Tribological study of metallic glasses and in situ temperature measurement by luminescence thermometry

Doctorant : Zhijian ZHOU

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Les verres métalliques reçoivent de plus en plus d'attention dans le domaine de la tribologie en raison de leur structure amorphe unique et de leurs propriétés mécaniques supérieures. Des études ont montré que, dans certaines conditions, la performance tribologique des verres métalliques peut surpasser celle des alliages traditionnels. Pour obtenir une compréhension plus complète de la manière dont les verres métalliques répondent à différentes conditions expérimentales, cette thèse commence par examiner le comportement tribologique et les mécanismes de frottement des verres métalliques à base de Ni et de Zr sous diverses pressions. Cependant, il a été noté dans la communauté que les propriétés mécaniques des verres métalliques deviennent très sensibles à la température près de leur température de transition vitreuse, qui varie largement en fonction de la composition. Ce phénomène influence les propriétés tribologiques du matériel. La mesure précise de la température locale dans les contacts tribologiques a historiquement été un défi. L'avènement de micro-sondes luminescentes sans contact a ouvert de nouvelles voies pour des mesures de température précises et non invasives en tribologie. Cette thèse applique par la suite une méthode de mesure de la température basée sur le temps de vie de la luminescence émise par des centres de défauts S3 excités à l'intérieur de micro-diamants aux contacts tribologiques secs des verres métalliques, en passant par toutes les étapes, y compris la fabrication de micro- sondes, la construction de bancs expérimentaux, le traitement des données, la comparaison avec thermocouple, la simulation utilisant la Méthode des Éléments Finis. Cette technique a le potentiel de mesurer avec précision la température dans les systèmes tribologiques.

Métrologie des techniques de microscopie à sonde locale micro- onde appliquées aux mesures de transport dans le domaine des semiconducteurs

Doctorant :  Damien RICHERT

Laboratoire INSA : INL

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Cette thèse se focalise sur l’établissement d’une métrologie des mesures de propriétés électrique à l’échelle submicrométrique. Le Scanning Microwave Microscopy (SMM), qui permet d’accéder aux propriétés électriques d’un échantillon (impédance, permittivité électrique, tangente d’angle de perte et concentration de dopant), répond à ces critères. Il s’agit d’un microscope à force atomique interfacé à un analyseur de réseaux vectoriel (VNA). Si la métrologie de la mesure électrique utilisant un VNA est bien établie, ce n’est pas le cas pour les configurations SMM. Un VNA permet, s’il est calibré, d’extraire des propriétés électriques à partir de la mesure du paramètre de réflexion. Pour une configuration SMM, la méthode la plus commune est dérivée de la calibration Short- Open-Load utilisant trois impédances connues sur un échantillon de référence. L’un des résultats clé de cette thèse est l’établissement du bilan d’incertitude associé à la mesure d’impédance par SMM. Pour ce faire, une caractérisation de l’échantillon de référence démontra que l’incertitude associée aux valeurs des impédances présentes (0.3; 9.8 fF) est inférieure à 2.8 %. Fort de ce bilan d’incertitude, un second échantillon de référence fut proposé et caractérisé avec une incertitude associée inférieure à 1.9 %. L’incertitude sur la mesure des capacités de référence par le SMM calibré est inférieure à 3 %. Un cas d’application est l’extraction de la permittivité d’échantillons piézoélectriques avec une incertitude inférieure à 10.6 %. L’incertitude due à l’humidité relative (RH) sur la calibration du SMM fut étudiée empiriquement et par simulation numérique. Le RH impacte la calibration à hauteur de 0.4 % pour les capacités de 0.3 fF et devient négligeable pour les capacités au-dessus de 4 fF. Enfin, des courbes dC/dz furent acquise par microscopie à force électrostatique (EFM) sur un diélectrique connu afin d’assurer la traçabilité de la mesure de constante de raideur de la sonde employé.

