La compréhension et le contrôle de la conductivité thermique des couches minces polycristallines est fondamentale pour améliorer la performance et la fiabilité des dispositifs micro- et optoélectroniques. Toutefois, une description et un contrôle précis de la performance thermique de ces matériaux bidimensionnels restent une tâche difficile en raison de leur anisotropie et structure hétérogène. En effet, les couches minces obtenues par diverses techniques et avec une large gamme de paramètres de dépôt, sont composées de petites cristallites à l'interface avec le substrat, qui coalescent et évoluent vers une structure colonnaire à proximité de la surface extérieure du film. Ces grains,ainsi que d'autres défauts cristallographiques, tels que les impuretés d'oxygène,augmentent les processus de dispersion diffuse des porteurs d'énergie dans les matériaux, ce qui en conséquence, réduit considérablement leur conductivité thermique. La caractérisation thermique expérimentale, la description théorique et la modulation contrôlée des propriétés thermiques de ces matériauxs ont, par conséquent, indispensables.Cette thèse est consacrée à l'étude de la conductivité thermique des couches polycristallines présentant une non-homogénéité structurelle et elle a pour but d'explorer la possibilité de moduler le transfert de chaleur à travers ces structures bidimensionnelles. Le nitrure d'aluminium a été sélectionné pour cette étude du fait de ses propriétés thermiques et piézoélectriques, particulièrement intéressantes pour des nouvelles applications technologiques. Réalisées par pulvérisation cathodique magnétron, des monocouches et multicouches d'AlN hautement texturées sur des substrats de silicium monocristallin ont été obtenues.Leur microstructure et distribution d'orientations cristallographiques le long de la normale à la surface, ont été caractérisées expérimentalement pour déterminer,avec précision, l'évolution de la structure et de la taille des grains.L'impact de l'oxydation locale et l'évolution de la morphologie de grains sur la conductivité thermique transversale a été étudiée par la méthode 3W différentielle.La dispersion diffuse des phonons due aux défauts liés à la présence d'atomes d'oxygène, localisés à l'interface entre deux couches d'AlN, a été étudiée par des mesures thermiques sur la configuration multicouche.Les caractéristiques structurelles des couches polycristallines ont été corrélées avec les propriétés thermiques à partir d'un modèle théorique, qui tient compte de la répartition et de la géométrie des grains, et considère les films comme un ensemble en série de trois zones, composées de grains parallélépipédiques. Les résultats de conductivité thermique obtenus par la mesure des monocouches et multicouches polycristallines d'AlN sont bien prédits par le modèle développé,avec une différence inférieure à 10%. Une description physique détaillée des phénomènes de dispersion diffuse à l'interface avec le substrat, aux joints de grains, et aux défauts liés à l'oxygène, en fonction de l'hétérogénéité structurelle caractéristique, a été réalisée en comparant les résultats expérimentaux aux prédictions théoriques. Enfin, pour explorer la modulation dynamique du transfert de chaleur, l'influence de la déformation du réseau cristallin, causée par des contraintes mécaniques, sur la conductivité thermique des monocouches et multicouches d'AlN, a été étudiée en utilisant une nouvelle approche expérimentale qui couple un système de flexion 4-points avec la méthode 3W. / The understanding and control of the thermal conductivity of nano and microscale polycrystalline thin films is of fundamental importance for enhancing the performance and reliability of micro- and optoelectronic devices. However, the accurate description and control of the thermal performance of these bidimensional materials remain a difficult task due to their anisotropic and heterogeneous structure. Indeed, thin films obtained with a large number of deposition techniques and parameters, are composed of small crystallites at the interface with the substrate, which coalesce and evolve towards a columnar structure near the outer surface. These grains along with various crystallographic defects, such as oxygen impurities, increase the scattering processes of the energy carriers inside the materials, which in turn, reduce significantly their thermal conductivity. Experimental thermal characterization, accurate theoretical description and controlled modulation of the thermal properties of these materials are therefore desirable.This work is devoted to the investigation of the thermal conductivity of nanoscale polycrystalline films and explores the possibility to modulate heat transfer across these low dimensional structures. Because of its great interest in new technological applications, and its outstanding thermal and piezoelectric properties,aluminum nitride (AlN) served as a test material in this study. Highlytextured AlN mono- and multilayers were obtained by reactive radio-frequency magnetron sputtering on single-crystal silicon substrates. The microstructure and distribution of crystallographic orientations along the cross plane were characterized by transmission electron microscopy to accurately determine the grain structure and size evolution. The impact of local oxidation and structural inhomogeneity along the cross plane on the thermal conductivity was investigatedby thickness-dependent measurements performed by the differential 3Wtechnique. The diffusive scattering caused by oxygen-related defects, localized at the interface between two AlN layers, was studied by thermal measurements on the multilayered configuration. Structural features of the polycrystalline films were correlated with their thermal properties using a theoretical model,which takes into account the distribution of the grain geometry and considers the films as a serial assembly of three layers, composed of parallele piped grains.The experimental values of the thermal conductivity of the mono- and multilayerAlN polycrystalline films are well predicted by the developed model, witha deviation of less than 10%. Physical description of scattering phenomena at the interface, grain boundaries, and oxygen related defects, as a function of the characteristic structural heterogeneity, was achieved by comparing the experimental results to the theoretical predictions. It was found that grain mean sizes that evolve along the cross-plane direction, and structural features at the interface and transition domains, are key elements to understand and tailor thermal properties of nanocrystalline films with inhomogeneous structures. The results demonstrate that the structural inhomogeneity and oxygen-related defects in polycrystalline AlN films can be efficiently used to statically tune their cross-plane thermal conductivity. Finally, dynamic modulation of heat transfer bymeans of externally induced elastic strain on mono- and multilayer AlN films was investigated using a novel experimental approach consisting of a 4-pointsbending system coupled to the 3W method.

