Ce projet de recherche consiste à développer un nouveau matériau afin d’améliorer la performance énergétique des bâtiments, tout en réduisant l’empreinte carbone. Le nouveau matériau qui joue le rôle de revêtement mural pourrait remplacer les panneaux de gypse et permettre de réduire les écarts de température à l’intérieur des bâtiments, augmentant ainsi le confort des occupants tout en réduisant les besoins en climatisation et en chauffage. Trois objectifs spécifiques ont donc été établis dans le cadre du présent projet de recherche. Le premier consiste à développer la mise en forme et la formulation de panneaux bois-ciment-cendre de bois-poudre de pierre. Le second vise à caractériser ces panneaux quant à leurs propriétés mécaniques et thermiques, à leur résistance à l’absorption d’eau et à leur réaction au feu. Le troisième consiste à évaluer la performance thermique de ces panneaux à l’aide de deux maisonnettes expérimentales instrumentées. Le choix des matières premières a été fait sur la base de leur capacité thermique, leur densité et leur compatibilité. Ensuite, elles ont été caractérisées quant à leur composition chimique, leur granulométrie et leurs propriétés physiques. Les combinaisons de composantes qui ont été finalement retenues pour les panneaux sont les suivantes : particules de bois-ciment-cendre de bois et particules de bois-ciment-pierre de stéatite. La formulation appropriée à chaque type de panneau a été déterminée en termes de proportion massique eau/ciment, bois/ciment et produit d’addition/ciment sur la base de la maniabilité de la pâte et de la densité du matériau composite obtenu. Les panneaux composites produits ont été caractérisés quant à leurs propriétés mécaniques, physiques, thermiques et à leur comportement au feu et à leur structure interne caractérisée par microscopie électronique à balayage. Le pourcentage de remplacement optimal du ciment par de la cendre de bois est de 30%massique. À ce niveau de remplacement, les propriétés mécaniques du panneau sont légèrement réduites(réduction de 12% de la résistance à la flexion et de 21% de la résistance à l’arrachement des vis) par rapport à un panneau sans produit de remplacement. Au-delà de 30% de remplacement, les propriétés diminuent significativement. La stéatite nous offre une bonne qualité de surface du panneau, comparable à la surface de papier du gypse mais sans papier. Le pourcentage optimal de remplacement du ciment par la stéatite est de 15% massique. Les propriétés mécaniques sont améliorées (augmentation de 69% de la résistance à la flexion, de 37% de la résistance à l’arrachement des vis). Ces panneaux peuvent être coupés facilement avec une scie à main de la même manière que le panneau de gypse. Par conséquent, le processus d'installation du panneau est essentiellement le même. Ces panneaux ont une bonne résistance à l'eau. Les panneaux bois-ciment-poudre de stéatite ont de plus un meilleur comportement au feu que les panneaux de gypse. En effet, ils ne présentent pas une flamme visuelle après 20 minutes d’exposition au feu (une minute pour le panneau en gypse) sous un flux radiatif de 50 kW.m-2. Leur chaleur spécifique (15% de remplacement du ciment par la stéatite) est supérieure à celle du panneau en gypse de 38%. Des panneaux de gypse et des panneaux bois-ciment-poudre de stéatite ont été installés sur les murs intérieurs de maisonnettes expérimentales. Les résultats de mesures réalisées de mars à juillet 2019 montrent que la consommation en chauffage de la maisonnette avec des panneaux bois-ciment-poudre de stéatite a diminué de 7% par rapport à celle de la maisonnette avec panneaux intérieurs de gypse lorsque la plage de températures extérieures était de -9°C à 10°C, sans chauffage intérieur. La température intérieure de la maisonnette avec des panneaux bois-ciment-poudre de stéatite est plus confortable lors d’une journée ensoleillée. La différence des amplitudes de température intérieure quotidienne entre les deux maisonnettes a atteint 2,1°C pour une journée très chaude lorsque la température extérieure a atteint 28°C. / This research project consists to develop a new material in order to improve the energy performance of buildings but also the reduction of the carbon footprint of the materials used. The new material, used as wall covering, could help replace gypsum boards and reduce temperature differences inside buildings, thus increasing