Le manuscrit porte sur l'élaboration de couches minces ayant des propriétés barrières aux liquides, aux gaz et aux ultra-violets. Pour réaliser nos différents systèmes, la technologie plasma à décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique (DBD) a été utilisée. Dans la première partie, des films polymère plasma à base de 1H, 1H, 2H, 2H, Perfluorodecyl acrylate ont été développé. En fonction des paramètres plasma une surface dîtes superhydrophobe en une étape a été obtenue grâce à l'obtention d'un film composé de nanoparticules fluorés. La seconde partie des travaux a consisté à développer des films barrières aux gaz à partir de l'hexamethyldisiloxane. Ainsi, des films minces SiOx et multicouches SiOxHyCz/SiOx ont pu être obtenue afin d'améliorer les performances barrières de substrat PET et PEN. Enfin, l'obtention de film barrière aux UV a consisté à une croissance in-situ de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) à partir du film polymère plasma. La matrice polymère constitué d'une structure siloxane et aminée plasma joue le rôle de nano-réacteur pour la croissance de cristaux de TiO2.

No description available.

No description available.

Ce travail de thèse porte sur le développement de nouvelles couches minces nanocomposites par plasma froid à la pression atmosphérique. L'objectif principal est d'améliorer la compréhension des mécanismes physico-chimiques régissant ce procédé de synthèse. La stratégie adoptée est basée sur l'injection via un aérosol d'une suspension colloïdale de nanoparticules d'oxyde métallique dans une décharge à barrière diélectrique opérant en atmosphère d'azote (décharge de Townsend). Dans un premier temps, la synthèse est réalisée de manière séquentielle, la fabrication d'une matrice inorganique de silice (SiO2) étant séparée du dépôt des nanoparticules (TiO2). Ensuite, les couches nanocomposites sont obtenues par un procédé en une seule étape à travers l'injection simultanée dans la décharge des nanoparticules et d'un précurseur polymérisable organosiliciée (HMDSO). Les travaux présentés dans ce manuscrit se divisent en quatre grandes parties : tout d'abord le procédé de fabrication des nanoparticules est présenté, et une étude de leur dispersion dans divers solvants chimiques est réalisée. Puis la deuxième partie s'intéresse à l'étape de nébulisation de la suspension colloïdale, à l'analyse des distributions de taille des objets injectés et à l'étude de leur transport sans plasma. En particulier, une étude de l'influence des principales forces agissant sur leur transport est réalisée. Ces résultats permettent ensuite d'évaluer l'impact de la décharge sur le transport, et sur la réalisation des couches minces nanocomposites. Finalement, l'analyse des propriétés obtenues pour ces couches minces sur des substrats de bois est présentée dans une dernière partie. / This PhD work is focused on the development of a new generation of nanocomposite thin films using cold plasma at atmospheric pressure. The main objective is to improve the understanding of the mechanisms involved in this process.The strategy is based on the injection of a metal oxide nanoparticles suspension in a dielectric barrier discharge operating in nitrogen (Townsend discharge). At first, the nanocomposite thin film is deposited sequentially: the fabrication of the inorganic matrix of silica (SiO2) is separated from the collection of the nanoparticles (TiO2). Then, the nanocomposite layers are obtained by a one-step process using a direct injection inside the discharge of nanoparticles dispersed in a polymerizable organosilicon precursor (HMDSO). This manuscript is divided into four major parts: first, the synthesis of the nanoparticles and the study of their dispersion in different solvents are presented. Then, in the second part we focus on the atomization of the colloidal suspension, on the analysis of the size distributions of the injected objects and on the study of their transport towards the discharge area. These results are then used to assess the influence of the discharge on the transport and the quality of deposited nanocomposite thin films. Finally, the thin films properties are investigated when depositing on wood substrates.

