Les semi-conducteurs transparents de type oxyde, communément appelés TCO (Transparent Conducting Oxides) sont utilisés comme électrodes transparentes dans des nombreux d'applications telles que les cellules solaires, les écrans à cristaux liquides, les écrans tactiles et autres. Toutefois, les applications technologiques sont actuellement limitées puisque les TCO possédant des propriétés électriques et optiques satisfaisantes sont uniquement des semi-conducteurs de type n. Les oxydes de cuire de structures delafossite ACuO2 ou du type SrCu2O2, présentent des prometteuses avec un comportement de semi-conduction de type P et une faible absorption optique dans le spectre visible. Dans cette thèse, le systèm MOCVD (Dépôt chimique en phase vapeur du métal organique) a été utilisé pour le dépôt des couches minces de SrCu2O2. Cette phase est obtenue après quelques étapes de recuit sous oxygène puis argon, ou azote uniquement avec en particulier la nécessité de réalier des recuit rapaides. Les propriétés électriques et optiques mesurées pour la couche mince de SrCu2O2 ont un ordre de grandeur similaire à ce qui est publié dans la littérature.

L'objet de ces travaux est de se doter d'outils de modélisation qui constituent aujourd'hui un passage incontournable pour maîtriser le procédé R.T.M. Ces outils reposent sur la prédiction de grandeurs macroscopiques caractérisant les renforts. La représentation fidèle du renfort à l'échelle microscopique dans une cellule élémentaire est la clé de voûte de notre travail. Une méthode d'initialisation de fonction caractéristique a ainsi été mise au point permettant de déterminer fidèlement les interfaces entre la résine et les renforts. Cette méthode possède la particularité d'être applicable à des renforts à structure périodique mais aussi aléatoire. La simulation de l'écoulement 3D de la résine dans les pores entre les fibres permet de déterminer la perméabilité de la structure représentée. Le passage de l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique est réalisé en homogénéisant les champs de vitesse et de pression obtenus numériquement dans la cellule élémentaire.Une démarche similaire a été développée pour étudier les phénomènes thermiques dans les milieux poreux. Cette approche permet de déterminer des valeurs de conductivité thermique équivalente en considérant dans un premier temps, le fluide au repos et ensuite en couplant les phénomènes thermiques à l'écoulement engendrant des fluctuations thermiques à l'échelle microscopique. Ce phénomène est important et modifie grandement les résultats. Sa prise en compte introduit des termes non linéaires couplant la conductivité thermique équivalente à la vitesse d'écoulement du fluide au travers du renfort.La connaissance précise de ces paramètres permet la réalisation de simulations 3D réalistes du procédé R.T.M.

Le but de la thèse est de comprendre les mécanismes de localisation de particules (on parle de charges) dans des mélanges de polymères immiscibles. Ces travaux montrent que la localisation des charges de noir de carbone dans un mélange polypropylène (PP)/ poly-ε-caprolactone (PCL) est dominée par le rapport de viscosités et non par des paramètres thermodynamiques (liés au mouillage de la particule). La localisation des charges est expliquée par la compétition des forces de drainage visqueux s’exerçant sur les particules à l’interface. Le mécanisme de transfert des charges est mis en évidence par observation de la relaxation de gouttes de PCL chargées immergées dans une matrice PP. Le transfert se produit par un nouveau mécanisme, appelé « zip flow », qui consiste à l’érosion des gouttes au niveau des pointes. La maîtrise des différents paramètres étudiés permet de localiser les particules sélectivement à l’interface et d’obtenir des propriétés de conductivité à faible taux de charges. / The aim of this work is to understand mechanisms responsible for particles localisation in immiscible polymer blends. This study shows that carbon-black fillers localisation in polypropylene (PP)/ poly-ε-caprolactone (PCL) blends is strongly influenced by the viscosity ratio (rather than thermodynamic parameters through the wetting coefficient). The localisation of the fillers is explained by a competition of hydrodynamic forces applied on particles localised at the interface. The transfer of fillers is investigated at the droplet scale by observation of the relaxation of CB-filled PCL droplets suspended in PP matrix. CB particles are transferred from the PCL droplet to the PP matrix by a new mechanism, called “zip flow”, which involves the erosion of the droplet edges, leading to the extraction of particles localised there. The control of these parameters allows to localize fillers selectively at the interface and to reduce significantly the electrical percolation threshold.

