L'objet de la présente étude est d'étudier, de comprendre et de maîtriser les différentes propriétés électriques de contacts électriques constitués de membranes souples en carbone, qui commutent sur des pistes métalliques d'un circuit imprimé. Ces contacts sont de plus en plus utilisés dans l'automobile car ils possèdent des propriétés mécaniques intéressantes vis-à-vis du ressenti de l'utilisateur, tout en permettant une bonne durée de vie. Dans un premier temps, les paramètres électriques et mécaniques de ces contacts sont caractérisés, les phénomènes de commutation sur divers type de charges sont étudiés et l'influence de contaminants et de la corrosion sur la conduction électrique sont examinés. L'évolution des résistances d'isolement en présence d'humidité est quantifiée. Dans un second temps, une approche de fiabilité est réalisée : l'évolution des paramètres électriques et mécaniques de ces contacts est étudiée lorsqu'ils sont soumis à des stress environnementaux, en particulier la chaleur humide. Les principaux modes d'endommagement sont étudiés. Nous montrons en particulier que les défaillances mécaniques proviennent essentiellement du polymère, et les défaillances électriques proviennent plutôt du circuit imprimé. L'influence d'un revêtement doré côté circuit imprimé, pour différentes épaisseurs, est également étudiée. Notre travail se poursuit par une étude un peu plus fondamentale sur les phénomènes de commutation en présence de matériaux en carbone. Au cours de ce travail novateur, les signatures optiques sont examinées lors de la coupure du courant. Un phénomène baptisé « glowing » est mis en évidence ; les limites en courant et en tension entre « glowing » et arcage électrique sont données, et les phénomènes comparés par rapport aux phénomènes de commutation dans les contacts de type métal – métal. L'étude se termine par un bilan synthétique concernant l'utilisation de contacts comprenant une pastille en carbone, avec leurs avantages et leurs limitations. / The purpose of this study is to explore, understand and master the different electrical properties of electrical contacts made of flexible carbon membranes, which switch on metal tracks on a printed circuit board. These contacts are increasingly used in the automobile because they have interesting mechanical properties for the user, while providing a good reliability. At first, the electrical and mechanical parameters of these contacts are characterized, the switching phenomena on various types of loads are studied and the influence of contaminants and corrosion on the electrical conduction is examined. The evolution of insulation resistance in the presence of moisture is quantified. In a second step, an approach to reliability is achieved: the evolution of electrical and mechanical parameters of these contacts is studied when subjected to environmental stresses, especially moist and heat. The main types of damage are considered. We show in particular that mechanical failures come mainly from polymer and electrical failures from the PCB. The influence of a gold-plated printed for different thicknesses system side, is also studied. Our work continues with a slightly more fundamental study on switching phenomena in the presence of carbon materials. In this pioneering work, the optical signatures are discussed at the current break. A phenomenon called "glowing" is highlighted; limits current and voltage between "glowing" and electrical arcing are given, and compared with respect to the phenomena switching phenomena in metal contacts - type metal. The study concludes with a summary review on the use of contacts comprising a carbon pill, with their advantages and limitations.

Depuis quelques années, une révolution est en cours dans l'industrie des semiconducteurs de type III-V. Les composés azotés, comme le GaN et l'AlGaN ont permis l'apparition de nouvelles sources de lumière bleue, blanche et ultra-violette. Les sources blanches, plus particulièrement, possèdent un impressionnant potentiel commercial, car elles permettront de pénétrer l'immense marché de l'éclairage domestique et industriel. On peut déjà observer leur apparition dans l'industrie de l'automobile (éclairage de tableau de bord, phares de jour), de la signalisation routière (feux de circulation), et la téléphonie cellulaire (éclairage arrière des touches et de l'écran). En effet, les diodes électroluminescentes (DELs) blanches, fabriquées à base de GaN démontrent déjà une efficacité énergétique (en lumens/Watt) qui surpasse les technologies traditionnelles comme les ampoules incandescentes et les tubes fluorescents [IEA, 2006]. Cependant, plusieurs problèmes technologiques limitent l'efficacité des DELs, notamment l'expertise dans la fabrication du GaN. Il s'agit d'une technologie ayant une faible maturité notamment en comparaison avec les autres composés III-V à base de GaAs et InP utilisés traditionnellement dans les télécommunications. De plus, l'indice de réfraction élevé du matériau empêche plus de 93% des photons générés de s'échapper du dispositif, diminuant d'autant l'efficacité. Plusieurs méthodes d'optimisation de la luminosité des DELs sont disponibles dans la littérature. Le détachement du substrat et le collage de la diode à l'envers sur un matériau conducteur est une des méthodes exploitées. Ces méthodes, souvent trop dispendieuses à cause de leur complexité, ont néanmoins démontré un grand potentiel d'amélioration de l'efficacité des dispositifs à base de GaN. L'objectif du projet consiste à développer un procédé de fabrication de DELs bleues dans le but d'augmenter considérablement (x 3) l'intensité lumineuse émise par rapport à des approches de fabrication standard et en utilisant des approches de fabrication à faible coût. Ce document présente une revue de littérature du sujet, de ses problématiques, des objectifs de projet en cours et des méthodes à mettre en oeuvre pour les réaliser dans un délai prescrit.