Development of Ti-based bulk metallic glasses for dental applications through innovative design strategy, process optimisation and surface functionalisation

Doctorant : Yohan DOUEST

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Due to their long-range disordered atomic structure, Ti-based bulk metallic glasses (BMGs) exhibit at least twice the mechanical strength of crystalline Ti-alloys currently used in dental implant applications. Ti-based BMGs are therefore candidate materials to downsize dental implant components and reduce their invasiveness. Although numerous research works have emphasised their potential, no commercial products have been made available. Several aspects hinder their practical application. Firstly, they generally contain high amount of copper. Apart the controversy regarding its biological safety, copper has been shown to trigger pitting corrosion in chloride environment of amorphous alloys, thereby limiting their corrosion resistance. Secondly, Ti-based BMGs are challenging to process. Because of their restricted glass forming ability (GFA), they are more prone to the formation of crystalline heterogeneities even when high cooling rates are applied.
This PhD investigates independent research areas related to Ti-based BMGs, ranging from designing strategies and processability to surface functionalisation. At first, a machine learning (ML) model is employed to explore compositional spaces with reduced amount of copper within the Ti-Zr-Cu-Pd system. The model’s predictions are experimentally assessed, and a critical discussion is provided on the relevance of the ML-guided approach. Secondly, the processability of Ti40Zr10Cu36Pd14, a representative composition of Ti-based BMGs, is evaluated. Processing techniques from both laboratory and industry are compared, and the resulting as-cast crystalline heterogeneities are studied to give insights into their formation pathways. Lastly, two surface modifications aimed at reducing the influence of copper on the corrosion resistance of Ti40Zr10Cu36Pd14 are proposed. One solution involves the deposition of coating already used in dental implant systems while the second solution consists of a chemical etching treatment. The results obtained within this PhD aim to contribute both scientific and industrial advancements, while also suggesting new research topics.

Biofloculation dans les procédés à boues activées : rôle des substances polymériques extracellulaires

Doctorante : Zoé FAU

Laboratoire INSA : REVERSAAL

École doctorale : ED206 : Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

Les procédés à boues activées sont couramment employés pour traiter les eaux usées domestiques. La mise en œuvre de procédés forte charge ou densifiés peut permettre de diminuer leur demande énergétique et valoriser les polluants de l’eau usée mais nécessite une meilleure compréhension des mécanismes, notamment la biofloculation, qui gouvernent la capture de la matière organique. Le rôle dans ces mécanismes des Substances Polymériques Extracellulaires (EPS) secrétées par les bactéries, est de plus en plus étudié mais les conclusions sont divergentes. Ce travail de thèse a pour objectif d’améliorer la compréhension du rôle des EPS dans le mécanisme de biofloculation dans les procédés à boues activées. Un état de l’art a tout d’abord mis en évidence l’absence de consensus et les verrous, notamment méthodologiques, qui limitent la compréhension du rôle des EPS dans les procédés à boues activées. Des mesures expérimentales sur des boues de station d’épuration ont ensuite permis de 1) sélectionner et adapter les méthodes de caractérisation des EPS appropriées aux boues floculées et 2) proposer une amélioration d’une méthode innovante de caractérisation de la capacité de biofloculation d’une boue (détermination du seuil de floculation - Threshold Of Flocculation, TOF). Ces méthodes, combinées à des méthodes conventionnelles, ont été appliquées sur une trentaine d’échantillons de boues de plusieurs types de procédés (conventionnels, forte charge et densifiés) à l’échelle pilote et à pleine échelle. Cette démarche a révélé qu’une boue présentant de faibles capacités de biofloculation et des flocs peu développés, contient cinq fois plus d’EPS faiblement liées avec une teneur faible en biopolymères (<30 %), qu’une boue avec de bonnes capacités de biofloculation. Ces résultats démontrent qu’améliorer les capacités de biofloculation en contrôlant les EPS (concentration, composition) pourrait accroître la capture de la matière organique et donc le potentiel de valorisation énergétique.
 