Dans cette thèse on étudie le comportement des ondes électromagnétiques lorsqu'elles rencontrent un matériau négatif, c'est-à-dire un matériau dont la permittivité électrique et/ou la perméabilité magnétique est négative. On se focalise ici sur le cas où seulement la permittivité change de signe. En dimension deux, les équations de Maxwell en régime harmonique se réduisent à deux sous-problèmes scalaires plus aisés à traiter. L'un de ces sous-problèmes autorise la propagation d'ondes de surface, appelées plasmons de surface, à l'interface entre le matériau négatif et le diélectrique, ce qui le rend particulièrement intéressant pour les applications. On se concentre sur ce sous-problème et en particulier sur sa partie principale qui correspond à une équation de conductivité. Cependant, comme la permittivité change de signe les outils classiques comme le Théorème de Lax-Milgram sont mis en défaut. Dans le premier chapitre, on introduit des outils utiles à la compréhension du reste de la thèse. On décrit en particulier comment l'étude l'équation de conductivité fait naturellement intervenir l'opérateur de Poincaré-Neumann dont le spectre encode les rapports de permittivité qui permettent l'existence des plasmons de surface. On présente une formulation intégrale et une formulation variationnelle de l'opérateur de Poincaré-Neumann et le lien qui existe entre ces deux formulations. Le second chapitre de ce manuscrit s'intéresse au caractère bien posé de l'équation de conductivité lorsque la permittivité change de signe. En utilisant des méthodes d'équations intégrales on propose une condition suffisante pour que ce problème soit bien posé. Dans le troisième chapitre de cette thèse, on se concentre sur le calcul numérique du spectre de l'opérateur de Poincaré-Neumann à l'aide des méthodes d'éléments finis. On s'intéresse à la convergence des valeurs propres calculées numériquement vers les valeurs propres théoriques. Dans le dernier chapitre, on étudie le problème de transmission des ondes électromagnétiques dans une couche métallique de permittivité négative sous l'angle des fonctions de Green. En particulier on s'intéresse au comportement de la fonction de Green pour ce problème lorsque l'épaisseur de la couche métallique tend vers zéro. / In this thesis, we study the behaviour of electromagnetic waves when interacting with a negative material. Such a material has a negative electric permittivity and/or magnetic permeability. Here we only focus on negative permittivity materials. In dimension two, Maxwell's equations in harmonic regime reduce to a couple of scalar, easier to tackle, sub-problems. One of these sub-problems allows surface waves to propagate along the interface between a negative material and a dielectric, which makes it very interesting for the applications. Such surface waves are called surface plasmons. Here, we focus on this sub-problem and more specifically on its main part which is a conductivity equation. Yet, as the permittivity sign changes between the negative material and the dielectric, it is not allowed to use the classical Lax-Milgram framework. In the first chapter, we introduce tools which are useful to understand the rest of this thesis. In particular, we describe how studying conductivity equation leads us to deal with the Poincar{'e}-Neumann operator. The spectrum of this operator encodes permittivity ratios that allow surface plasmons to propagate. We propose both the integral formulation and the variational formulation of this operator, and we explain the link existing in-between. In the second chapter of this thesis, we focus on the well-posedness property of the conductivity equation when permittivity sign changes. Using integral equation methods, we propose a sufficient well-posedness condition for this problem. In the third chapter, we deal with the numerical computation of the Poincaré-Neumann operator spectrum using finite element methods. We are interested in the convergence of numerically computed eigenvalues to the theoretical ones. In the last chapter, we study the electromagnetic wave transmission problem in a metallic layer with a negative permittivity from the Green's function point of view. In particular, we investigate the Green's function behaviour when the metallic layer thickness goes to zero.