Dans une automobile, les composants électriques sont alimentés par un type de générateur électrique particulier : l’Alternateur. Entraîné par le moteur du véhicule, il lui prélève donc de la puissance mécanique. Dans les périodes de chasse au gramme de CO2 que nous connaissons, la puissance prélevée au moteur doit être minimisée pour ne pas pénaliser sa consommation. Or les besoins électriques du réseau de bord et des systèmes (éclairage, ventilation, servitudes, contrôle moteur, etc.) sont imposés par l’équipement du véhicule. Il est apparu que dans les cas où l’alternateur est fortement sollicité, des pertes de performances peuvent être imputées au circuit d’excitation de la machine. Il comporte deux contacts électriques glissants balai-bague qui ont été incriminés. Du point de vue théorique aucun élément ne permettait d’expliquer les augmentations brutales de résistance de ces contacts, nous avons donc développé une méthode de mesure originale destinée à rechercher des paramètres influents sur leurs variations. Il nous a été impossible de faire une mesure de l’épaisseur film de transfert et d’identifier les quantités de graphite, nature et quantité des oxydes en présence dans le film. Cependant, nous avons estimé la pertinence de l’hypothèse du rôle de l’oxydation et avons surtout pu isoler le rôle du film de transfert dans l’expression des résistances de contact. Nous avons, de plus, mis en évidence la corrélation existant entre les résistances de contact et le coefficient de frottement pour les deux contacts. / The Alternator is an electrical generator especially designed to supply current to the vehicle electrical components. It is powered by the engine and takes off a part of its power. Currently, car makers are more than willing to minimize the power losses of this device in order to save fuel and reduce CO2 emissions, but the electrical need depend only on the vehicle equipment and use. Sometimes when the alternator runs at full load, the performance could be diminished by unpredictable resistance changes in the electrical sliding contacts of the excitation circuit. There was no theory capable of explaining these phenomena. The analysis limits were the impossibility to measure transfer film thickness and to determine the amount of graphite and the nature and volume of oxides into the film. We developed an experimental method adapted to contact resistance and friction measurements with the aim to find influencing parameters. A dedicated software has been created to extract data from these measurements. We appreciated the relevancy of oxidation hypothesis and we added a study on transfer film, gauging its contribution to contact resistance. Moreover we found a significant correlation between contact resistance and friction, meaning that there are some influent hidden parameters between brush and disc/ring.