building comfort while reducing the need for air conditioning and heating. Three specific objectives have been established for this research project. The first objective is to develop the fabrication method and formulation of wood-cement-wood ash-stone powder panels. The second objective aims to characterize these panels in terms of mechanical and thermal properties, water absorption resistance, and fire resistance. The third objective consists of evaluating the thermal performance of these panels using two instrumented experimental huts. The choice of raw materials was based on their heat capacity, density, and compatibility. Then, they were characterized in terms of chemical composition, particle size, and physical properties. The components used for the composites finally selected are wood-cement-wood ash particle boards as well as wood-cementstéatite particle boards. The appropriate formulation for each type of panel was determined in terms of water / cement, wood / cement and adduct / cement mass ratio based on the workability of the paste and the density of the resulting composite material. The composite panels produced were characterized for their mechanical, physical, thermal properties, fire resistance and internal structure characterized by scanning electron microscope. The optimum percentage of replacement of cement by wood ash is 30% by mass. At this amount of replacement, the mechanical properties of the panel have been slightly reduced (12% reduction in flexural strength; 21% reduction in screw pull-out strength) compared to a panel without replacement. Beyond 30% replacement, the properties decreased significantly. Steatite gives us a good panel surface quality, comparable to the surface of gypsum panel standard but without paper. The optimal percentage of replacement of cement by steatite is 15% by mass. Mechanical properties are improved (69% increase in flexural strength, 37% increase in screw pull-out resistance). These panels can be cut easily with a handsaw in the same way as drywall. Therefore, the panel installation process is essentially the same. These panels have good water resistance. Wood-cement-steatite powder panels have better fire resistance than gypsum panels. Indeed, they do not exhibit a visual flame after 20 minutes of exposure to fire (one minute for gypsum board) under a radiative flux of 50 kW/m2 . Their specific heat (15% replacement of cement by steatite) is higher than that of gypsum board by 40%. Gypsum panels and wood-cement-steatite powder panels were installed on the interior walls of experimental huts The results obtained for March and July 2019 show that the heating consumption of the hut with wood- cement-steatite powder panels has decreased by 7% compared to that of the hut with interior gypsum panels when the outside temperature varied from -9°C to 10°C, without internal heating. The interior temperature of the hut with wood-cement-steatite panels is more comfortable on a sunny day. The difference in daily indoor temperature amplitudes between the two huts reached 2.1°C on a very hot day when the outside temperature reached 28°C.

L’ingestion de sables et de cendres volcaniques par les moteurs d’avion conduit à la formation de dépôts silicatés (CMAS) qui s’infiltrent dans la porosité du revêtement barrière thermique (BT) en zircone yttriée des aubes de turbine. De nouvelles compositions de BT issues du système ZrO2-RE2O3 (RE = La-Lu) sont donc envisagées. En effet, leur réactivité chimique au contact des CMAS peut conduire à la formation de phases cristallisées, notamment la phase apatite Ca2RE8(SiO4)6O2, qui bloquent l’infiltration du CMAS. Cependant, divers silicates du système CaO-RE2O3-SiO2 sont susceptibles d’entrer en compétition avec sa formation et de plus, la composition du CMAS varie selon les régions survolées. L’objectif de ces travaux de thèse est de déterminer l’influence de la composition du CMAS et de la terre rare sur les mécanismes réactionnels de dissolution et de précipitation. Divers oxydes RE2O3 à basicité croissante (RE = Yb, Dy, Gd, Sm et Nd) et un CMAS de composition simplifiée du système CaO-Al2O3-SiO2 (CAS) ont été choisis. Des teneurs fixes en MgO et Fe2O3 ont été ensuite ajoutées au CAS en faisant varier le rapport CaO/SiO2 entre 0,4 et 1,6. Les phases apatite et cyclosilicate Ca3RE2(Si3O9)2 ont également été synthétisées afin d’étudier leur dissolution. Il est montré que