Le groupe Montupet est un spécialiste de la conception et de la production de pièces de fonderie en aluminium usinées pour l’automobile. Les moules métalliques utilisés pour la réalisation de culasses automobiles en aluminium sont protégés par un revêtement appelé le poteyage. La principale fonction du revêtement de poteyage est de protéger l’outillage en acier de la corrosion chimique de l’alliage. Du fait de ses propriétés thermiques, une autre fonction du poteyage est la modulation des échanges thermiques entre le moule et la pièce en cours de solidification dont dépend fortement la microstructure finale de l’alliage. Le procédé utilisé aujourd’hui pour l’application du poteyage sur les parois du moule en acier consiste à projeter manuellement une barbotine au moyen d’un pistolet. Ce procédé ne permet pas d’obtenir la répétabilité des caractéristiques des couches déposées nécessaire au contrôle des gradients de solidification locaux. De plus, les outillages actuels souffrent de l’insuffisance de la protection du poteyage, ce qui conduit à une usure prématurée ayant un coût important et conduisant à des diminutions du rendement de l’outil industriel. Dans le cadre du projet PROOF de robotisation de l’étape de poteyage, les objectifs suivants ont été fixés. Il s’agit de mieux définir ce que devraient être les propriétés physicochimiques du poteyage. L’objectif à long terme est de réaliser une rupture technologique par l’application d’un revêtement permanent ou de longue durée de vie. Dans un premier temps, ces travaux présentent une caractérisation complète de la nature physico-chimique des suspensions des poteyages utilisés actuellement ainsi que l’étude de leur comportement en pulvérisation. Dans un second temps, après que des revêtements aient été produits par projection plasma sous air (APS), il est apparu nécessaire de comparer leurs propriétés thermiques à celles des revêtements de poteyage. Des valeurs de diffusivité thermiques ont été mesurées, les valeurs de conductivités thermiques des revêtements étudiés ont ensuite été calculées puis confirmées expérimentalement. La dernière partie de ces travaux s’attache à présenter les outils mis en place en usine afin de tester les revêtements créés par projection plasma et de vérifier leur adéquation (thermique et chimique notamment) avec la coulée de pièces en alliage d’aluminium. Ces essais en conditions réelles ou semi-réelles permettent la comparaison de l’efficacité de tous les revêtements étudiés. / Montupet is specialized in the manufacture of aluminium foundry components for the automotive industry. The metallic molds used for aluminium cylinder heads are protected by a specific coating called die coating. The main objective of this die coating is to protect the steel tool from chemical corrosion of the liquid alloy. Because of its thermal properties, another of its aims is the adjustment of the thermal exchanges between the mold and the solidifying aluminium, which strongly affects the final microstructure of the alloy. The process used nowadays to coat the die coating on the steel mold walls consists in spraying manually a suspension. However, this process does not allow to obtain reproducible characteristics of the coated layers necessary to control the local solidification gradients. Furthermore, the current tools suffer from the inadequate protection of the die coating, which leads to premature wear resulting in important costs and a decrease of the efficiency of the industrial tool. In the frame of the PROOF project, aiming in the automatisation of the die coating projection, several objectives were set: better know what should be the physico-chemical properties of the die coating and realize a technological jump by creating a long-life or even permanent coating. Firstly, this work shows a complete characterization of the physico-chemical state of the suspensions used nowadays as well as the study of their behavior during spraying. Then, once the coatings were produced by Air Plasma Spraying (APS), it appeared necessary to compare their thermal properties to the ones measured on the die coatings. Hence, thermal diffusivity values have been measured. Afterwards thermal conductivity of the studied coatings have been calculated and finally experimentally checked. Eventually, this work shows the tools developed within the company in order to test the plasma coatings and to check their thermal and chemical compatibility to the process of aluminium casting. These trials in real or semi-real conditions allow the efficiency comparison of the whole studied coatings.