Les Composés Organiques Volatils (COV), émis dans l'atmosphère sous différentes formes par les activités industrielles, sont considérés comme des polluants principaux de l'air. Pour le traitement des forts débits de gaz faiblement concentrés en COV, caractéristiques des principales sources de COV industriels, il n'existe que très peu de procédés adaptés et efficaces d'où le plasma non thermique. Sa faible consommation d'énergie et sa grande compacité font du traitement par plasma non-thermique un candidat prometteur. Ma thèse consiste à élaborer et étudier un dispositif de traitement des COV basé sur l'utilisation de décharges à barrière diélectrique de surface, décharges ayant la caractéristique de produire un vent électrique dirigé. Pour ce faire, nous avons conçu et optimisé une pompe plasma chimiquement active, composée d'un assemblage de cellules à surfaces actives, capable d'aspirer et de traiter simultanément de l'air pollué en COV. Il a fallu d'abord travailler sur l'optimisation paramétrique : électrique, géométrique et matériaux, d'une surface active élémentaire. Puis concevoir un canal actif constitué de deux surfaces actives optimales placées en vis-à-vis, pour finalement aboutir à la construction d'une pompe plasma prototype ayant un débit de pompage de 10 Nm3/h. Cette pompe originale par sa capacité de traitement chimique, constitue le prototype d'étude physique et chimique de cette thèse. Elle a permis d'effectuer des essais d'élimination de 5 COV différents injectés dans l'air : acétone, méthyl-éthyle cétone, butyraldéhyde, méthyl-valérate, méthyl-butyrate et d'en évaluer les taux d'abattement respectifs, mais aussi, d'identifier à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse, les principaux sous-produits de la dégradation. / The Volatile Organic Compounds (VOC) emitted in the atmosphere by various forms is considered as principal atmospheric pollutant. In order to treat a high flow of gaz with a low concentration, few efficient methods exist like the non-thermal plasma. Its low power consumption and compactness make the non-thermal plasma treatment a promising candidate. My thesis deals with the development and study of a VOC treatment device based on the surface dielectric barrier discharges which have the characteristic of producing an oriented electric wind. To do this, we have designed and optimized a chemically active plasma pump, composed of an assembly of active surfaces, capable of drawing and treating simultaneously the air polluted in VOC. At first, we had to work on the optimization of the following parameters: electrical, geometric and material of an elementary active surface. And then conceive an active channel consisting of two optimal active surfaces disposed in a mirror effect, eventually leading to the construction of a prototype plasma pump having a flow rate approximately equal to 10 Nm3/h. This original pump by its capacity of chemical treatment consists on the physical and chemical prototype of the thesis. It allowed testing the conversion of 5 different VOCs injected into air which are: ketone, methyl ethyl ketone, butyraldehyde, methyl penatanoate, methyl butyrate and evaluate the respective abatement rates, but also identifying the main by-products of degradation, using the gas chromatography coupled to the mass spectrometry.

Cette thèse est effectuée dans le cadre du projet Européen "PlasmAero" dont le but est de développer et d'étudier des actionneurs plasmas, et de démontrer leur capacité à contrôler des écoulements aérodynamiques. L'actionneur plasma à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) de surface est un moyen innovant pour contrôler un écoulement en utilisant le vent électrique induit par la force électrohydrodynamique (EHD) générée au sein du gaz ionisé. Une première partie est dédiée à l'étude des actionneurs plasmas. L'influence de la géométrie de l'électrode active d'une DBD est précisée par des mesures électriques, optiques et mécaniques. Les régimes de la décharge de surface peuvent être totalement modifiés, tout commel'évolution de la force EHD en fonction du temps, calculée ici par bilan intégral. Une géométrie optimisée permet de supprimer le régime de décharge streamer et d'augmenter l'efficacité de l'actionneur de 0,65 à 0,97 mN/W. De plus, des configurations à multi-électrodes (sliding discharge et multi-DBD) sont étudiées et développées. Une multi-DBD à potentiels alternés a permis d'obtenir un vent électrique record de 10,5 m/s.L'étude du contrôle d'un écoulement décollé à mi-corde ou en bord de fuite sur l'extrados d'un profil NACA 0015 fait l'objet de la seconde partie de la thèse. Une DBD standard à deux électrodes, une multi-DBD à six électrodes et une DBD de type "nanoseconde" sont utilisées pour agir sur une séparation à des nombres de Reynolds atteignant 1,3μ106, avec une transition naturelle ou déclenchée. Les résultats démontrent que le contrôle permet de repousser efficacement la séparation, améliorant ainsi les performances aérodynamiques du profil. / This work is conducted in the framework of the European PlasmAero project that aims to demonstrate how plasma actuators can be used to control aircraft aerodynamic. Surface Dielectric Barrier Discharge (DBD) is an innovative solution to control a flow with the electric wind induced by the electrohydrodynamic (EHD) force produced by a surface discharge. A first part is dedicated to plasma actuators study. The exposed electrode shape of a DBD actuator is investigated by electrical, optical and mechanical characterization. Discharges properties and EHD force evolution is fully dependent of exposed electrode shape. With an optimized active electrode shape, streamer discharge is cancelled while actuator effectiveness is increased from 0.65 to 0.97 mN/W. Flow field induced by multiple electrode design is also investigated. An innovative multi-DBD design is proposed. Inhibition of mutual interaction between successive DBD actuators and exposed electrode shape optimization conduct to an electric wind velocity of 10.5 m/s. In a second part, the control of boundary layer separation on a NACA 0015 airfoil is investigated. An ac DBD, a multi-DBD and a nanosecond DBD are used to manipulate separation at a Reynolds number Re = 1.3μ106, with tripped and natural boundary layer. Results show that actuators can effectively remove the separation existing without actuation.