Order-based beamforming and its application to rotating machines

Doctorant : Kalasagarreddi KOTTAKOTA

Laboratoire INSA : LVA

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

Dans les machines tournantes, l'identification des sources de bruit joue un rôle essentiel dans le raffinement acoustique. Lorsque ces machines fonctionnent à des vitesses variables, les techniques traditionnelles de formation de voies basées sur la fréquence ne sont plus appropriées car les phénomènes vibroacoustiques générés sont non stationnaires et comportent des tonalités modulées appelées ordres. Le suivi d’ordre est une méthode importante pour traiter les mesures à vitesse variable qui permet d'extraire les ordres, dont les fréquences évoluent proportionnellement à la vitesse de l'arbre de référence. Cette thèse présente une technique appelée Order-Based Beamforming(OBBF) qui combine la formation de voies et le suivi d’ordre pour réaliser une imagerie acoustique sur les ordres. L'OBBF établit une correspondance entre les enveloppes complexes des signaux du réseau de microphones et de la source, ce qui permet d'identifier les sources de bruit tonales en vitesse variable. L'OBBF produit des films sur le rayonnement de la source, chaque image représentant une carte de formation de voies à un régime donné. La thèse présente également le Multi-Pass Order-Based Beamforming(MPOBBF), une application de l'OBBF. Cette méthode permet la resynchronisation des champs sonores tonaux, capturés séquentiellement à partir de multiples mesures d’antenne microphonique à vitesse variable, avec la connaissance de la position angulaire de l'arbre. Les enveloppes complexes d'un ordre extraites de plusieurs mesures séquentielles sont concaténées en un seul ensemble de données, sur lequel l'OBBF est appliqué pour identifier les sources de bruit tonal. La solution proposée permet d'agrandir ou de densifier synthétiquement les antennes microphoniques devant des objets 3D en les capturant successivement à l'aide d'un réseau mobile. Les deux techniques sont détaillées et évaluées à l'aide de simulations numériques et de données obtenues sur un banc d'essai de moteur à induction.

 

Innovative multichannel models for pricing and inventory decisions considering service level

Doctorante : Minh Tam TRAN

Laboratoire INSA : DISP

École doctorale : ED512 : InfoMaths (Informatique et Mathématiques de Lyon)

The thesis investigates contemporary challenges in retail management amidst the digital revolution, with a focus on multichannel retailing, dual-channel pricing, and data-driven inventory management. This thesis first begins with an overview of evolving retail dynamics driven by technological advancements and shifting consumer demands, emphasizing the necessity for inventive solutions to navigate these complexities. Second, by exploring multichannel retailing in-depth, the study examines inventory allocation and pricing optimization across physical and online channels. It addresses a multichannel pricing problem, proposing a methodology to ensure optimal solutions and highlighting the importance of channel coordination and service levels on market share and profitability. Thirdly, further delving into dual-channel pricing, the thesis presents a novel pricing model capturing intricate interactions between channels, retailers, and customers. It emphasizes the significance of determining optimal physical store capacity and managing stock-out conversions to online sales with promotions. Fourth, introducing data-driven inventory management methodologies, the study leverages Kernel Density Estimation (KDE) within chance-constrained optimization frameworks. By demonstrating superior performance in achieving target service levels compared to traditional methods, the thesis emphasizes the importance of managing inventory under uncertainty while maintaining service quality. Last but not least, the thesis concludes by promoting a deeper understanding of retail management in the digital age, offering valuable insights and methodologies to navigate modern retailing complexities. By embracing innovation, data-driven approaches, and customer-centric strategies, retailers can position themselves for success in an increasingly dynamic and competitive environment. Future research directions include exploring advanced machine learning techniques and extending the model to consider sustainability and supply chain resilience.