L’élévation de la température est l’un des principaux paramètres limitant la puissance nominale des machines électriques. La température atteinte au niveau des bobinages, peut avoir de graves conséquences sur le système d’isolation des enroulements et peut ainsi réduire la durée de vie des machines électriques. Le travail de recherche effectué dans cette thèse s’attache à l’extraction de modèles thermiques simplifiés permettant la prédiction des niveaux d’échauffement. Nous avons alors mis en place une démarche basée sur une méthode numérique (Finite Intgeration Technique) qui permet une identification naturelle des grandeurs du modèle thermique. Cette démarche nécessite d’homogénéiser le bobinage en le remplaçant par un seul matériau homogène équivalent permettant de reproduire le même comportement thermique du cas réel du bobinage. Pour ce faire, plusieurs techniques d’homogénéisation ont été employées. Nous nous sommes également intéressés aux différentes configurations des conducteurs dans l’encoche en vue d’obtenir une meilleure évacuation de la chaleur dans le bobinage des machines électriques. La démarche proposée dans ce travail a pout objectif d’obtenir des modèles thermiques simplifiés qui peuvent être réduit à un seul nœud pour calculer la température du point chaud. La validité des modèles est évaluée par comparaison aux éléments finis en considérant deux formes géométriques de l’encoche : une encoche simple puis une encoche de géométrie plus complexe que l’on retrouve dans une machine à commutation de flux. / The temperature rise is one of the main parameters limiting the power of electrical machine. In fact in the stator windings the temperature rise decreases the performances of its insulation system and it can reduce the life time of the motors and it may even lead to the motor failure. Appropriate models of the windings are necessary to find the hot spot of the machine. The work proposed in this thesis focuses on the extraction of simplified thermal models in order to evaluate the temperature distribution. An approach based on a numerical method (Finite Integration Technique) has been developed allowing the identification of the thermal model parameters. As a first step the homogenization of the winding is necessary to obtain the thermal model of the stator slot which has a complex heterogeneous structure requiring careful modeling. The objective is then to replace the conductors and the resin by one homogenous material that reproduces a similar thermal behavior. Several homogenization techniques are used to determine the effective thermal conductivity of the composite material. We are also interested to study different configurations or distributions of the conductors in the slot to limit heat dissipation in the windings of electrical machines. The second part of this thesis presents a method, based on the Finite Integration Technique (FIT) for the discretization that gives us an equivalent thermal model allowing the evaluation of transient temperature evolutions in the slot with low calculation cost.

L’exploration lunaire représente une part importante de l'activité des agences spatiales nationales. Les scientifiques se sont intéressés aux interactions de la surface lunaire avec le plasma environnant et les appareils envoyés sur place. Les observations ont mis en évidence la présence de régolithe, formant une épaisse couche de poussières à la surface, et il a été constaté que ces particules sont très abrasives et tranchantes. Elles représentent un risque matériel important pour les équipements envoyés sur la Lune et la nécessité de comprendre les origines de leur transport est incontournable pour le bon déroulement des futures missions. Le mouvement de ces poussières peut, entre autres, être issu de phénomènes électrostatiques, particulièrement présents aux frontières ombre/lumière. Les observations d'un nuage de poussières au-dessus de la surface lunaire en sont la preuve. Cependant, les mécanismes à l'origine de ce nuage sont peu connus. Il est donc nécessaire de comprendre les interactions entre les poussières et l'environnement lunaire afin de prévenir la pollution d'appareils se trouvant à la surface. L'objectif de la thèse est de comprendre et de modéliser la charge et le transport électrostatique des poussières aux interfaces ombre/lumière. Le dispositif DROP a été développé afin d'observer le transport électrostatique de poussières et permettre une compréhension physique de cette dynamique. Les tests effectués ont permis de dégager les paramètres les plus importants dans la dynamique des poussières. Ils ont également rendu possible l'adaptation d'un modèle numérique préexistant qui a été contraint afin de le rendre plus représentatif de la situation lunaire. / The lunar exploration represents a major part of all national space agencies activities. The scientists have studied the interactions of the lunar surface with the surrounding plasma but also with equipment sent on the lunar surface. Observations have shown the presence of regolith particles covering the surface of the Moon. This layer of dust grains can be several meters thick and these dust particles are very abrasive and adhesive. They are an important risk for equipment sent on the Moon. Thus, the understanding of the origins of dust grains transport is vital to successfully plan future missions. e lunar dust dynamics can be produced by electrostatic phenomena, especially at boundaries between shadowed and unlit regions. Observations of a dust Cloud above the lunar surface are evidence of this dynamic. However, the mechanisms causing this dust Cloud are unknown. It is thus necessary to understand the interactions between dust grains and the lunar environment in order to prevent the pollution of equipment on the lunar surface. The objective of this PhD thesis is the understanding and the modelling of dust particles charge and electrostatic transport near boundaries between shadow and light. An experimental device has been developed to observe dust grains electrostatic transport and to allow a physical understanding of this dynamic. The tests allowed to highlight the most important parameters in the behavior of dust particles. They also led to the adaptation of a numerical model pre-existing and enabled to constraint the parameters used in the model in order to make it more accurate.