Dans le cadre de cette thèse, des Décharges à Barrières Diélectrique (DBD) pulsées de volume et de surface ont été étudiées expérimentalement, dans le but de les appliquer respectivement à la précipitation électrostatique de particules submicroniques et à la régénération de surface.La caractérisation des DBD pulsées a consisté à effectuer des mesures électriques (courant, énergie) et optiques (imagerie ICCD), afin d'observer l'influence des paramètres électriques et géométriques, ainsi que des matériaux utilisés, sur les propriétés de la décharge. Il en ressort que pour les deux types de DBD (surface et volume), le courant présente deux pics durant les fronts montant et descendant du pulse de tension, et que les deux décharges ont des aspects différents (filamentaire ou diffus).Concernant la précipitation électrostatique, l'efficacité de collecte des électrofiltres a été déterminée par des mesures granulométriques. Les résultats montrent que celle-ci est influencée par les paramètres électriques et géométriques des électrofiltres. Une caractérisation des phénomènes EHD au sein des électrofiltres par métrologie optique (LDV et PIV) a été effectuée afin de comprendre les mécanismes de charge et de dérive des particules.Ensuite, la régénération de surface a été étudiée en analysant les images de la surface polluée, avant et après le traitement. Les résultats révèlent que les performances de la régénération sont influencées par les paramètres électriques, géométriques et les matériaux des réacteurs DBD. Les mécanismes de la régénération ont été analysés en relevant l'évolution de la taille et la concentration des particules générées lors du processus de régénération. / As part of this thesis, volume and surface pulsed Dielectric Barrier Discharges (DBD) were investigated experimentally for applications in the electrostatic precipitation of submicron particles and surface regeneration, respectively. First, the characterization of pulsed DBDs consisted of performing electrical measurements (current, power) and optical measurements (ICCD imaging) in order to observe the influence of electrical and geometrical parameters as well as materials on the properties of the discharge. It is demonstrated that for both types of DBD (surface and volume), the current has two peaks during the rising and falling times of the voltage pulse, corresponding to distinct streamer and glow discharge regimes, respectively.Next, the collection efficiency of electrostatic precipitation (ESP) was determined by granulometric measurements. The results show that the efficiency is influenced by the electrical and geometrical parameters of the precipitator. A characterization of EFD phenomena was performed inside the precipitator by optical metrology (LDV and PIV) to understand the mechanisms of charge and particle drift. Finally, surface regeneration was investigated by analyzing images of the contaminated surface, before and after treatment. The results reveal that the regeneration process is influenced by electrical and geometrical parameters and DBD reactor materials. The mechanisms of regeneration were analyzed in-situ by measuring changes in the size and concentration of the generated particles during the process of regeneration.