La thèse est axée sur l'examen de l'effet de la contrainte sur la conductivité thermique des matériaux piézoélectriques. Les matériaux piézoélectriques sont des cristaux qui présentent une déformation mécanique lors de l'application d'un champ électrique. Des exemples de tels systèmes sont ZnO, AlN, et SiO2. En utilisant des simulations de dynamique moléculaire, nous avons calculé la conductivité thermique de cristaux de ZnO et AlN sous contrainte. Nous avons aussi calculé la résistance thermique des interfaces SiO/C et ZnO/C soumis à un champ électrique.Nous commençons par le calcul des propriétés piézoélectriques et élastiques de ZnO. Celles-ci serviront à valider les potentiels interatomiques utilisés, et à montrer l'ampleur de la contrainte qu’il est possible d'appliquer. En utilisant la dynamique moléculaire d'équilibre, nous avons estimé le coefficient élastique c33 de ZnO, qui se trouve être en accord avec les valeurs expérimentales. Il a aussi été déterminé que la limite élastique d'un cristal de ZnO est de 6 GPa, ce qui correspond à une déformation de 6%. Nous avons ensuite établi les coefficients piézoélectriques de ZnO en utilisant la dynamique moléculaire de non-équilibre, et il a été constaté que les coefficients piézoélectriques dij sont en accord avec les valeurs de la littérature.Deuxièmement, nous avons examiné l'effet de la pression sur la conductivité thermique intrinsèque de ZnO et d’AlN. La dynamique moléculaire de non-équilibre inverse a été mise en œuvre pour calculer la conductivité parce que les coûts de calcul sont nettement inférieurs à ceux de la méthode d'équilibre, d’autant plus pour ZnO dont le potentiel inter-atomique contient les interactions Coulombiennes. L'effet de taille sur la conductivité thermique de ZnO et AlN a ensuite été étudié. Nous avons montré que la formule de Schelling peut en effet être mise en œuvre pour les deux cristaux pour différentes valeurs de la contrainte. La conductivité thermique pour un cristal de ZnO de taille infinie est extraite de la formule de Schelling, et elle se révèle être de 410 W/mK. La conductivité thermique de cristaux de ZnO sous contrainte a ensuite été analysée. Nous avons montré que, après correction de l'effet de taille, la conductivité thermique suit une dépendance en loi de puissance à la contrainte uniaxiale. De plus, la conductivité thermique de ZnO est affectée par un champ statique externe en raison de la contrainte induite. La conductivité thermique d'AlN est estimée à 3000 W/mK, l'effet de la contrainte ne modifie pas cette valeur du fait du potentiel inter-atomique utlisé. Par conséquent, AlN n’est pas un matériau pertinent pour faire office de switch thermique.Troisièmement, nous avons exploré l'effet d’un déplacement piézoélectrique sur la conductance thermique d’interface de Si2O/graphène et ZnO/graphène. Utilisant la dynamique moléculaire d’équilibre, la conductivité thermique d'un super-réseau dont la période est composée de silice et de graphène polyfeuillet. Le super-réseau a été évalué pour différentes valeurs du champ électrique externe. Nous avons constaté que l'application d'un champ électrique de 20 MV/m positif parallèle à la direction hors-plan du super-réseau conduit à la réduction de la conductivité thermique d'un facteur deux. D'autre part, aucun changement dans la conductance thermique n’est noté pour le super-réseau ZnO/graphène. Cette différence est due aux différences de déformations induites au niveau des interfaces dans le super-réseau. L'effet est recréé dans un super-réseau Si/Ge en appliquant une déformation pour former les interfaces. Cette approche crée une déformation non uniforme qui est susceptible de diffuser les phonons. / The thesis is focused on investigating the effect of strain on the thermal conductivity of piezoelectric materials. Piezoelectric materials are crystals which display a mechanical deformation upon application of an electric field. Examples of such material are ZnO, AlN, and SiO2. Using Molecular Dynamics simulations, we calculate the thermal conductivity of unstrained and strained ZnO and AlN crystals. We also calculate the thermal resistance of SiO/graphene interfaces under strain.We calculate the piezoelectric and elastic properties of ZnO. These will serve as confirmation of the correctness of the inter-atomic potential used, and will serve to show the magnitude of strain that is possible to apply. Using non-equilibrium molecular dynamics, we determine the elastic coefficient of ZnO c33, and we see that it agrees with experimental values. We also determine that the elastic limit of a perfect ZnO crystal is 6 GPa which corresponds to a 6% strain. We also determine the piezoelectric coefficient of ZnO using NEMD, and we find that the piezoelectric coefficient d33 also agrees with literature values.Second, we look at the effect of strain on the intrinsic thermal conductivity of ZnO and AlN. We use reverse non-equilibrium molecular dynamics to calculate the conductivity because the computational costs are significantly lower than those for the equilibrium method; especially for ZnO whose inter-atomic potential contains Coulomb