Dans le domaine de la microélectronique de puissance, les progrès de miniaturisation ne cessent de s’accroître. En effet, le nombre de composants par unité de surface a suivie durant de nombreuses années la loi de Moore. Cette évolution implique une augmentation de la densité d’énergie à évacuer sous forme de chaleur, ce qui rend le contrôle de la température de fonctionnement difficile et a pour effet de diminuer la fiabilité des systèmes électroniques.C’est pourquoi, le management thermique des matériaux d’interface thermique est indispensable pour pérenniser le bon fonctionnement des dispositifs de puissance dans leur environnement. L’utilité de ces matériaux est d’améliorer l’évacuation de la chaleur des composants électroniques vers le milieu environnant via un dissipateur thermique (radiateur, fluide caloporteur). Pour tenter de répondre à ces besoins, ce sujet de thèse est basé sur l’utilisation de nanotubes de carbone verticalement alignés, associée à des polymères fonctionnels. Les études se sont portées sur l’ensembledes résistances de contact existantes au sein d’un matériau d’interface thermique, depuis les nanotubes decarbone / Polymère / jusqu’au substrat de cuivre.L’optimisation des interactions est portée sur l’étude de différents polymères ayant la capacité d’engendrer des liaisons covalentes avec les nanotubes de carbone et avec le substrat de cuivre. L’intérêt de ces liaisons covalentes est d’améliorer le transfert de la chaleur via les phonons. Enfin, l’augmentation de la conductivité thermique intrinsèque des polymères est envisagée.Concernant les résultats obtenus, il apparait une nette diminution de chacune des résistances de contact étudiées. Afin de mieux comprendre ces résultats, des études de ces interfaces in-situ ont été réalisées. / With progress in microelectronics, the miniaturization of devices is a current issue and the component density on a device follows Moore’s law. As a consequence the power density reaches levels that challenge device reliability. New heat dissipation strategies are needed to efficiently drain heat.Thermal interface materials (TIMs) are used to transfer heat across interfaces, for example between the device and its packaging. However, to meet microelectronics requirement, commercials TIMs still need to be highly thermally conductive.In order to achieve these requirements, this work is focused on the use of vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) and functional polymers. All thermal contact resistances existing in TIMs, from VACNTs / Polymer / to substrate are studied.Interaction optimizations are based on the study of different polymers which are specially designed to develop covalent bonding with the CNTs sidewalls and/or metallic surface. The interest of these covalent bondings is to improve the thermal transfer by phonons. Finally, the increase of the intrinsic thermal conductivity of the polymer is considered.Regarding the results, a decrease of all thermal contact resistances is shown. In order to have a better understanding of these results, the thermal interfaces obtained are analyzed in situ.