Thèse en cotutelle / L'objectif de cette thèse est de réaliser une étude fondamentale de pointe du couplage d'injections pulsées d'aérosols avec une décharge à barrière diélectrique (DBD) à la pression atmosphérique pour le dépôt de films minces (multi)fonctionnels. Dans ce contexte, à partir de mesures électriques et spectroscopiques de la DBD, couplées à la simulation de l’écoulement gazeux, nous avons d'abord étudié la perturbation d'une injection pulsée de gaz sur la stabilité de la décharge. Nous avons observé que le fonctionnement pulsé introduit des changements significatifs dans la composition du gaz dû à des phénomènes de recirculation et de dégazage en amont de la cellule de décharge. Nous avons également examiné les effets d’une injection pulsée de liquide d'un précurseur organosilicié (HMDSO) sur la décharge et les couches minces déposées. Il s'avère que la décharge devient filamentaire et que la vitesse de dépôt est limitée par la quantité d'énergie fournie aux gouttelettes de précurseur, et non par la quantité de précurseur. Dans ces conditions, le dépôt repose sur le chargement des gouttelettes micrométriques par le plasma et leur transport vers le substrat par les forces de Coulomb et de traînée par les neutres. De plus, la morphologie de la couche mince et la fragmentation du précurseur sont fortement liés à la quantité d'énergie fournie par la décharge filamentaire aux gouttelettes d’HMDSO. Alors que des revêtements réticulés et lisses sont obtenus à de faibles énergies comme pour les plasma-polymères standards, des films minces visqueux sont déposés à des énergies plus élevées. Ce dernier matériau est attribué à une polymérisation douce des gouttelettes d'HMDSO. Selon un contrôle judicieux des interactions plasma-gouttelettes, par exemple en variant les paramètres de la décharge comme la fréquence d'excitation, il est possible d’ajuster l’efficacité du dépôt, le degré de polymérisation et la cinétique de formation de poudres. Enfin, nous avons intégré l’ensemble de ces connaissances afin d’explorer le potentiel d’un réacteur-injecteur (permettant l’injection pulsée de précurseurs et de nanoparticules) pour la synthèse de films minces nanocomposites dans les décharges à barrière diélectrique à la pression atmosphérique. / The objective of this thesis is to perform a fundamental state-of-the-art study of the coupling of pulsed aerosol injections with a dielectric barrier discharge (DBD) at atmospheric pressure for the deposition of (multi)functional thin films. In this context, from electrical and spectroscopic measurements of the DBD, coupled with gas flow simulation, we first studied the perturbation of a pulsed gas injection on the stability of the discharge. We observed that pulsed operation introduces significant changes in the gas composition due to recirculation and outgassing phenomena upstream of the discharge cell. We also examined the effects of pulsed liquid injection of an organosilicon precursor (HMDSO) on the discharge and the deposited thin films. It is found that the discharge becomes filamentary and the deposition rate is limited by the amount of energy supplied to the precursor droplets, not the amount of precursor. Under these conditions, the deposition relies on the charging of the micrometer droplets by the plasma and their transport to the substrate by the Coulomb and neutral drag forces. In addition, the thin film morphology and precursor fragmentation are strongly related to the amount of energy supplied by the filamentary discharge to the HMDSO droplets. While smooth cross-linked coatings are obtained at low energies as for standard plasma-polymers, viscous thin films are deposited at higher energies. The latter material is attributed to a soft polymerization of HMDSO droplets. Depending on a judicious control of the plasma-droplet interactions, for example by varying the discharge parameters such as the excitation frequency, it is possible to adjust the deposition efficiency, the degree of polymerization and the kinetics of powder formation. Finally, we have integrated all this knowledge to explore the potential of a reactor-injector (allowing pulsed injection of precursors and nanoparticles) for the synthesis of nanocomposite thin films in dielectric barrier discharges at atmospheric pressure.

