Ce travail s'inscrit dans le projet français de gazéification de la biomasse : le projet Gaya. C'est un vaste programme R&D partenarial coordonné par GDF SUEZ et soutenu par l'ADEME. L'objectif du projet Gaya est de développer une filière décentralisée de production de bio-méthane à partir de la gazéification de la biomasse selon un procédé thermochimique de deuxième génération. L'objectif de cette thèse est de réaliser un modèle de pyrolyse de biomasse représentatif des conditions du lit fluidisé de gazéification développé dans ce projet. Un pilote expérimental, le four à image, a été développé pour reproduire au mieux les conditions de chauffage d'un lit fluidisé à 850°C. Ce pilote permet de récupérer l'ensemble des produits de pyrolyse pour une analyse ultérieure. De là, les cinétiques des réactions de pyrolyse sont déterminées par modélisation des processus physico-chimiques et optimisation à partir des résultats expérimentaux. Le craquage des vapeurs primaires de pyrolyse éjectées de la particule de biomasse est étudié durant 300 millisecondes après leur éjection de la particule de biomasse. Ces expériences de craquage sont menées sur le montage expérimental combinant un réacteur tubulaire de pyrolyse et un réacteur parfaitement auto-agité de craquage. Le modèle développé permet de représenter la pyrolyse de la biomasse introduite dans le réacteur de gazéification / This study contributes to the French biomass gasification project: Gaya project. It is a large R&D project financed by ADEME and coordinated by GDF SUEZ. The project GAYA will develop a demonstration platform for a new biomass gasification and methanation process. In this context, our objective is to build a biomass pyrolysis model, representative of the conditions encountered in the fluidized bed gasifier developed in this project. An experimental machine, the vertical image furnace, has been developed to reproduce the heat conditions of the fluidized bed gasifier at 850°C. This experimental model permits to collect all the pyrolysis products for a later analysis. Then, kinetics parameters are determined from both the physico-chemical process and the optimization of experimental results. The thermal cracking of condensable vapours, is studied during the first 300th milliseconds after their ejection from the biomass particle. For this purpose, cracking experiments are led on the experimental machine which combines a tubular pyrolysis reactor and a continuous self-stirred tank cracking reactor. The model developed allows us to represent the biomass pyrolysis introduced in the gasification reactor

La nécessité de protéger les véhicules de rentrée atmosphérique a conduit à la sélection des matériaux carbonés pour les applications les plus extrêmes [1, 2]. Au vu du coût prohibitif des essais en conditions réelles [1], la simulation permet de prédire et comprendre le comportement du matériau lors de la rentrée atmosphérique. Les modèles de l’ablation du carbone n’ont cessé de se complexifier [1, 3, 4, 5, 6]. Cependant, ils ne donnent pas de descriptions fines de la surface du matériau. C’est pour remédier à cela que plusieurs études ont été lancées au Laboratoire des Composites Thermostructuraux (LCTS) [7, 8]. Le Plasmatron du VKI est le moyen à haut flux de chaleur et à haute vitesse utilisé pour cette thèse [9, 10]. Dans cette étude, des échantillons sont testés sous des flux de chaleur allant jusqu’à 2800 kW/m2. Ces essais sur le composite 3D carbone/carbone (Cf/C) ont mené à des résultats très intéressants sur la morphologie du composite lors de l’ablation. Le four à image d’arc est le moyen à très haut flux de chaleur et à convection nulle utilisé au cours de cette thèse. Des flux de chaleurs de 10 MW m-2 ont pu être appliqués à des échantillons de 3D Cf/C. Les observations MEB couplées à la reconstruction numérique du four ont permis de noter les différences entre l’oxydation et la sublimation du composite. Un code de diffusion/ablation est développé depuis plusieurs années au LCTS [7, 11, 12, 13, 14] : AMA. Il permet de simuler l’ablation