, des impacts avec ces caractéristiques sont possibles si la fréquence d’excitation est au-delà de celle du premier mode de vibration du système impactant. De plus, dans ces conditions testées, l’eet de l’écrasement du fluide résulte négligeable sur les caractéristiques des impacts. Par conséquent, des essais similaires peuvent être réalisés en air et en eau. Concernant l’estimation des grandeurs de contact à partir des mesures, les analyses montrent un degré de cohérence variable selon les conditions d’impact. La raison est que les systèmes mécaniques sur lesquels ces mesures sont faites présentent des modes de vibrations avec des périodes du même ordre de grandeur que les périodes des contacts. En général, le plus les forces d’impact sont élevées, majeure est la vibration de ces systèmes et donc mineure est la cohérence de la mesure par rapport à la réelle dynamique du contact. Par rapport au système mécanique pour mesurer le déplacement, il est fort probable que sa dynamique pendant le contact pilote le temps de contact. Concernant les régimes de frottement (adhérence, glissement) à partir des mesures de force, leur interprétaon devient encore plus complexe en milieu aqueux.

Modèle poro-élastique multi-échelle du système tige/fémur pour fabrication additive d'une tige fémorale personnalisable à gradient de propriétés mécaniques

Doctorant : Emmanuel THOULON

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique
 

L'arthroplastie totale de la hanche (THA) est en un remplacement complet de l'articulation de la hanche par un implant. Il s'agit du seul traitement disponible pour de nombreuses pathologies de la hanche liées à l'âge. La durée de vie de la prothèse est limitée, nécessitant souvent une nouvelle intervention au bout de plusieurs années. L'augmentation de l'espérance de vie et la baisse de l'âge de première implantation contribuent à l'accroissement du nombre de patients concernés. Le prolongement de la durée de vie des prothèses de hanche constitue un enjeu à la fois économique et sociétal. La principale cause de réintervention est le descellement aseptique, caractérisé par une résorption osseuse à l'interface os­ implant. Cela entraîne une instabilité de l'implant et est attribué au « bouclier de contrainte » (stress shielding), qui résulte de la différence de raideur entre le titane et l'os. Cela réduit la transmission des contraintes dans l'os et favorise la résorption osseuse liée au désusage. Dans un contexte médical plus large, où les solutions personnalisées sont privilégiées, cette thèse explore le concept de tige fémorale mécano-biofidèle, c'est-à-dire une tige imitant la géométrie et les propriétés mécaniques de l'os naturel. Alors que l'aspect géométrique a déjà été étudié par Braileanu (2020), ce travail se concentre sur la détermination de propriétés mécaniques optimales pour adapter l'implant à chaque patient. Il s'appuie sur les travaux antérieurs de Perrin (2018) et de Coftigniez (2021), qui portaient respectivement sur une modélisation poroélastique de l'os et sur la fabrication additive de supports en titane destinés à la croissance osseuse. L'objectif principal est de créer un modèle poroélastique de l'os incluant la simulation de la cicatrisation et du remodelage, puis de confronter ses résultats à ceux obtenus par fabrication additive. La cicatrisation et le remodelage étant deux processus biologiques distincts, aucun modèle numérique ne les simule simultanément. Deux modèles issus de la littérature ont été sélectionnés et implémentés dans un modèle éléments finis simplifié, axisymétrique, du système tige-fémur à l'aide de subroutines UMAT. Grâce à un document externe et à l'utilisation d'un predefine field, les calculs de remodelage reprennent au dernier pas de calcul de cicatrisation, assurant ainsi la continuité entre les deux processus. Une procédure de validation a été appliquée pour vérifier l'insensibilité au maillage, la justesse des calculs de contraintes et le comportement asymptotique de la raideur avec un nombre croissant de cycles. Pour évaluer la précision du modèle, les résultats de la simulation numérique ont été comparés à ceux de trois patientes scannées respectivement 5 mois, 4 ans et 12 ans après l'implantation. Les résultats préliminaires sont encourageants, avec une même distribution de raideur et des écarts maximaux de 6 %, 24 % et 11 %. Ils mettent en évidence certaines limites, notamment l'approximation géométrique qui réduit la précision dans la zone de la tête fémorale. La surestimation de la raideur dans le modèle de remodelage suggère une sensibilité aux conditions initiales et une possible surestimation inhérente au modèle lui-même. L'utilisation d'images préopératoires offrirait certainement des améliorations pour les futures études. Enfin, une première étude des matériaux a montré que l'introduction de porosité dans le titane permet de diminuer la raideur, de réduire l'effet de bouclier de contrainte et de favoriser la colonisation cellulaire. Un prototype poreux en titane a pu être fabriqué par stéréolithographie, tandis qu'aucune éprouvette en polymère n'a pu être produite en raison de contraintes dimensionnelles imposées par les techniques disponibles. Des recherches complémentaires sur les procédés de mise en forme des polymères seront donc nécessaires. La prochaine étape de ce travail consistera en une caractérisation mécanique et biologique de l'éprouvette en titane.