le mécanisme de dissolution des RE2O3 est indirect, les équilibres locaux établis avec cet oxyde imposant systématiquement la formation de la phase apatite. Sa cristallisation est favorisée par un rayon cationique RE3+ proche de celui de Ca2+. Lorsque l’écart est important, la nucléation de la phase cyclosilicate est rapidement observée dans le CAS avec une répartition préférentielle de ces cations RE3+ dans les sites de coordinence 6. La solubilité en RE dans le liquide silicaté augmente avec la basicité de l’oxyde RE2O3 et en présence de MgO et Fe2O3. La variation de composition du CMAS modifie la nature des phases à l’équilibre. Leurs limites de solubilité en RE sont inférieures à celles de la phase apatite, ce qui réduit d’autant leur vitesse de redissolution dans le liquide silicaté / Fine particles of sand, dust or volcanic ashes ingested by aircraft engines are well-known to damage Thermal Barrier Coatings (TBC) when they infiltrate their porous microstructure as molten silicate (CMAS). They are mainly constituted of CaO-MgO-Al2O3-SiO2 in variable proportions and also contain metallic oxides. RE2Zr2O7 compositions are TBC candidate materials as they have shown efficiency to mitigate CMAS infiltration due to their reactivity with synthetic CMAS. Indeed, the dissolution reaction leads to rapid sealing of the topcoat porosity mainly due to the formation of crystalline Ca2Gd8(SiO4)6O2 apatite. However, many rare-earth silicates are likely to compete with apatite crystallization and little is known on reaction kinetics and thermodynamics involving RE2O3 and multi-component CMAS system. This work aims to determine the influence of CMAS and rare earth composition on dissolution and precipitation mechanisms. A simplified CAS was first selected with eutectic (1170°C), 65SiO2-26CaO-9Al2O3 (mol. %) composition. Dissolution of various RE2O3 with increasing basicity (RE = Yb, Dy, Gd, Sm and Nd) as well as synthetic apatite and cyclosilicate Ca3RE2(Si3O9)2 phases was then performed at 1200°C in CAS-melt. Finally, fixed MgO and Fe2O3 contents were added to CAS melt with an increasing CaO/SiO2 ratio. The results showed that RE2O3 dissolution mechanism is indirect. Apatite formation results from local equilibrium at the interface with solid RE2O3 whatever the rare earth and CMAS composition. Its crystallization is favored when Ca2+ and RE3+ ionic radii are close as they are both distributed within 9-fold coordination sites. Conversely, Ca and RE mismatch leads to rapid nucleation of cyclosilicate phase in CAS as they are preferentially distributed within a 6-fold coordination site. MgO and Fe2O3 addition in CAS as well as RE2O3 basicity tend to increase RE solubility in silicate melt. Phases in thermodynamic equilibrium strongly depend on CMAS composition but generally exhibits lower RE solubility and dissolution rate in melt than apatite

Dans le secteur aéronautique en pleine expansion, les préoccupations environnementales prennent une place de plus en plus importante. Les motoristes recherchent des solutions innovantes pour augmenter les rendements tout en diminuant les coûts. Dans cette perspective, de nouveaux systèmes de barrières thermiques synthétisés par la voie sol-gel à partir de poudres commerciales, de céramiques avec différents facteurs de forme et d'agents porogènes ont été mis en œuvre et évalués. Certains systèmes présentent une durée de vie de plus de 1000 cycles en oxydation cyclique. Malgré tout, cet accroissement des températures de fonctionnement des moteurs, induit une élévation des températures de surfaces des barrières thermiques et peut générer de nouvelles dégradations du système complet : la corrosion à hautes températures par les CMAS. Pour pallier ces inconvénients, il est possible de développer des revêtements anti-CMAS, susceptibles de réagir avec les composés CMAS avant qu'ils n'aient un effet néfaste sur l'intégrité de la barrière thermique. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés particulièrement aux revêtements sacrificiels anti-CMAS à base d'yttrine et de systèmes pyrochlore, qui ont été testés sur des barrières thermiques industrielles de type EBPVD. Par ailleurs, les procédés que nous avons développés, basés sur la voie sol-gel, nous permettent, de par leur facilité de mise en œuvre, d'envisager des perspectives prometteuses en termes de réparabilité des barrières thermiques endommagées. En effet, compte tenu du coût élevé de fabrication des pièces, les aubes devraient être réparées plusieurs fois avant d'être mises au rebut. Dans ce travail, un procédé de mise en forme a été évalué dans ce sens. Il s'agit de l'électrophorèse qui est une technique bien adaptée au dépôt sur pièces complexes. L'objectif de ces investigations a donc été double : tout d'abord créer de nouveaux systèmes de barrières thermiques avec des propriétés anti-CMAS par électrophorèse puis réparer les barrières thermiques EBPVD endommagées et leur déposer une couche protectrice anti-CMAS par ce même procédé. Cet aspect " procédé " sera abordé en dernière partie de ces travaux. / In the aeronautics sector, environmental concerns are becoming increasingly important. Engine manufacturers are looking for innovative solutions to increase efficiency while lowering costs. The objective is to optimize thermal conductivity and durability with the cyclic oxidation resistance. In this perspective, new thermal barrier systems synthesized by the sol-gel route from commercial powders, ceramics with various form factors and pore-forming agents have been implemented and evaluated. Some systems are a lifetime higher than 1000 cycles in cyclic oxidation. However, this increase in the operating temperatures of the engines induces an increase in the temperature of the surfaces of the thermal barriers and can generate further degradations of the complete system: the corrosion by CMAS. To overcome these disadvantages, it is possible to develop anti-CMAS coatings capable of reacting with CMAS compounds before they have a detrimental effect on the integrity of the thermal barrier. In this study, we were particularly interested in anti-CMAS protective coatings based on yttria and pyrochlore systems, which were tested on industrial thermal barriers realized by EBPVD. Moreover, the processes we have developed, based on the sol-gel path, allow us, because of their ease of implementation, to envisage promising prospects in terms of repair of damaged thermal barriers. Indeed, given the high cost of manufacturing parts, the blades should be repaired several times before being discarded. In this work, a shaping process has been evaluated in this direction. This is electrophoretic deposition which is a technique allowing to deposit on complex parts. The objective of these investigations was therefore twofold: firstly to create new thermal barrier systems with anti-CMAS properties by electrophoretic deposition and then to repair the damaged EBPVD thermal barriers and to deposit an anti-CMAS protective layer by this same process. This "process" aspect will be discussed at the end of this work.

De nombreuses pièces aéronautiques telles que les chambres de combustion sont percées d'une multitudes de trous de refroidissement. Ce perçage, généralement effectué par un laser de puissance peut induire des endommagements dans la matière percée. Sur les systèmes barrières thermiques, une fissuration pouvant conduire à l'écaillage de la barrière thermique se produit à l'interface céramique/sous-couche lors du perçage laser. Cette thèse présente des éléments de compréhension des phénomènes de formation et de propagation de la fissure interfaciale. Pour cela, un protocole spécifique a été utilisé, consistant en la réalisation de perçage interrompus. De plus, afin de comprendre l'influence de la sous-couche et de l'interface sous-couche / céramique sur cette fissuration, une large gamme d'échantillons aux propriétés morphologiques et mécaniques bien distincts ont été sélectionnés. Pour cela, la sous-couche a été modifiée par la variation des paramètres de projection, du procédé de projection ainsi que par des post traitements sur la sous-couche. Le lien entre ces interfaces et les endommagements liés au perçage laser sont présentés au travers d'observations 2D et 3D, destructives et non destructives ainsi que par l'étude des modifications des contraintes résiduelles avant et après perçage laser pour différentes barrières thermiques. De manière a réduire encore la fissure interfaciale, plusieurs stratégies de perçage sont étudiées via la variation de la puissance laser entre les différentes impulsions laser nécessaires pour percer le matériau multicouches. Les résultats obtenus offrent des perspectives intéressantes pour améliorer la résistance à la fissuration des pièces aéronautiques. / Many aircraft engines parts such as