interaction. We also study the size-effect on the thermal conductivity of ZnO and AlN. We show that the Schelling formula can indeed be implemented to both crystals for different values of strain. The infinite length thermal conductivity for ZnO is extracted from the formula, and it is found to be 410 W/mK. We then calculate the thermal conductivity of strained ZnO crystals. We show that after correcting for the size effect the thermal conductivity follows power-law dependence to uniaxial strain. Also, we demonstrate that the thermal conductivity of ZnO can be affected by a static external field due to the induced strain. The infinite length thermal conductivity of AlN is found to be 3000 W/mK. We show that for the case of AlN the effect of strain does not affect the thermal conductivity due to the different inter-atomic bonding. Hence, AlN might not be a useful material for piezothermal application.Third, we explore the effect of piezoelectric strain on the thermal conductance of SiO2/graphene and ZnO/graphene superlattices. Using EMD we calculate the thermal conductivity of a superlattice composed of silica and graphene monolayers. The thermal conductance of the superlattice was evaluated under different values of external electric field. We find that applying a positive electric field parallel to the Z-direction leads to reduction of the thermal conductance by a factor of 2 for an electric field of 20 MV/m. On the other hand, no change in the thermal conductance is noted for ZnO/graphene superlattice. The effect is due to the non-uniform strain induced at the superlattice junctions. The effect is recreated in Si/Ge superlattice by mechanically applying a non-uniform strain at the interface. This approach might be responsible for the scattering of phonons.

L'équation de la chaleur est un phénomène macroscopique, émergeant après une limite d’échelle diffusive (en espace et en temps) d’un système d'oscillateurs couplés. Lorsque les interactions entre oscillateurs sont linéaires, l'énergie évolue de manière balistique, et la conductivité thermique est infinie. Certaines non-linéarités doivent donc apparaître au niveau microscopique, si l’on espère observer une diffusion normale. Pour apporter de l'ergodicité, on ajoute à la dynamique déterministe une perturbation stochastique qui conserve l'énergie. En premier lieu nous étudions la dynamique Hamiltonienne d'un système d'oscillateurs linéaires, perturbé par un bruit stochastique dégénéré conservatif. Ce dernier transforme à des temps aléatoires les vitesses en leurs opposées. On montre que l'évolution macroscopique du système est caractérisée par un système parabolique non-linéaire couplé pour les deux lois de conservation du modèle. Ensuite, nous supposons que les oscillateurs évoluent en environnement aléatoire. La perturbation stochastique est très dégénérée, et on prouve que le champ de fluctuations de l'énergie à l'équilibre converge vers un processus d'Ornstein-Uhlenbeck généralisé dirigé par l’équation de la chaleur.Il est désormais connu que les systèmes unidimensionnels présentent une diffusion anormale lorsque le moment total est conservé en plus de l'énergie. Dans une troisième partie, on considère deux perturbations, l'une préservant le moment, l'autre détruisant cette conservation. En faisant décroître l'intensité de la seconde perturbation, on observe une transition de phase entre un régime de diffusion normale et un régime de superdiffusion. / The heat equation is known to be a macroscopic phenomenon, emerging after a diffusive rescaling of space and time. In linear systems of interacting oscillators, the energy ballistically disperses and the thermal conductivity is infinite. Since the Fourier law is not valid for linear interactions, non-linearities in the microscopic dynamics are needed. In order to bring ergodicity to the system, we superpose a stochastic energy conserving perturbation to the underlying deterministic dynamics.In the first part we study the Hamiltonian dynamics of linear coupled oscillators, which are perturbed by a degenerate conservative stochastic noise. The latter flips the sign of the velocities at random times. The evolution yields two conservation laws (the energy and the length of the chain), and the macroscopic behavior is given by a non-linear parabolic system.Then, we suppose the harmonic oscillators to evolve in a random environment, in addition to be stochastically perturbed. The noise is very degenerate, and we prove a macroscopic behavior that holds at equilibrium: precisely, energy fluctuations at equilibrium evolve according to an infinite dimensional Ornstein-Uhlenbeck process driven by the linearized heat equation.Finally, anomalous behaviors have been observed for one-dimensional systems which preserve momentum in addition to the energy. In the third part, we consider two different perturbations, the first one preserving the momentum, and the second one destroying that new conservation law. When the intensity of the second noise is decreasing, we observe (in a suitable time scale) a phase transition between a regime of normal diffusion and a regime of super-diffusion.