Les contacts électriques, utilisés dans les contacteurs et les disjoncteurs, sont des composants fortement sollicités dont le comportement influence la durée de vie des appareils. Les pastilles de contacts électriques, en matériaux composites à matrice d'argent, sont actuellement élaborées par des opérations classiques de métallurgie des poudres avant d'être assemblées par soudage sur des supports contacts. Un procédé envisagé pour le remplacement de la méthode classique d'élaboration est celui de la projection dynamique par gaz froid communément appelé cold spray. Dans ce procédé, des particules de poudre sont accélérées au moyen d'une tuyère de Laval avant d'aller s'écraser sur un substrat en formant un dépôt par empilement. L'objectif de ce travail est de démontrer le potentiel de ce procédé pour la réalisation de contacts électriques. La démarche retenue s'appuie sur le triplet élaboration, caractérisation et simulation numérique. La souplesse du procédé cold spray a rendu possible l'élaboration d'une large gamme de microstructures composites en ayant optimisé au préalable la projection de la matrice d'argent. La caractérisation de ces microstructures a été menée à différentes échelles, notamment fine pour quantifier la porosité par microtomographie et très fine pour élucider les mécanismes interfaciaux d'adhésion et de déformation survenant lors de l'impact par microscopie électronique en transmission. Ces investigations poussées sont nécessaires pour comprendre le comportement de la matrice d'argent dans un premier temps. Les dépôts composites font l'objet d'études complémentaires, les données disponibles dans la bibliographie étant rares. D'un point de vue plus macroscopique, les microstructures ont été éprouvées par des moyens d'essais classiques ou développés pour les besoins de cette étude en s'appuyant notamment sur les effets engendrés par une impulsion laser. Parallèlement, des calculs par éléments finis ont permis de mieux comprendre les phénomènes induits par un tir laser et donc, par extension, par un arc électrique. Pour compléter cette démarche, une simulation numérique originale basée sur un modèle d'empilement faisant appel à la morphologie mathématique propose de relier microstructure réelle et microstructure simulée, le but étant de prévoir la morphologie d'une microstructure uniquement à partir de la caractérisation de quelques particules. L'ensemble des résultats obtenus a permis d'identifier les facteurs dont dépendent les propriétés d'un dépôt (granulométrie des poudres, taille de grains,...) et ainsi de choisir des microstructures en vue de la réalisation de contacts électriques. L'endurance de prototypes de contacts fabriqués par cold spray a été déterminée sur banc d'essais de contacteurs industriels. Elle a été montrée comme largement compétitive avec celle des contacts industriels actuels réalisés par métallurgie des poudres classiques.

Dans une automobile, les composants électriques sont alimentés par un type de générateur électrique particulier : l'Alternateur. Entraîné par le moteur du véhicule, il lui prélève donc de la puissance mécanique. Dans les périodes de chasse au gramme de CO2 que nous connaissons, la puissance prélevée au moteur doit être minimisée pour ne pas pénaliser sa consommation. Or les besoins électriques du réseau de bord et des systèmes (éclairage, ventilation, servitudes, contrôle moteur, etc.) sont imposés par l'équipement du véhicule. Il est apparu que dans les cas où l'alternateur est fortement sollicité, des pertes de performances peuvent être imputées au circuit d'excitation de la machine. Il comporte deux contacts électriques glissants balai-bague qui ont été incriminés. Du point de vue théorique aucun élément ne permettait d'expliquer les augmentations brutales de résistance de ces contacts, nous avons donc développé une méthode de mesure originale destinée à rechercher des paramètres influents sur leurs variations. Il nous a été impossible de faire une mesure de l'épaisseur film de transfert et d'identifier les quantités de graphite, nature et quantité des oxydes en présence dans le film. Cependant, nous avons estimé la pertinence de l'hypothèse du rôle de l'oxydation et avons surtout pu isoler le rôle du film de transfert dans l'expression des résistances de contact. Nous avons, de plus, mis en évidence la corrélation existant entre les résistances de contact et le coefficient de frottement pour les deux contacts.

La pompe de gavage ou pompe à carburant est un organe auxiliaire nécessaire au bon fonctionnement d’un véhicule. Elle permet d’acheminer le carburant du réservoir vers les systèmes d’injections du moteur. Cette pompe, constituée d’un moteur électrique entraînant une turbine, permet la mise en mouvement du carburant. Le passage du courant est assuré entre le stator et le rotor par le biais du contact frottant entre deux balais fixes et un collecteur tournant en composite graphite/polymère, immergé en milieu carburant. Ces travaux ont pour but de contribuer à la compréhension de ce contact glissant électrifié immergé. Un tribomètre spécifique a été développé afin de tester différents couples de matériaux balais-collecteur dans des conditions mécaniques, électriques et physico-chimiques variées, tout en mesurant l’usure, l’effort de frottement et la résistance électrique du double contact. De nouvelles nuances de matériaux carbonés s’adaptant aux contraintes chimiques des nouveaux biocarburants présents sur le marché automobile ont été testées et ont mis en évidence différents comportements tribologiques. L’usure observée est principalement due au passage du courant sous forme d’arcs électriques modifiant ainsi la topographie des surfaces. Deux endommagements distincts sont visibles : le cratère et la bosse dont les volumes augmentent avec l’énergie développée par l’arc et sont reliés à la présence subsurfacique de polymère. A partir de ces conclusions expérimentales, un modèle phénoménologique du comportement à l’usure a été proposé. Il permet d’apporter une aide à la compréhension des mécanismes complexes et nombreux, présents dans le frottement des balais et du collecteur. / The fuel pump, an automotive part, is used to transfer the fuel from the tank to the engine injection systems. This pump consists of an electric motor driving a turbine: this induces the fuel flow. The current flow is realized between the stator and the rotor thanks to the friction of two fixed brushes against a slip ring. All elements are made of graphite/polymer composites and are immersed into fuel. The aim of this work is to contribute to the understanding of immersed electrical sliding contacts. A specific tribometer was developed in order to mimic the fuel pump. It allows simultaneous measurement of friction forces, wear and electrical contact resistance for various mechanical, electrical and physicochemical conditions. New carbonaceous materials, specifically designed for new biofuel, exhibited different tribological behaviour. The wear observed is mainly due to the current flow, electrical arcs in particular, which modifies the surface topography. Two kinds of damage were depicted: craters and bumps whose volume increases with the arc-produced energy as a function of the presence of polymer at the vicinity of the surface. Issued from these experimental results, a phenomenological model of the wear behaviour was proposed. It brings new insights into the complex and numerous mechanisms occurring during the friction of the brushes and commutator.