combustion chambers are drilled with numerous cooling holes. These holes, generally performed by a high power laser machine can induce damages in the part materials. On thermal barrier coatings systems, cracking can lead to spalling of the coating occurs at the ceramic / bond-coat layer interface during laser drilling. This thesis presents elements of understanding of the interfacial crack formation end propagation phenomena. In this purpose, a specific protocol was used, consisting of interrupted drilling process. Moreover, in order to understand the influence of the bond coat and the ceramic / bond coat interface on cracking, a wide range of samples with specific morphological and mechanical properties were selected. With this in mind, the bond coat was modified by varying spraying parameters, spraying process and also by post treatments on the bond coat. The link between these interfaces and the associated damages due to laser drilling are presented through 2D and 3D observations, destructive and non-destructive, as well as the study of residual stress modification before and after laser drilling for several thermal barrier coatings systems. For further reducing the interfacial crack, several drilling strategies are considered through the laser peak power variation between the different laser pulses needed to drill through the multi-layer material. The results offer interesting perspectives for improving crack resistance of aeronautical engines parts.

Dans la présente étude, la conductivité thermique et le module d'élasticité de revêtementsd'YPSZ élaborés par projection plasma ont été prédits par modélisations numériques 2D et3D de type différences finies et éléments finis.L'influence de la résolution d'image, de la taille et de la valeur du seuil sur les propriétésprédites du revêtement a été étudiée. En outre, les effets de la méthode numérique et du typede condition aux limites ont été étudiés. En particulier, la quantification de l'effet Knudsen(effet de raréfaction) sur le transfert de chaleur à travers une structure poreuse a été réaliséepar modélisation numérique en combinaison avec l'analyse d'image. Les conductivitéseffectives obtenues par modélisation 3D s'avèrent plus élevées que celles obtenues en 2D, etaussi en meilleur accord avec les résultats mesurés. Une corrélation 2D/3D a été trouvéepour la modélisation de la conductivité thermique : cette corrélation permet de prédire lesvaleurs 3D à partir des valeurs calculées en 2D.

Dans la présente étude, la conductivité thermique et le module d'élasticité de revêtementsd’YPSZ élaborés par projection plasma ont été prédits par modélisations numériques 2D et3D de type différences finies et éléments finis.L'influence de la résolution d'image, de la taille et de la valeur du seuil sur les propriétésprédites du revêtement a été étudiée. En outre, les effets de la méthode numérique et du typede condition aux limites ont été étudiés. En particulier, la quantification de l'effet Knudsen(effet de raréfaction) sur le transfert de chaleur à travers une structure poreuse a été réaliséepar modélisation numérique en combinaison avec l'analyse d'image. Les conductivitéseffectives obtenues par modélisation 3D s'avèrent plus élevées que celles obtenues en 2D, etaussi en meilleur accord avec les résultats mesurés. Une corrélation 2D/3D a été trouvéepour la modélisation de la conductivité thermique : cette corrélation permet de prédire lesvaleurs 3D à partir des valeurs calculées en 2D. / In the present study, the thermal conductivity and elastic modulus of thermal spray YPSZcoatings were predicted by 2D and 3D finite differences and finite elements numericalmodeling based on cross-sectional images.The influence of the image resolution, size and threshold on the predicted properties of thecoating was studied. Moreover, the effects of the numerical method and of the boundarycondition were investigated. In particular, the quantification of the Knudsen effect(rarefaction effect) on the heat transfer through a porous structure was realized by numericalmodeling in combination with image analysis. The predicted thermal conductivities obtainedby 3D modeling were found to be higher than those obtained by 2D modeling, and in betteragreement with the measured results. A 2D/3D correlation was sucessfully found for themodeling of thermal conductivity: this correlation allows predicting 3D computed valuesfrom 2D ones.