L’objectif de ces travaux consiste à développer de nouvelles briques de terre cuite à base d’agents porogènes biosourcés dans le but d’obtenir des matériaux à haute performance thermique. Les matières premières, argile et biomasse, ont d’abord été caractérisées de manière individuelle. L’utilisation de co-produits agricoles (paille de blé, tourteau de tournesol et farine de noyaux d’olive) en tant qu’agents porogènes pour l’obtention de briques de terre cuite porosées a ensuite été étudiée. L’intérêt d’ajouter des éléments biosourcés entraînant une augmentation de la porosité, une augmentation de la résistance thermique malgré une diminution des propriétés mécaniques a alors été démontré. Toutefois, des problèmes de plasticité causant des soucis de mise en forme au niveau des échantillons ont été identifiés. Après avoir optimisé le taux de sable, l’impact de la granulométrie des matières végétales ainsi que leur taux d’incorporation ont été évalués. Une porosité maximale de 34,4 %, constituée de macropores, a été obtenue dans les conditions expérimentales optimales conduisant à une conductivité thermique de 0,45 W/m.K, soit une diminution de 15 % par rapport à un échantillon de référence sans matière végétale. Afin de continuer à améliorer les propriétés du matériau argileux obtenu, il a ensuite été envisagé de créer une microporosité en modifiant chimiquement les matières végétales qui seraient ensuite dégradées lors de la cuisson. Pour cela, les matières végétales ont été modifiées soit par imprégnation directe de carbonates soit par greffage de nouvelles fonctions carbonates ou esters. Les matières ainsi modifiées ont ensuite été incorporées dans les formulation de terre cuite et les propriétés des matériaux obtenus ont été mesurées (physiques, mécanique et thermique). Enfin, l’impact environnemental potentiel des échantillons contenant des additifs modifiés a été étudié à travers une Analyse de Cycle de Vie. Les différents scénarios, simples (avec un seul agent porogène) ou combinés (avec un agent végétal et un agent de synthèse) ont été comparés avec la méthode ReCiPe. Les étapes présentant les impacts les plus importants ont été mises en exergue. Il a également été démontré que le choix de l’unité fonctionnelle pouvait modifier radicalement les conclusions de l’étude. / The objective of this work is to develop new clay bricks with biobased pore-forming agents in order to obtain materials with high thermal performance. The raw materials, clay and biomass, were first characterized individually. The use of agricultural by-products (wheat straw, sunflower seed cake and olive stone flour) as pore-forming agents for the production of porous clay bricks was then studied. The benefits of the addition of biobased components that increase the porosity and the thermal resistance was demonstrated even if it results in a decrease of mechanical properties. However, problems of plasticity causing trouble during the extrusion of samples were identified. After optimizing the sand rate, the impact of the particle size of the biomass and the rate of incorporation were assessed. A maximum porosity of 34.4%, made up of macropores was obtained under optimal experimental conditions, leading to a thermal conductivity of 0.45 W/m.K, representing a decrease of 15 % compared to the reference brick without additive. In order to improve the properties of the resulting material, it was considered to create microporosity, thanks to the chemical modification of the vegetable materials that will be degraded during the firing process. For this, the agricultural by-products were modified either by direct impregnation of carbonates or by grafting of new chemical moieties (carbonate or ester). These modified matters were then incorporated into the clay formulation and the properties of the obtained bricks were measured (physical, mechanical and thermal ones). Finally, the potential environmental impact of the modified samples containing additives was studied through a Life Cycle Assessment. Different scenarios, simple (with one pore-forming agent) or combined (with a crude vegetable agent and a synthesized one) were compared with the ReCiPe method. The steps from the process with the most significant impacts were highlighted. It was also shown that the choice of the functional unit could radically alter the conclusions of the study.

L’utilisation des matériaux à faibles impacts environnementaux devient essentielle dans le secteur du bâtiment à cause de sa forte consommation d’énergie et de ressources naturelles. Cette thèse porte sur les isolants bio-sourcés et spécialement les laines de chanvres possédant des propriétés thermiques et hydriques intéressantes. La laine de chanvre, étant composée essentiellement de fibres végétales, constitue un matériau fibreux anisotrope et fortement poreux, et possède à l’échelle microscopique une structure complexe et aléatoire. D’où l’intérêt de décrire précisément la morphologie de ce type de laine et de caractériser sa structure par analyse d’images tomographiques à rayons X et des images MEB. Puis nous avons mis en place un modèle macroscopique couplé de transfert de chaleur et de masse, permettant de comprendre le comportement thermohydrique de ces laines en utilisant la méthode de changement d’échelle par prise de moyenne. Pour prendre en compte la complexité géométrique de la microstructure nous avons eu recours à un double changement d’échelle. / The use of low environmental impact materials becomes essential in the construction industry due to its high consumption of energy and natural resources. In this thesis it was focused on the bio-based and especially wool hemp insulation with interesting thermal and water properties. Hemp wool, being composed substantially of plant fibers, is an anisotropic, fibrous and highly porous material. At the microscopic level it possesses a complex and random structure, hence the interest of an accurate description to the morphology of this type of wool and to characterize its structure analysis by X-ray tomographic images and SEM images. Then a macroscopic model of coupled heat transfer and mass transport is set up to understand the behavior of these wools using the scaling method average gain. To take into account the geometric complexity of the microstructure a double change of scale was used.