La pompe de gavage ou pompe à carburant est un organe auxiliaire nécessaire au bon fonctionnement d'un véhicule. Elle permet d'acheminer le carburant du réservoir vers les systèmes d'injections du moteur. Cette pompe, constituée d'un moteur électrique entraînant une turbine, permet la mise en mouvement du carburant. Le passage du courant est assuré entre le stator et le rotor par le biais du contact frottant entre deux balais fixes et un collecteur tournant en composite graphite/polymère, immergé en milieu carburant. Ces travaux ont pour but de contribuer à la compréhension de ce contact glissant électrifié immergé. Un tribomètre spécifique a été développé afin de tester différents couples de matériaux balais-collecteur dans des conditions mécaniques, électriques et physico-chimiques variées, tout en mesurant l'usure, l'effort de frottement et la résistance électrique du double contact. De nouvelles nuances de matériaux carbonés s'adaptant aux contraintes chimiques des nouveaux biocarburants présents sur le marché automobile ont été testées et ont mis en évidence différents comportements tribologiques. L'usure observée est principalement due au passage du courant sous forme d'arcs électriques modifiant ainsi la topographie des surfaces. Deux endommagements distincts sont visibles : le cratère et la bosse dont les volumes augmentent avec l'énergie développée par l'arc et sont reliés à la présence subsurfacique de polymère. A partir de ces conclusions expérimentales, un modèle phénoménologique du comportement à l'usure a été proposé. Il permet d'apporter une aide à la compréhension des mécanismes complexes et nombreux, présents dans le frottement des balais et du collecteur.

L’amélioration des procédés de fabrication de matériaux de contacts électriques à base d’argent nécessite de mieux comprendre et maîtriser les mécanismes mis en jeu lors du frittage. Ce travail a pour objectif d’identifier et d’expliquer l’influence des paramètres d’élaboration des composites Ag-C-Ni et Ag-WC sur les mécanismes de frittage et les propriétés finales dans le cas d’un frittage conventionnel et par induction.La démarche expérimentale adoptée a consisté à réaliser en parallèle des essais de frittage conventionnel dans un dilatomètre permettant le suivi en continu de la déformation et dans un dispositif de chauffage par induction permettant d’obtenir des vitesses de chauffage élevées. Un intérêt particulier a d’abord été porté à l’influence de la poudre d’argent (morphologie et taux d’impuretés) afin d’identifier les mécanismes de densification de l’argent pur, avant d’étudier l’influence des poudres de renfort (nature, teneur et taille) sur le frittage des composites.L’analyse des résultats de ces essais de frittage a permis de montrer que des phénomènes de gonflement et de densification sont en compétition lors du chauffage. Nous avons déterminé, d’une part, que le gonflement pendant le frittage est le résultat d’un fluage local sous l’effet de la pression à l’intérieur de la porosité fermée, d’autre part, que celui-ci est influencé par la présence et la nature des renforts qui modifient la morphologie et la répartition de la porosité. Quant à la densification elle est induite par les mécanismes classiques de frittage.Enfin nous avons montré que le chauffage rapide par induction, en ne laissant pas assez de temps aux mécanismes de diffusion à longue distance, permet de favoriser les mécanismes de diffusion à courte distance comme la soudure des particules au détriment des mécanismes de densification liés à une diffusion à longue distance. Dans le cas de l’argent et des composites Ag-C-Ni, le frittage par induction permet donc d’atteindre une bonne consolidation avec un gonflement moindre qu’en frittage conventionnel, et d’obtenir ainsi de meilleures propriétés. / Improving the manufacturing of the silver-based electrical contacts requires a better understanding and control of specific mechanisms involved during sintering. This work aims at identifying and explaining the effect of composition and process parameters on sintering mechanisms and final properties of Ag-C-Ni and Ag-WC composites in conventional and induction sintering.Sintering experiments have been carried out in a conventional way in a dilatometer allowing for a continuous monitoring of deformation and in an induction heating device allowing for high heating rates. In a first step, we focused on silver powder parameters (morphology and impurity content) to