d’un matériau en carbone. Ce code a été validé par J. Lachaud sans prise en compte de l’écoulement [7]. Un nouveau couplage avec le code Open-Foam [15] a été développé et validé. Le code AMA a été utilisé afin de déterminer les paramètres influençant la rugosité du 3D Cf/C sous un écoulement laminaire. / Carbonaceous materials have been selected to protect atmospheric re-entry vehicles under the most extremes conditions [1, 2]. Because real flight experiments are very expensive [1], simulation is an important means to predict and understand the material behaviour during atmospheric re-entry. The models of carbonaceous materials ablation have become more and more complex [1, 3, 4, 5, 6]. However, they are not accurate to describe finely the material surface. To find a solution to this problem, several studies have been conducted at the Laboratoire des Composites Thermostructuraux (LCTS) [7, 8]. The Plasmatron of the VKI is the experimental means which has been used in this doctoral thesis. It can reach moderately high heat flux under high speed flow [9, 10]. In this study, several samples have been tested under an heat flux up to 2800 kW/m2. These tests on the 3D carbon/carbon (Cf/C) composite have given very interesting results about the material morphology during ablation. An arc image furnace, which can reach very high heat flux but without important flow field, has been used during this doctoral study. 3D Cf/C samples have been ablated under heat flux up to 10 MW m-2. SEM observations with the help of a numerical simulation of the furnace, have put the differences between oxidation and sublimation forward. A diffusion/ablation code has been developed at LCTS for several years [7, 11, 12, 13, 14] : AMA. This piece of software is designed to simulate the ablation of a carbonaceous material. It has been validated without flow field by J. Lachaud [7]. A new coupling method between AMA and Open-Foam [15] has been developed and validated. Finally, AMA has been used to point out the parameters which drive the 3D Cf/C surface recession under laminar flow field.

Ce travail a pour objectif d’élaborer de manière contrôlée différentes microstructures de (K0,5Na0,5)NbO3 non dopées par différentes mises en forme, bien caractérisées structuralement et microstructuralement, afin d’étudier et d’éclaircir l’influence de la densification et de la taille des grains sur les propriétés piézoélectriques. Il s’agit pour cela de produire des microstructures, avec une composition maitrisée, ayant d’abord des grains de taille micrométrique, ensuite millimétrique et enfin si possible des grains centimétriques de KNN et d’atteindre des densifications allant de 80 % à plus de 95 %. Au-delà de l’ingénierie des microstructures de KNN, l’obtention de monocristaux du composé (K0,5Na0,5)NbO3 de plusieurs mm3, de bonne qualité cristalline et bien caractérisés structuralement et microstructuralement permettrait de caractériser l’ensemble des tenseurs élastiques, diélectriques et piézoélectriques ainsi que de valider des méthodes de caractérisation originales développées au sein du laboratoire GREMAN. / The purpose of this work is to elaborate different controlled microstructures of undoped (K0,5Na0,5)NbO3 by different methods, with full structural and microstructural characterization in order to study and to elucidate the influence of the densification and grain size effect on the piezoelectric properties. For this, it is necessary to produce KNN microstructures with controlled composition, starting with micrometer grain size, then millimeter and if possible centimeter grain size and to attain densification ranging from 80 % up to 95 % of the theoretical one. Beyond the KNN microstructure engineering, the growth of large (K0,5Na0,5)NbO3 single crystals about several mm3 with good crystallinity and full structural and microstructural characterization would enable the elastic, dielectric and piezoelectric tensors to be fully characterized as well as to validate the original characterization methods developed within the GREMAN laboratory.