La Synthèse Fischer-Tropsch (SFT) est une technologie clé pour transformer le gaz de synthèse (CO + 2H2) en hydrocarbures liquides, matières premières pour la chimie de base. Il s'avère que les catalyseurs à base de cobalt sont les plus performants et leur développement dans l'industrie impose au matériau support de posséder une conductivité thermique élevée et une structure ouverte. Dans ce travail, un nouveau support hiérarchisé constituée deα -Al2O3, recouvert homogènement de nanotubes de carbone, a été préparé pour supporter des catalyseurs au cobalt. Ces derniers montrent une très grande sélectivité en hydrocarbures liquides ainsi que de meilleures activités catalytiques. Les performances obtenus ont pu être améliorées en déposant une fine couche de TiO2 sur la surface des nanotubes de carbone, améliorant considérablement la dispersion du cobalt et l'activité. Le TiO2, également introduit dans la matrice de β-SiC lors de la synthèse, interagit fortement avec les sites actifs de cobalt, conduisant ainsi à sa grande dispersion et à une meilleure activité et stabilité dans la réaction de SFT. Parallèlement, un catalyseur à base de β-SiC de haute porosité, recouvert d'une couche de dioxyde de titane monocristallin a été développé et testé. Un taux spécifique de 1,2 gC5+. gcat -1. h-1 et une sélectivité en C5+ de 86% ont été obtenus. Ces performances sont les plus élevées signalées jusqu'à présent sur des catalyseurs sans cobalt. / The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) is a key technology to transform the synthesis gas (2H2 + CO) into liquid hydrocarbons as the basic chemical feedstock. It can be found that the cobalt active sites supported on the materials with high thermal conductivity, opened structure is necessary to accelerate FTS synthesis process in the development of industry catalysts.In this work, a new hierarchical support consisting of α-Al2O3, which is homogeneously covered by a layer of carbon nanotubes, is successfully prepared to support cobalt catalyst. The supported cobalt catalysts show extremely high selectivity towards liquid hydrocarbons along with the better catalytic activity. The FTS performance obtained on this support can be further improved by coating a thin layer of TiO2 on the CNTs surface which significantly improve the cobalt dispersion and in turn,the FTS activity.The TiO2 is also successfully introduced into the matrix of β-SiC during the synthesis process which strongly interacts with cobalt active sites, leading to high dispersion of cobalt, accounting for the better activity and stability in FTS reaction. In the mean time, a highly activity Fischer-Tropsch catalyst based on single crystalline titanium dioxide coated high porosity β-SiC was also developed. The FT specific rate of 1.2 gC5+·gcat -1·h-1 and a C5+ selectivity of 86 % are obtained,which are among the highest FT performance reported up to now on cobalt noble-free catalyst .

Dans le cadre de la déposition géologique profonde des déchets radioactifs, l'argile de Boom est choisie comme une des formations hôtes potentielles dans le programme belge. Par sa formation géologique, cette argile est considérée comme un matériau isotrope transversal. En effet, l'anisotropie de ses propriétés hydraulique et thermique a été mise en évidence dans plusieurs études. Il apparait maintenant nécessaire de mener une étude complète sur son comportement anisotrope. Sur le plan expérimental, l'anisotropie des propriétés thermo-hydro-mécaniques de l'argile de Boom a été mise en évidence à l'aide des mesures de la conductivité thermique, de la conductivité hydraulique, et du module de cisaillement. Grâce à ces mesures sur des carottes fraichement forées, l'endommagement dû à l'excavation de la galerie a été identifié (dans la zone près de la galerie « Connecting » à Mol, Belgique) et modélisé par un modèle empirique dont la variable d'endommagement est basée sur le volume des macro-pores. Ensuite, l'anisotropie du comportement en condition K0 a été étudiée en analysant le comportement de trois types d'éprouvettes différents (0°, 45° et 90° au plan du litage) pendant et après la re-saturation dans des cellules oedométriques et triaxiales à plusieurs états de contraintes différents. Enfin, le comportement anisotrope en condition triaxiale a été étudié en réalisant des essais triaxiaux sur trois types d'éprouvettes. Au cours de ces essais, les mesures des vitesses d'ondes Vs et Vp ont été également effectuées à l'aide des éléments piézoélectriques encastrés dans deux embases supérieure et inférieure d'une cellule triaxiale. Ces résultats ont permis de déterminer les paramètres de l'élasticité anisotrope. Sur le plan de modélisation, un modèle anisotrope avec huit paramètres anisotropes (cinq paramètres élastiques et trois paramètres plastiques) a été développé, en utilisant la théorie de Bohler (Boehler et Sawczuk, 1977). Ce modèle est basé sur un modèle élasto-plastique isotrope à deux surfaces de charge validé précédemment pour l'argile de Boom (Hong, 2013). La validation