La production de nanoparticules (NPs) par des décharges spark en phase liquide permet d’atteindre des rendements jusqu’à présent inégalés de l’ordre de quelques centièmes de milligramme par joule. Même si l’essentiel de l’énergie est dissipé dans la formation de la décharge, l’érosion des électrodes métalliques permet la production efficace de NPs. La nature des NPs formées est largement tributaire du liquide diélectrique dans lequel la décharge est réalisée. Il est ainsi possible de contrôler les nanoparticules produites en choisissant de manière ad hoc les électrodes et le liquide. Nous cherchons dans ce travail à comprendre les mécanismes qui ont lieu durant la décharge en étudiant différents cas d’élaboration de NPs soit d’alliages soit de composites. Les NPs synthétisées auront des applications dans divers domaines selon le(s) matériau(x) choisi(s). À l’aide d’un générateur d’impulsions nanosecondes, les décharges ont été créées en appliquant une impulsion de haute tension (10 kV- 200ns- 10 Hz) entre deux électrodes immergées dans de l’azote liquide. Trois systèmes principaux ont été étudiés : Si-Sn, Cu-Zn et Cu-Ag. Les tests ont été réalisés avec des électrodes pures ou avec des alliages contenant les 2 éléments en proportions variables pour améliorer notre compréhension sur la manière dont les nanoparticules sont formées. Des analyses en microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRTEM), en spectroscopie des rayons X à dispersion d'énergie (EDX), en spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) et des analyses de micro-diffraction ont été menées pour caractériser les NPs synthétisées (morphologie, cristallinité, composition chimique, etc.). Enfin, des mesures de spectroscopie d’émission optique résolues dans le temps ont été réalisées pour disposer d’informations sur l’évolution temporelle des raies émises au cours de la décharge et ainsi sur les conditions qui prévalent dans le plasma / Discharges in liquids offer a simple way to synthesize nanoparticles at high rate and low cost. When spark discharges are ignited in a dielectric liquid, a strong heating of the electrode material occurs, producing a metallic vapor from which nanoparticles grow by condensation. Even if most of the energy is dissipated in the formation of the discharge, the erosion of the metal electrodes allows the efficient production of NPs. The nature of the NPs formed is largely dependent on the dielectric liquid in which the discharge is performed. It is thus possible to control the nanoparticles produced by choosing the electrodes and the liquid in an appropriate manner. We seek in this work to understand the mechanisms that take place during the discharge by studying different cases of elaboration of NPs either alloys or composites. The synthesized NPs will have applications in various fields depending on the material(s) chosen. Using a nanosecond pulse generator, the discharges were created by applying a high voltage pulse (10 kV-200ns-10 Hz) between two electrodes immersed in liquid nitrogen. Three main systems have been studied: Si-Sn, Cu-Zn and Cu-Ag. The tests were performed with pure electrodes or alloys containing the 2 elements in varying proportions to improve our understanding of how nanoparticles are formed. High resolution transmission electron microscopy (HRTEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), electron energy loss spectroscopy (EELS) and micro-diffraction analyzes were carried out to characterize the synthesized NPs (morphology, crystallinity, chemical composition, etc.). Finally, time-resolved optical emission spectroscopy measurements were performed to obtain information on the temporal evolution of the lines emitted during the discharge and thus on the conditions that prevail in the plasma

Ce mémoire est la conclusion d'une maîtrise en double diplomation internationale entre l'université Toulouse 3 Paul Sabatier en France et l'université de Montréal au Canada. Le but de cette collaboration est la meilleure compréhension des décharges Sparks dans les liquides diélectriques, ainsi que des phénomènes qui y sont liés. La première partie du projet de recherche, effectuée à Toulouse au laboratoire LAPLACE, s'est concentrée sur l’influence du matériau des électrodes sur le comportement de la décharge, en particulier les caractéristiques courant-tension et la dynamique de la bulle de cavitation via imagerie rapide. Cette partie de travail est incluse dans ce mémoire sous forme d’une Annexe, et nous focalisons l’attention du lecteur uniquement sur les travaux réalisés dans la deuxième partie. En effet, en utilisant une source impulsionnelle de tension, nous avons étudié l’évolution statistique des caractéristiques électriques des décharges Sparks dans différents liquides diélectriques et sous différentes conditions expérimentales, qu'elles soient électriques, géométriques, ou bien liées aux matériaux utilisés. Après une préparation minutieuse des conditions d’une expérience donnée, les impulsions de haute tension ont été appliquées et les caractéristiques des décharges ont été enregistrées. Les enregistrements des caractéristiques électriques, dès la première dé- charge jusqu’à un moment où il n’est plus possible d’avoir des décharges, ont été analysés à l’aide d’un algorithme afin de remonter aux propriétés de chaque décharge, soient la probabilité que la décharge ait eu lieu, la tension de claquage, le courant de décharge, la charge injectée, l’énergie injectée, etc. L’évolution temporelle de ces paramètres ont révélé certaines informations extrê- mement utiles pour les considérer dans les procédés qui utilisent les décharges Sparks dans les liquides à haute répétition, en particulier dans la synthèse de nanomatériaux. / This thesis is the conclusion