Étude de l'amorçage de l'endommagement du sulfure de zinc (ZnS) sous impacts liquides

Doctorant : Pierre GANTIER

Laboratoire INSA : LaMCos

École doctorale : ED162 : MEGA

Les matériaux infrarouges sont couramment utilisés dans l'industrie de défense et dans l'aéronautique dans des applications de guidage, de détection et de suivi. Le ZnS est un de ces matériaux qui jouie de performances optiques uniques, ce qui en fait un excellent candidat pour la plupart des applications nécessitant l'utilisation de rayonnement infrarouge. Cependant, en conditions de vols, sa résistance aux agressions du milieu extérieurs, et en particulier, aux impacts liquides provoqués par la pluie, le brouillard ou les nuages reste limitée et mal connue. Les travaux de thèse ont donc porté à la fois sur la modélisation numérique de l'impact liquide et sur la mise en place et l'utilisation d'un banc d'essai développé à cet effet.

Valorisation de la réaction thia-Michael pour la synthèse d’architectures macromoléculaires à base d’isosorbide

Doctorant : Raouhi SANAA

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Ces travaux de thèse explorent la synthèse et la caractérisation de nouveaux copolymères poly(thioéther-ester) contenant des unités monomères dérivés de 1,4:3,6- dianhydrohexitols (isosorbide et isomannide) via la réaction thia-Michael. Les efforts se concentrent sur la génération de diverses architectures macromoléculaires linéaires, réticulées ou hybrides organique/inorganique avec des blocs poly(diméthylsiloxane). Dans un premier temps, une revue de littérature met en évidence l'intérêt des stéréoisomères 1,4:3,6-dianhydrohexitols comme monomères de base pour la synthèse de polymères, tout en examinant les mécanismes et les conditions optimales de la réaction thia-Michael ionique. Dans un deuxième temps, la synthèse détaillée de copolymères poly(thioéther-ester) en utilisant différents monomères dont certains au moins sont dérivés d’isosorbide ou d’isomannide, comme des dithiols et diacrylates, ou diméthacrylates, est abordée. Les conditions opératoires et les caractéristiques des produits obtenus, tels que des polymères linéaires de haute masse molaire, des polymères à masse molaire et bouts de chaînes contrôlés et des réseaux réticulés chimiquement, sont discutés. Ensuite, les possibilités de modification chimique des poly(thioéther-ester)s par oxydation sélective ou aléatoire des groupes thioéther en sulfoxyde et/ou sulfone, ainsi que leur impact sur les propriétés physico-chimiques des copolymères, sont explorées. Enfin, l'introduction de segments flexibles de poly(diméthylsiloxane) dans les copolymères, conjointement avec l'incorporation d'unités isosorbide, est étudiée. Les propriétés thermiques des nouveaux matériaux sont analysées en détail.

Layer by layer polymer films involving functionalized-PPFS building blocks: from chemical design control to film features

Doctorante : Yufei WANG

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Ce travail de thèse à vocation fondamentale décrit la synthèse de nouveaux dérivés de poly (2, 3, 4, 5, 6- pentafluoro-styrene) (PPFS) et de PPFS-co-PS modifiés chimiquement, présentant un caractère de donneur ou accepteur de liaisons hydrogène, et leur utilisation comme briques de base élémentaires pour concevoir des films LbL multicouches aux propriétés ajustables. La fonctionnalisation chimique a été réalisée par une réaction de substitution nucléophile chimiosélective et régiosélective en position para du cycle fluoré des unités PFS, en utilisant différents thiols polaires comme agents nucléophiles. Ainsi, des dérivés mercapto composés de groupements amine (amine primaire: cystéamine et amine tertiaire: diméthylaminoéthanethiol), et de groupements acide carboxylique (acide mercapto propionique) ont été greffés avec succès sur les chaînes polymère, et les paramètres expérimentaux (temps de réaction, quantité de base ajoutée) ont été optimisés et modifiés, afin de générer un large éventail de dérivés différant de par leur degré de substitution et/ou leur fonctionnalité, facteurs qui permettent d’ajuster notamment leur capacité à interagir. Leur aptitude à interagir a été tout d’abord examinée au sein de mélanges en solution et il est apparu qu’en fonction de la nature du solvant et de la structure des espèces introduites le long des chaines, différents scénaris ont été obtenus : mélanges immiscibles, mélanges miscibles et complexes interpolymères, liés notamment au caractère transparent ou turbide de la solution. L’observation macroscopique des mélanges a été complétée par une étude à l’état solide, après évaporation du solvant et cette analyse a mis en évidence la formation d’interactions entre les dérivés de PFFS modifiés, impliquant principalement des liaisons hydrogène entre les espèces aminées et carboxylées. Au final, les combinaisons les plus appropriées de polymères modifiés ont été utilisés pour construire avec succès des films LbL multicouches, par un procédé de dépôt par immersion. L’influence de différents paramètres liés aux aspects structuraux des polymères (degré de modification, structure du thiol greffé), et liés au procédé de dépôt (concentration des polymères, nature du solvant) a été étudiée de façon approfondie. Il en résulte que tous ces paramètres influencent étroitement, le mécanisme de croissance, l’épaisseur, l’organisation interne, les propriétés de mouillabilité, et la morphologie de surface des films LbL finaux.