Dans le domaine de l’isolation thermique du bâtiment, les évolutions réglementaires (RT2012)et normatives (NF BPE : Béton à Propriétés Thermiques, septembre 2016) incitent à évoluer vers des bétons isolants et structurels (BIS). La maîtrise de leur conductivité thermique est primordiale. Il est possible, en plus de faire appel à un squelette granulaire léger, de jouer sur la nature de la pâte en utilisant des inclusions qui apporteraient un pouvoir isolant supplémentaire : les cénosphères. Dans un contexte de facilité de mise en oeuvre, à ces propriétés est rajouté le critère auto plaçant des bétons. On parle alors de Bétons Isolants Structurels Autoplaçants (BISAP). La maitrise et la validation de ces nouvelles formules dans le respect d’une approche prescriptive a nécessité la caractérisation des matériaux à différentes échelles (de l’inclusion à l’échelle de l’ouvrage) en développant des approches expérimentales et numériques. Leur comportement à l’état frais et à l’état durci a été analysé. Les conductivités thermiques mesurées placent ces nouveaux bétons dans la catégorie Bétons Isolants Structurels au sens du nouveau référentiel. Le modèle numérique développé permet d’approcher correctement les valeurs expérimentales. D’autre part, la sensibilité des BISAP incorporant des cénosphères à plusieurs indicateurs de durabilité (porosité accessible à l’eau, perméabilité,carbonatation et retrait) a également été étudiée. L’influence des microsphères est plus ou moins notable en fonction du mécanisme abordé. / In the field of building thermal insulation, regulatory (RT2012) and standards (NF BPE: Béton à Propriétés Thermiques, September 2016) evolutions are encouraging the use of insulating structural concrete (BIS). The control of their thermal conductivity is essential. It is possible, in addition to using lightweight aggregates, to modify the composition of the cement paste by using hollow inclusions (fly ash cenospheres) to bring an additional thermal insulating potential. In a context of improved workability, to these properties is added the criterion of self-compacting concrete. The validation of these new formulas required the characterization of materials at different scales (from inclusion scale to building scale) by implementing experimental and numerical approaches. Their properties at fresh and hardened state were analyzed. The measured thermal conductivities place these new concretes in the Category of Structural Insulating Concrete in the sense of the new standard. The developed numerical model allowed approaching the experimental measurements correctly. The effect of cenospheres’ incorporation into cement paste on several durability indicators was also characterized.

Nous avons cherché à fournir une estimation précise de la conductivité électrique des tissus cérébraux humains en clinique, en utilisant une stimulation pulsée locale de faible intensité. Méthodes : À l'aide de l'approximation quasi-statique des équations de Maxwell, nous avons établi un modèle analytique du champ électrique généré par les électrodes intracérébrales stéréotaxiques-EEG (SEEG). Nous avons couplé ce modèle de champ électrique avec un modèle de l'interface électrode-électrolyte pour fournir une expression analytique explicite de la conductivité du tissu cérébral basée sur la réponse enregistrée du tissu cérébral à la stimulation. Résultats: Nous avons validé notre modèle biophysique en utilisant i) des solutions salines calibrées en conductivité électrique,ii) des tissus cérébraux de rat, et iii) des données électrophysiologiques enregistrées en clinique chez sept patients épileptiques au cours de la SEEG. Nous avons trouvé une possible corrélation entre la conductivité et le caractère épileptique du tissu. Conclusion: Cette nouvelle méthode basée sur un modèle offre une estimation rapide et fiable de la conductivité électrique des tissus cérébraux en tenant compte des contributions de l'interface électrode-électrolyte. Signification: Cette méthode surpasse les mesures standard de bioimpédance. L'application pour le diagnostic est envisagée puisque les valeurs de conductivité diffèrent fortement lorsqu'elles sont estimées dans le tissu cérébral sain versus hyperexcitable. / We aimed at providing an accurate estimation of human brain tissue electrical conductivity in clinico, using local, low-intensity pulsed stimulation. Methods: Using the quasi-static approximation of Maxwell equations, we derived an analytical model of the electric field generated by intracerebral stereotactic-EEG (SEEG) electrodes. We coupled this electric field model with a model of the electrode-electrolyte interface to provide an explicit, analytical expression of brain tissue conductivity based on the recorded brain tissue response to pulse stimulation. Results: We validated our biophysical model using: i) saline solutions calibrated in electrical conductivity, ii) rat brain tissue, and iii) electrophysiological data recorded in clinico from two epileptic patients during SEEG. Conclusion: This new model-based method offers a fast and reliable estimation of brain tissue electrical conductivity by accounting for contributions from the electrode-electrolyte interface. Significance: This method outperforms standard bioimpedance measurements since it provides absolute (as opposed to relative) changes in brain tissue conductivity. Application for diagnosis is envisioned since conductivity values strongly differ when estimated in the healthy vs. hyperexcitable brain tissue.