Fonctionnalisations chimiques de polysaccharides par la réaction de Passerini pour des applications dans le secteur de l'emballage

Doctorante : Clémence VUILLET

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Dans un contexte global de transition écologique, et de réglementation renforcée contre les plastiques à usage unique, le développement de matériaux d'emballage à base de polysaccharides, suscite un intérêt croissant. Toutefois, l'hydrophilie de ces polymères naturels limite leurs performances barrières vis-à-vis de l'eau. Ce projet de thèse, qui s'inscrit dans un projet ANR (MODERATO) vise la synthèse de nouvelles familles de polysaccharides modifiés par la réaction de Passerini à 3 composants, en vue d'être utilisées comme revêtements biosourcés fonctionnels conférant à des substrats papier de bonnes propriétés barrières, maintenues sous des variations d'humidité et de température, pour l'emballage alimentaire. La réaction de Passerini permet de lier chimiquement 3 précurseurs (acide carboxylique, aldéhyde, isonitrile) en conditions aqueuses monotopes sans catalyseur, ni agent de couplage. Pour répondre aux objectifs visés, cette réaction a été appliquée à la carboxyméthylcellulose (CMC) et à l'alginate (ALG) pour générer des nouveaux dérivés de CMC et d'ALG doublement hydrophobisés, d'une part, et des dérivés à la fois hydrophobisés et porteurs de PEG-co-PPG thermosensible (caractère à LCST dans l'eau), d'autre part. Une large gamme de dérivés de DS variés, atteignant 0,50 (70% de conversion des acides carboxyliques) a été synthétisée. Les propriétés de mouillabilité des dérivés hydrophobisés, sous la forme de films minces, ont été analysées, en lien avec leur composition structurale. L'adsorption de ces dérivés sur différents types de substrat a été évaluée par des expériences de QCM-D qui ont montré que la fonctionnarisation Passerini mène à une augmentation des masses de polymère déposées. La caractérisation sous augmentation de la T°, des dérivés de CMC et d'ALG hydrophobisés et porteurs de segments à LCST, a mis en évidence la formation de gels physiques dans l'eau, et ce caractère thermosensible est conservé à l'état de films minces (prouvé par mouillabilité et QCM-D). De plus, des analyses par DVS et des mesures de la perméabilité à la vapeur d'eau ont montré que la double fonctionnalisation hydrophobe permet d'améliorer de façon significative les propriétés barrières à l'eau des dérivés sous la forme de films libres. Ce gain en termes d'effet barrière à la vapeur d'eau, couplé à de bonnes propriétés barrières aux graisses et à l'air ont également été démontré pour des papiers Kraft enduits des polysaccharides doublement hydrophobisés. Ces résultats ouvrent des perspectives attrayantes pour le développement d'emballages adaptés à des applications alimentaires.

Rôle de la rhéologie et de la physicochimie de l'interface dans la réponse tribologique et dynamique des systèmes frottants en composites C/C

Doctorant : Simone CIPRARI

Laboratoire INSA : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Les matériaux composites carbone/carbone (C/C) sont utilisés dans de nombreuses applications de freinage haute performance, telles que le freinage aéronautique, dans lesquelles la légèreté et la résistance thermique représentent des exigences cruciales. En raison de l'intérêt croissant pour cette classe de matériaux, un grand nombre de travaux de recherche ont étudié leur réponse tribologique. Un comportement complexe, caractérisé par l'existence de différents régimes de frottement en fonction des principaux paramètres de contact (température, pression, vitesse de glissement, etc.), a été mis en évidence. Malgré la quantité de travaux consacrés à ce sujet, seuls quelques groupes de recherche ont étudié la relation entre la réponse en frottement des matériaux C/C et l'apparition de vibrations instables induites par le frottement (FIV) du système mécanique, soulignant un rôle fondamental joué par la rhéologie de l'interface sur les comportements de frottement conduisant à l'apparition d'instabilités dynamiques au contact. Dans ce cadre, cette thèse étudie le rôle du troisième corps (c'est-à-dire la couche d'interface formée par les particules d'usure et externes) sur la réponse tribologique et dynamique des systèmes de friction C/C. À cette fin, une nouvelle méthode expérimentale d'évaluation du rôle rhéologique du troisième corps est développée, en adoptant une approche indirecte. La technique de nettoyage par ultrasons est appliquée pour retirer la couche de troisième corps d'un contact C/C, ce qui permet d'effectuer des tests sur les mêmes échantillons en présence et en absence de la couche d'interface. La comparaison entre les comportements mesurés met en évidence un rôle prédominant du troisième corps dans le contrôle de la réponse globale en frottement du système, en particulier dans des conditions de température élevée. La réintroduction dans le contact d'un troisième corps externe est également étudiée, en utilisant les échantillons nettoyés, obtenus après des conditions de freinage réelles et après l'élimination de leur troisième corps naturel, en tant que substrats. La validation de cette procédure ouvre la voie à l'essai d'échantillons de troisième corps introduits artificiellement. Des observations MEB complémentaires ont été effectuées pour caractériser la couche de troisième corps observée sur les surfaces de frottement des matériaux C/C conditionnés pendant la vie en service. Des familles morphologiques du troisième corps en accord avec la littérature existante ont été identifiées, et un accent particulier a été mis sur les contaminants hétérogènes observés dans le troisième corps carboné. Ces observations ont conduit au développement des spécimens artificiels du troisième corps, destinés à reproduire le mieux possible la morphologie du troisième corps naturel, en contrôlant la présence et la morphologie des contaminants hétérogènes. À l'aide de cette méthodologie, le rôle du troisième corps et de ses caractéristiques, telles que la morphologie et la composition chimique, sur la réponse frictionnelle et dynamique du contact C/C a été analysé. L'effet de certains contaminants du troisième corps est étudié, révélant une forte sensibilité de la réponse de frottement C/C sur la nature du contaminant, même en présence d'une faible fraction d'éléments hétérogènes dans la couche de troisième corps. Chaque type de contaminant est caractérisé en termes d'effet sur les valeurs moyennes de frottement et sur la relation coefficient de frottement - vitesse, deux aspects fondamentaux pour évaluer leur impact sur l'apparition de vibrations instables induites par le frottement. Des scénarios rhéologiques sont ensuite proposés pour expliquer la réponse tribologique mesurée, en clarifiant les comportements de frottement qui conduisent à l'apparition d'une réponse dynamique instable du système.