identify the densification mechanisms involved during pure silver sintering. We then studied the effect of reinforcement powders (nature, amount and size) on the sintering of composites.The results of these experiments showed that swelling and densification phenomena are competing during heating. We have determined, on one hand, that the swelling observed during heating originates from the local creep induced by the pressure inside the closed porosity and, on the other hand, that this swelling is influenced by the presence and the nature of the reinforcements, which modify the morphology and distribution of pores. Meanwhile densification is induced by classical sintering mechanisms.Finally we have shown that fast induction heating does not allow enough time for long-distance diffusion mechanisms and thus favors short-distance diffusion mechanisms, in particular interparticle bonding, in comparison with densification and swelling mechanisms, which are associated to long-distance diffusion. In the case of pure silver and Ag-C-Ni composites, induction sintering therefore enables good consolidation with less swelling than conventional sintering, resulting in better final properties.

Dans les applications automobiles et dans d'autres domaines (énergie, aviation, etc), le nombre d'appareils électroniques a augmenté de façon significative au cours des dernières décennies. La sécurité des systèmes et des personnes repose sur la qualité de connecteurs électriques. Toutefois, soumis à des vibrations (moteur de la voiture, de l'environnement) des microdéplacements sont induits à l’interface. La problématique du contact électrique est principalement liée à l'altération de la conduction de faible courant (5mA) dans les interfaces soumises à des contraintes mécaniques de glissement répétitifs engendrant un phénomène bien connu de fretting par l’usure. La sollicitation de fretting usure apparait comme un processus de dégradation très pénalisant. Outre la détérioration des surfaces, ce processus conduit à une augmentation de la résistance électrique des contacts et à une possible perte du signal électrique. Ceci est particulièrement le cas pour les connecteurs bas niveau très sensibles aux fluctuations de la résistance électrique. Pour remédier à cela, les acteurs de la connectique développent de nouveaux dépôts pour limiter l’utilisation de dépôts nobles tels que l’or. Les objectifs de cette thèse sont d’établir une "table d’utilisation" des revêtements en fonction de sollicitations précises et de mettre en place une méthodologie dans le choix des dépôts en vue d’optimiser la durée de vie des connecteurs. L’étude aborde différents aspects tels que les influences des conditions de chargements mécaniques, des épaisseurs de dépôts, du type de dépôt (noble, non noble, dopé), de l’amplitude de débattement (micro-déplacement et grand déplacement) et la formalisation de l’endurance électrique (loi puissance et approche énergétique). / In automotive applications and in other areas (energy, aviation, etc.), the number of electronic devices has increased significantly in recent last decades. Systems and people securities are based on the quality of electrical connectors. However, submitted to vibrations (car engine, environment) micro-displacements are induced at the interface. The problem of electrical contact is mainly due to the impairment of low current conduction (5mA) in interfaces subjected to repetitive sliding displacement generating a well-known fretting wear phenomenon. Fretting wear solicitation appears as a process of very detrimental degradation. Besides surface deterioration, this process leads an increase of the electrical contact resistance and a possible loss of the electrical signal. This is particularly the case of the low level connectors which are very sensitive to electrical contact fluctuations. To remedy, connections actors develop new deposits to limit the use of noble ones such as gold. The objectives of this thesis are to establish a "table of use" coatings based on specific solicitations and define a methodology for the selection of deposits to optimize the lifetime connectors. The study covers different aspects such as the mechanical loading conditions influence, the thickness deposits influence, the type of deposit (noble, non-noble, doped), the displacement amplitude (microdisplacement and large displacement) and the electrical endurance formalization (energetic approach and power law).