L'objectif de cette thèse est de développer un procédé plasma qui puisse se substituer au procédé de dépôt électrolytique de laiton, actuellement appliqué sur les fils d'acier utilisés comme matériaux de renforcement dans un pneu, pour les faire adhérer au caoutchouc. La stratégie employée consiste à déposer une couche mince organochlorée en continu sur un fil d'acier zingué, qui traverse une décharge à barrière diélectrique tubulaire, fonctionnant à la pression atmosphérique, dans une configuration fil-cylindre. Dans un premier temps, les travaux se concentrent sur la caractérisation de la décharge et de la couche mince déposée à la fois en mode statique (substrat immobile dans le réacteur) et dynamique (substrat en défilement). Des relations sont établies entre les paramètres plasma (puissance dissipée dans la décharge, fréquence de la source haute tension, flux de précurseur), les propriétés de la décharge et les caractéristiques du revêtement plasma. Des études morphologique, cinétique et chimique de la couche mince sont réalisées. Dans un second temps, la préparation de la surface du substrat et le dépôt plasma sont optimisés pour permettre d'obtenir les meilleurs niveaux d'adhésion entre l'acier zingué et le caoutchouc. À l'issue de ce travail d'optimisation, des analyses sont réalisées pour identifier la nature de la nouvelle interphase d'adhésion. Cette étude se conclut alors par une discussion sur l'origine possible des liens qui s'opèrent dans ce nouveau système / The primary objective of this thesis project is to develop a plasma process able to replace the electrolytic brass plating process, which is currently performed on steel wires used as reinforcing materials in tires to make them bond with rubber. The chosen strategy consists in depositing organo-chlorinated thin films in a continuous way on zinc-plated steel wires going across a tubular atmospheric pressure dielectric barrier discharge in a wire-cylinder configuration. In a first time, works focus on characterization of both the discharge and the plasma layer, deposited in the static (substrate stationary in the reactor) and dynamic (moving substrate) modes. Relationships are established between the plasma parameters (power dissipated in the discharge, high voltage source frequency, precursor flow rate), the discharge properties and the thin film characteristics. Morphological, kinetic and chemical studies of the plasma layer are carried out. In a second time, the substrate surface preparation and the coating are optimized to enhance the adhesion between zinc-plated steel wires and rubber. Analyses are performed to identify the new adhesion interface nature. At the end of this study, hypotheses concerning the adhesion origin in this system are formulated

Ce travail de thèse porte sur le développement de nouvelles couches minces nanocomposites par plasma froid à la pression atmosphérique. L’objectif principal est d’améliorer la compréhension des mécanismes physico-chimiques régissant ce procédé de synthèse. La stratégie adoptée est basée sur l’injection via un aérosol d’une suspension colloïdale de nanoparticules d’oxyde métallique dans une décharge à barrière diélectrique opérant en atmosphère d’azote (décharge de Townsend). Dans un premier temps, la synthèse est réalisée de manière séquentielle, la fabrication d’une matrice inorganique de silice (SiO2) étant séparée du dépôt des nanoparticules (TiO2). Ensuite, les couches nanocomposites sont obtenues par un procédé en une seule étape à travers l’injection simultanée dans la décharge des nanoparticules et d’un précurseur polymérisable organosiliciée (HMDSO). Les travaux présentés dans ce manuscrit se divisent en quatre grandes parties : tout d’abord le procédé de fabrication des nanoparticules est présenté, et une étude de leur dispersion dans divers solvants chimiques est réalisée. Puis la deuxième partie s’intéresse à l’étape de nébulisation de la suspension colloïdale, à l’analyse des distributions de taille des objets injectés et à l’étude de leur transport sans plasma. En particulier, une étude de l'influence des principales forces agissant sur leur transport est réalisée. Ces résultats permettent ensuite d’évaluer l’impact de la décharge sur le transport, et sur la réalisation des couches minces nanocomposites. Finalement, l’analyse des propriétés obtenues pour ces couches minces sur des substrats de bois est présentée dans une dernière partie. / This PhD work is focused on the development of a new generation of nanocomposite thin films using cold plasma at atmospheric pressure. The main objective is to improve the understanding of the mechanisms involved in this process. The strategy is based on the injection of a metal oxide nanoparticles suspension in a dielectric barrier discharge operating in nitrogen (Townsend discharge). At first, the nanocomposite thin film is deposited sequentially: the fabrication of the inorganic matrix of silica (SiO2) is separated from the collection of the nanoparticles (TiO2). Then, the nanocomposite layers are obtained by a one-step process using a direct injection inside the discharge of nanoparticles dispersed in a polymerizable organosilicon precursor (HMDSO). This manuscript is divided into four major parts: first, the synthesis of the nanoparticles and the study of their dispersion in different solvents are presented. Then, in the second part we focus on the atomization of the colloidal suspension, on the analysis of the size distributions of the injected objects and on the study of their transport towards the discharge area. These results are then used to assess the influence of the discharge on the transport and the quality of deposited nanocomposite thin films. Finally, the thin films properties are investigated when depositing on wood substrates.