de ce modèle anisotrope a été réalisée grâce aux résultats expérimentaux des essais oedométriques et triaxiaux obtenus dans cette étude / In the program of deep geological radioactive waste disposal in Belgium, Boom Clay has been chosen as one of the potential host rocks. Due to the geological stratification, this stiff clay has been regarded as a transverse isotropic material. The anisotropy of its hydraulic and thermal properties was shown in several studies. It seems necessary now to conduct a more in-depth study on the anisotropic behaviour of Boom Clay. In terms of experimental works, the anisotropy of the thermo-hydro-mechanical properties of Boom Clay was evidenced using measurements of thermal conductivity, hydraulic conductivity and small-strain shear modulus. Through these measurements on freshly cored Boom Clay samples, the damage due to excavation of the gallery was identified (in the zone near the Connecting gallery at Mol, Belgium) and modelled using an empirical model in which the damage variable is based on the volume of macro-pores. Afterwards, the anisotropy behaviour under K0 condition was studied by analysing the behaviour of three types of specimens (0°, 45°, and 90° to the bedding plane) during and after the re-saturation in the triaxial and oedometer cells under different stress states. Finally, the anisotropic behaviour under triaxial condition was investigated through several triaxial tests on three types of specimens. During these tests, the velocity measurements of seismic waves Vs et Vp were performed thanks to the bender elements installed in the upper and bottom bases of a triaxial cell. These results were used to determine the parameters of anisotropic elasticity. In terms of modelling works, an anisotropic model with eight anisotropic parameters (fives elastic parameters and three plastic parameters) was developed using the theory of Boehler (Boehler et Sawczuk, 1977). This model is based on an elasto-plastic isotropic model with two yield surfaces elaborated previously for Boom Clay (Hong, 2013). The validation of this anisotropic model was made based on the results obtained from oedometer and triaxial tests performed in this study

Cette thèse de doctorat porte sur le développement d'un banc de mesure pour la caractérisation thermique de la matière. Les techniques et instruments employés pour la mesure des propriétés thermo-physiques sont nombreux, évoluent constamment et font toujours l'objet de nombreuses recherches. Ils sont néanmoins bien souvent adaptés préférentiellement à un état de la matière et à la mesure spécifique d'un paramètre thermique.Le banc développé repose sur la méthode dite 3-omega, qui consiste à observer la réponse thermique fréquentielle d'un matériau soumis à un flux de chaleur harmonique. Cette technique met à profit l'effet thermo-résistif qui accomplit la transduction du domaine thermique vers le domaine électrique. Elle permet alors de mesurer simplement les variations de température en fonction de la fréquence d'excitation donnant ainsi accès aux propriétés thermo-physiques du milieu étudié.Nous montrons que la méthode 3-omega permet effectivement d'une part de mesurer efficacement la conductivité thermique, mais également d'estimer la capacité thermique isobare. De plus, alors qu'elle a été initialement introduite pour la caractérisation des solides, nous élargissons son champ d'application via un dispositif expérimental adapté et un nouveau type de capteur, pour l'étendre aux autres états de la matière, à savoir les liquides et aux gaz. Le capteur proposé est fabriqué à l'aide des techniques de la micro-électronique et basé sur la technologie du silicium, ce qui permet de réduire ses dimensions et offre des perspectives intéressantes en termes de miniaturisation et d'intégration. / This PhD thesis is devoted to the development of a measurement bench for thermal characterization.Nowadays, sensing techniques and instruments dedicated to this propose are numerous and evolve constantly : they still are an important research area. However, each instrument deals preferentially with one state of matter and measure mostly a unique thermal parameter. This measurement bench uses the so-called 3-omega technique, which consists in the measurement the thermal frequency response of a medium subject to an harmonic thermal heat flux. It is based on the thermo-resistive effect that links the thermal domain to the electrical domain. It therefore gives an easy way to measure the thermal variations in function of the frequency and allows the determination of the thermal properties.Initially introduced for solids, we show that this tool can indeed measure the thermal conductivity but also gives access to thermal capacity. Moreover, we expand its field of applications to other states of matter : liquids and gases.The sensor is fabricated using the microelectronics techniques and uses the silicon technology. That allows to reduce its dimensions and offers interesting prospects in terms of miniaturization and integration.