Nouvelle formulation de plastisol pour l’enduction filamentaire, sans phtalate et sans antimoine

Doctorante : Charlotte MICHELIN

Laboratoire INSA : IMP

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Le plastisol est un revêtement constitué de poly (chlorure de vinyle) (PVC), de plastifiant, d’un système d’ignifugation et de charges. Toutefois, des recherches ont démontré la toxicité de certains de ses composants, notamment les plastifiants à base de phtalate, qui sont aussi les plus utilisés, et le sel d’antimoine du système d’ignifugation. C’est pourquoi, et afin de répondre à un besoin du marché, nous avons recherché une nouvelle formulation du plastisol, sans phtalate et sans sel d’antimoine, qui réponde à la fois au problème de toxicité, et à la fois à un cahier des charges bien défini.
La première étape est l’étude de différentes familles de plastifiants, des esters (autres que les phtalates), aux dérivées d’huiles, en passant par les polymères et les liquides ioniques. Après l’étude de la compatibilité de ces plastifiants avec le PVC, nous les avons caractérisés par le biais de divers paramètres tels que la Tg, Tα, module de conservation, module de dissipation, point de gélification. Nous avons ainsi démontré que les performances du plastifiant dérivé d’huile époxydée partiellement biosourcée égales celles du phtalate.
La deuxième étape de ce travail doctoral est la recherche d’un nouveau système d’ignifugation adapté à ce nouveau plastisol. Pour cela, nous avons étudié différentes familles de retardateurs de flamme tels que les oxydes métalliques, les phosphorés, les liquides ioniques, les azotés, les biosourcées et d’autres. Chaque retardateur a été étudié seul ou en combinaison avec d’autres retardateurs dans un plan d’expérience. Afin de répondre aux critères de la norme française (classement M1), allemande (classement B1) et européenne (classement B S2 D0 ou C S3 D0), la stratégie sélectionnée a été de combiner plusieurs retardateurs de flammes aux propriétés d’ignifugation différentes mais complémentaires. Les meilleures formulations se sont révélées êtres celles à base de molybdate (trois molybdates), d’alginate de calcium et d’hydrotalcite. Nous avons ensuite mené une étude au cône calorimètre et au « mini SBI » qui ont permis de choisir une formule combinant du molybdate de zinc / aluminium et de l’hydrotalcite comme solution finale.
La dernière étape est la stabilisation de notre formulation. Pour cela, nous nous sommes intéressés à un stabilisant à base de triisotridecy phosphite et de baryum, et à une combinaison de stéarate de zinc et de β-dicétone. Cette dernière sera retenue.
Ensemble, les travaux de recherche menés dans cette thèse proposent une nouvelle formulation de plastisol sans phtalate et sans sel d’antimoine, proposant ainsi une réponse au problème de toxicité. En plus, notre formulation se caractérise par un comportement similaire à un plastisol à base de phtalate. Enfin, cette formulation obtient un classement M1, B2, C S3 D0.