of a master's degree in an international double graduation between Université Toulouse Paul Sabatier in France and Université de Montréal in Canada. The aim of this collaboration is to better understand the operation of Spark discharges in dielectric liquids, as well as other phenomena linked to it. The first part of this research project, conducted at Toulouse, LAPLACE laboratory, was focused on the influence of the electrode material on the discharge behaviour, in particular the current and voltage waveform and the dynamic of a cavitation bubble monitored with fast imaging technique. This part of the work is included in the thesis as an Annex to focus the reader’s attention only on the work realized in Montréal. Indeed, using a high voltage pulser, we studied the statistical evolution of the electrical characteristics of Sparks discharges in different dielectric liquids and under various experimental conditions, whether they are electrical, geometrical, or related to the material of utilized electrode. After a fine preparation of the conditions for one experience, the high voltage pulses were applied, and discharges were occurred. The acquisition of the discharge electrical characteristics, from the first one to the last one, were analyzed using a home-made algorithm to access the properties of every discharge, i.e. the probability of discharge occurrence, the breakdown voltage, the discharge current, the injected charge, the injected energy, etc. The temporal evolution of those parameters revealed some extremely useful trends to be considered in the processes utilizing in-liquid Spark discharges at high repetition rate, such as in nanomaterial synthesis.

Les décharges Sparks sont des décharges électriques transitoires avec une courte durée de vie. Par rapport à son initiation en milieu gazeux, l’initiation de ce type de décharges dans un liquide diélectrique induit de nouveaux phénomènes physico-chimiques dans le plasma et aux interfaces plasma-liquide et plasma-électrodes. Depuis une vingtaine d’années, la recherche scientifique exploite les propriétés de ces décharges pour des applications diverses : dépollution de liquide, synthèse de nanoparticules, usinage par électro-érosion, etc. Dans ce contexte, ce mémoire a pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de la physique des décharges Sparks dans les liquides diélectriques. Les décharges dans les liquides se caractérisent par un comportement stochastique fort. Des études statistiques d’un nombre important de décharges sur les caractéristiques électriques ont été effectuées en fonction de différents paramètres. Ces paramètres sont la distance inter-électrodes, la nature des électrodes ainsi que la polarité de la tension appliquée. L’acquisition des courbes courant-tension de chaque décharge permet de déterminer ses propriétés électriques, soient la tension de claquage, le courant de la décharge, le délai de claquage, la charge injectée, la probabilité de claquage, etc. L’influence d’un champ magnétique externe, en particulier son orientation par rapport à l’axe des électrodes, sur les caractéristiques de la décharge a ensuite été explorée. L’étude des interactions plasma-électrode en fonction de l’orientation du champ magnétique a été réalisée en analysant des images de la dispersion des impacts créés par les décharges sur la contre-électrode et de l’érosion de la pointe. De plus, nous avons démontré que la nature du matériau des électrodes, en particulier ses propriétés magnétiques, influe grandement le taux d’érosion de celles-ci. Les résultats rapportés dans ce mémoire contribueront non seulement à l’avancement de la physique des décharges dans les liquides, mais aussi au développement / optimisation des applications dans des différents domaines technologiques. / Spark discharges are transient electric discharges with a short lifetime. Compared to its initiation in a gaseous medium, the initiation of this type of discharges in a dielectric liquid induces new physico-chemical phenomena in the plasma and at the plasma-liquid and plasma-electrode interfaces. For about twenty years, scientific research has been exploiting the properties of these discharges for various applications: liquid depollution, nanoparticle synthesis, electro-erosion machining, etc. In this context, this thesis aims to provide a better understanding of the physics of Sparks discharges in dielectric liquids. Discharges in liquids are characterized by a strong stochastic behavior. Statistical studies of a large number of discharges on the electrical characteristics have been performed as a function of different parameters. These parameters are the inter-electrode distance, the nature of the electrodes and the polarity of the applied voltage. The acquisition of the current-voltage curves of each discharge allows to determine its electrical properties, i.e. the breakdown voltage, the discharge current, the breakdown delay, the injected charge, the breakdown probability, etc. The influence of an external magnetic field, in particular its orientation relative to the axis of the electrodes, on the characteristics of the discharge was then explored. The study of the plasma-electrode interactions as a function of the magnetic field orientation was performed by analyzing images of the dispersion of the impacts created by the discharges on the counter-electrode and the erosion of the tip. Furthermore, we have shown that the nature of the electrode material, in particular its magnetic properties, greatly influences the rate of electrode erosion. The results reported in this thesis will contribute not only to the advancement of the physics of discharges in liquids, but also to the development / optimization of applications in different technological fields.