La thermoélectricité est considérée comme une source prometteuse de l'énergie puisqu'elle est capable de convertir directement la chaleur en électricité. Ceci permet de récupérer la chaleur dissipée sans causer de la pollution. Cependant, les options applicatives à grande échelle sont encore en restriction en raison du faible rendement de conversion thermoélectrique. Par conséquent, de nombreux travaux de recherche sont consacrés à l'amélioration de la performance thermoélectrique de différents matériaux, qui est caractérisée par la figure de mérite ZT. Un ZT favorable comprend simultanément un coefficient Seebeck satisfaisant, une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique. Rechercher un matériau approprié avec une meilleure performance thermoélectrique est l'objectif de nos analyses. Avec les techniques de dopage, différents éléments peuvent être ajoutés dans des semi-conducteurs à différentes concentrations. La densité de charge pourrait ainsi être modifiée pour améliorer les propriétés thermoélectriques. En raison des obstacles liés à la synthèse des matériaux, des simulations numériques basées sur différentes méthodes, telles que la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), la dynamique moléculaire (DM), sont ensuite mises en oeuvre pour estimer l'approche d'amélioration la plus prometteuse. Au cours de cette thèse, les propriétés thermoélectriques de plusieurs matériaux sont étudiées pour des applications dans différentes situations, à savoir CsSnI₃ comme un candidat potentiel avec sa haute conductivité électrique, ZnO comme un matériau thermoélectrique transparent, Bi₂Te₃ comme un traditionnel matériau avec d'autres améliorations et la cellulose comme futur semi- conducteur organique. Comme la DFT ne concerne que les propriétés des électrons (coefficient de Seebeck, conductivité électrique, conductivité thermique due aux électrons), la conductivité thermique du réseau n'est pas incluse ici. Par conséquent, DFT avec des déplacements finis et DM sont utilisés comme méthodes complémentaires pour établir la conductivité thermique due aux phonons. De cette façon, cette thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie, des contextes théoriques de DFT sont introduits à partir de l'équation de Schrödinger. Les résultats des simulations DFT classiques sont présentés par la suite. En utilisant des positions atomiques issues de mesures expérimentales, nous avons lancé la relaxation de la structure cristalline pour assurer que chaque atome dans le système est à sa position d'équilibre. Les structures de bande d'énergie électronique sont également calculées pour valider les configurations de calcul (énergie de coupure, conditions de convergence, etc.). Une cartographie complète des valeurs propres dans l'espace réciproque est faite et les propriétés thermoélectriques sont calculées en résolvant les équations de transport de Boltzmann. Dans la deuxième partie, les théories de base des phonons sont mentionnées, suivies des introductions des méthodes en DFT avec des déplacements finis et en DM. Nous avons mis en oeuvre des simulations DM pour étudier l'influence du dopage à l'aluminium sur la conductivité thermique du réseau pour ZnO. Nous avons également utilisé la méthode en DFT avec des déplacements finis pour étudier la variation de la conductivité thermique de l'alliage Bi₂Te₃₋ₓSeₓ. / Thermoelectricity is considered a promising source of energy since it is able to directly convert heat into electricity. This makes it possible to recover dissipated heat without causing pollution. However, large-scale applicative options are still under restriction because of the dim thermoelectric conversion yield. Therefore, numerous research works are dedicated to improving thermoelectric performance of different materials, which is characterized by the dimensionless figure of merit ZT. A favorable ZT includes simultaneously a satisfying Seebeck coefficient, a high electrical conductivity and a low thermal conductivity. To seek a suitable material with a better thermoelectric performance is the objective of our analyses. With doping technics, different elements can be added into semi-conductors within different concentrations. The charge density could be thus modified in order to change thermoelectric properties. Due to hurdles related to materials synthesis, numerical simulations based on different methods, such as density functional theory (DFT), molecular dynamics (MD), are then implemented to estimate the most promising improvement approach. During this thesis, thermoelectric properties of several materials are investigated for applications in different situations, i.e. CsSnI₃ as a potential candidate with its high electronic conductivity, ZnO as a transparent thermoelectric material, Bi₂Te₃ as a traditional material with further improvements and cellulose as future organic semi-conductor. As DFT concerns only properties of electrons (Seebeck coefficient, electric conductivity, thermal conductivity due to electrons), lattice thermal conductivity is not included herein. Therefore, DFT with finite displacement and MD are used as a complementary method to establish thermal conductivity due to phonons. In this way, this thesis is divided into two parts. In the first part, theoretical backgrounds of DFT are introduced starting with Schrödinger equation. Results of classical DFT simulations are presented afterwards. By using atomic positions from experimental measurements, we launched crystal structure relaxation to ensure that every atom in the system is at its equilibrium position. Electronic band structures are also calculated to validate calculation configurations (cutoff energy, convergence conditions, etc.). A full mapping of Eigenvalues in reciprocal space is realized and thermoelectric properties are calculated by solving Boltzmann transport equations. In the second part, basic theories of phonons are mentioned, followed by introductions of DFT with finite displacements and MD methods. We implemented MD simulations to study the influence of aluminum doping on lattice thermal conductivity for ZnO. We also used DFT with finite displacements method to study lattice thermal conductivity variation of Bi₂Te₃₋ₓSeₓ alloy.

Chacun s’accorde à reconnaître aujourd’hui que les activités humaines impactent significativement le climat de la planète. Le secteur de la construction est l’un des principaux responsables de cette situation car c’est le premier consommateur d’énergie et le deuxième émetteur de CO2 dans le monde. Il importe par conséquent de réaliser des bâtiments éco-respectueux, qui consomment peu d’énergie et émettent moins de gaz à effet de serre sur l’ensemble de leur cycle de vie. La présente étude s’intègre alors dans une problématique générale de développement de matériaux de construction innovants à impact environnemental réduit. Nous nous proposons ainsi d’utiliser la balle de riz comme granulat végétal dans une matrice cimentaire. L’objectif du travail est de proposer une méthode de formulation des bétons à bases de granulats végétaux et d’étudier le comportement mécanique et thermique du béton de balle de riz. Les essais de prise réalisés sur de la pâte de ciment pure formulée avec de l’eau issue de l’infusion de la balle de riz ont montré que ces granulats n’ont pas d’effet inhibiteur sur la prise du ciment. Pour confirmer cette hypothèse, une analyse chimique de la balle de riz a été réalisée et les résultats ont montré le taux d’extractibles des balles de riz est quasi nul contrairement à d’autres granulats végétaux tels que le chanvre et le bois. La méthode de formulation proposée consiste à déterminer la compacité du squelette végétal pour un mode de mise en œuvre déterminé, puis à formuler la pâte liante qui va occuper le volume poreux intergranulaire résiduel. La pâte est constituée du liant, de l’eau efficace, des additions et adjuvants éventuels, et de l’air piégé et/ou entrainé. Pour un volume d’air donné (et d’additions), les quantités de ciment et d’eau efficace sont alors ajustées pour atteindre les performances visées, sur la base de la loi de Féret. Cependant, pour ce type de béton, l’important volume d’air entrainé dépend (lui aussi) de la quantité de ciment et d’eau présents dans le mélange, de l’intensité du malaxage et du mode de coulage. Un modèle décrivant le volume d’air résiduel a été alors calibré à partir d’essais réalisés avec les constituants du béton que l’on souhaite fabriquer. Enfin le problème de la formulation est solutionné en recourant à un module d’optimisation numérique. Dans le but de valider le modèle, la méthode de formulation a été appliquée à cinq échantillons dont les résistances visées sont 0,5 ; 1 ; 2 ; 4 et 8 MPa. Les performances obtenues sont assez proches de celles visées. Par ailleurs il a été constaté que le mode de conservation des éprouvettes influe beaucoup sur les résistances mécaniques du matériau. En effet, une cure en condition dessiccation peut faire chuter les résistances mécaniques jusqu’à 60%. Les meilleures résistances obtenues ont été observées sur les éprouvettes conservées à 95 % de HR. Les mesures de la conductivité thermique ont montré que le béton de balle de riz constitue une très bonne alternative à des systèmes plus conventionnels en termes d’isolation thermique. La valeur moyenne de la conductivité thermique du béton de balle de riz varie en fonction du dosage en liant entre 0,070 W/(m.K) et 0,171 W/(m.K). L’évolution de la conductivité thermique en fonction de la masse volumique et du dosage en ciment est linéaire / Everyone agrees today that human activities significantly affect the climate of the planet. The construction sector is one of the main contributors to this situation as it is the largest energy consumer and the second largest CO2 emitter in the world. It is therefore important to build eco-friendly buildings, which consume little energy and emit less greenhouse gases throughout their life cycle. The present study is then integrated into a general problem of development of innovative building materials with reduced environmental impact. We propose to use the rice husk as a vegetable aggregate in a cementitious matrix. The objective of the work is to propose a method for the mix design of concretes based on plant aggregates and to study the mechanical and thermal behavior of rice husk concrete. Setting tests on pure cement paste formulated with water resulting from the infusion of the rice husk showed that these aggregates had no inhibiting effect on the setting of the cement. To confirm this hypothesis, a chemical analysis of the rice husk was carried out and the results showed that the extractable ratio of rice husks is almost zero, unlike other plant aggregates such as hemp and wood. The proposed formulation method consists in determining the packing density of the plant skeleton for a given method of implementation and then in proportioning the binder paste which will occupy the residual intergranular pore volume. The paste is consisted of the binder, the effective water, the possible additions and admixture, and trapped air and/or entrained air. For a given volume of air (and additions), the quantities of cement and effective water are then adjusted to achieve the targeted performances, based on the law of Féret. However, for this type of concrete, the large volume of entrained air also depends on the quantity of cement and water present in the mixture, the intensity of the mixing and the casting mode. A model describing the volume of residual air was then calibrated from tests carried out with the components of the concrete that it is desired to manufacture. Finally, the problem of formulation is solved by using a numerical optimization module. In order to validate the model, the method for the mix design was applied to five samples with a target resistance of 0.5; 1; 2; 4 and 8 MPa. The performances obtained are quite similar to those targeted. In addition, it has been observed that the preservation mode of the specimens has a significant influence on the mechanical strength of the material. Indeed, a cure in desiccation condition can reduce the mechanical resistances up to 60%. The best resistances obtained were observed on the specimens preserved at 95 % RH. Measurements of thermal conductivity have shown that rice husk concrete is a very good alternative to more conventional systems in terms of thermal insulation. The average value of the thermal conductivity of the rice husk concrete varies depending on the binder dosage between 0.070 W/(m.K) and 0.171 W/(m.K). The evolution of the thermal conductivity as a function of the density and the cement dosage is linear