La pyrolyse rapide de différents types de celluloses, lignines, xylanes ainsi que de mélanges synthétiques obtenus à partir de ces composés modèles et aussi de deux biomasses réelles (bois de bouleau et paille de blé), est étudiée dans un four à image. Les vitesses de perte de masse pour les composés modèles étudiés sont très différentes, de manière générale la plus grande vitesse de perte de masse est observée pour la cellulose, suivie du xylane et de la lignine. La lignine se distingue par un temps de début de réaction plus petit que celui observé pour le xylane et la cellulose. Pour un temps donné, le rendement en charbon est plus grand pour la lignine que pour le xylane. La formation de charbon à partir de la cellulose est marginale. La cellulose microgranulaire produit en majorité des vapeurs et très peu de gaz. La cellulose extraite du bois de bouleau montre un comportement intermédiaire entre le comportement de la cellulose microgranulaire et les lignines. Le xylane se distingue par une vitesse de formation de gaz supérieure à celles des vapeurs. Les mélanges synthétiques à partir des trois composés modèles montrent un comportement intermédiaire. Le bois de bouleau est plus réactif que la paille de blé et son comportement peut être comparé à celui de la cellulose extraite du bois de bouleau en ce qui concerne les vitesses de perte de masse et de formation de vapeurs. Une corrélation simple se basant sur l’addition pondérée des vitesses de formation des produits est établie et les résultats obtenus sont comparés aux résultats expérimentaux. Il s’avère que les inorganiques jouent un rôle important lors de la pyrolyse : le comportement de la paille de blé, une biomasse riche en inorganiques, ne peut pas être décrit par de telles corrélations. Des écarts moins significatifs entre les valeurs obtenues par les corrélations théoriques et celles provenant des résultats expérimentaux sont observés pour les mélanges synthétiques et le bois de bouleau. En conclusion, l’hypothèse d’une corrélation simple, appelée loi prévisionnelle, ne semble pas être justifiée sur les vitesses de formation de produits. Un modèle est alors développé qui permet de décrire le comportement pyrolytique à l’aide de courbes non linéaires pour la perte de masse et la production des produits. A l’exception de la paille de blé, de nouvelles lois prévisionnelles additives peuvent alors être déterminées de manière très satisfaisante au regard de la précision des mesures expérimentales / The fast pyrolysis of different types of celluloses, lignins, xylanes as well as different mixtures of these basic compounds and two real biomasses (birch wood and wheat straw) has been studied in an image furnace. The mass loss rates of each of the studied model compounds are very different, but usually higher for cellulose than xylane and higher for xylane than lignins. Lignins begin to react before xylane and cellulose. For a given pyrolysis time, lignins produce more char than xylane. Char formation from cellulose remains insignificant, close to zero. Microgranular cellulose gives mainly rise to vapours and very little gas is formed. Cellulose extracted from birch wood shows an intermediate behaviour between microgranular cellulose and lignins. Production rates of gases are higher than those of vapours for xylan. Regarding the mixtures of these three compounds, an intermediate behaviour can be observed. Birch wood is more reactive than wheat straw. Its pyrolytic behaviour is similar with that of cellulose extracted from birch wood with regard to concerning mass loss rates and vapours formation. A simple additive correlation relying on mass loss rates and products formations rates is elaborated and the results compared to the experimental values. It appears that inorganics play an important role in biomass pyrolysis : the pyrolytic behaviour of wheat straw, a biomass which is rich in inorganics, cannot be described by simple additive correlations. Less significant gaps between expected rates obtained by the correlations and the observed rates obtained by the experiments are found for synthetic mixtures and birch wood. In conclusion, the hypothesis of linear correlations cannot be supported for representing the products formations rates. A complete mathematical model is then developed revealing a non-linear behaviour of the variations of mass losses and products formations. Except for wheat straw, new additive correlations are then determined. The agreement with the experimental results is very satisfying with regard to the measurements accuracies

La pyrolyse primaire rapide de cellulose, lignine, xylane et bois de bouleau (réel, reconstitué, lavé ou non) imprégnés par différents types de catalyseurs (KCl, MgCl2, NiCl2 et ZnCl2) est étudiée expérimentalement dans un four à image. De manière générale, l’effet résultant de l’ajout d’un catalyseur diffère selon le type de biopolymère. Il entraine cependant toujours la diminution de la vitesse de production des liquides et l’augmentation de celle des charbons (effets plus ou moins accentués selon la nature du catalyseur). La composition de phase gazeuse est également modifiée avec augmentation de la fraction volumique en H2. La nature et la morphologie des charbons dépendent également du type de catalyseur. Pour la cellulose, on montre que la quantité et la composition du composé intermédiaire liquide produit lors de la pyrolyse sont également modifiées. Des lois linéaires de comportement pyrolytique établies à partir de la simple superposition des observations faites avec les biopolymères pris isolément n’ont pu être établies avec précision, ce qui implique une phrase de modélisation. Le modèle repose sur l’écriture de bilans de matière et d’énergie au niveau des pastilles de biomasses soumises à une densité de flux de chaleur imposée. L’accord avec les résultats expérimentaux est satisfaisant mais souffre d’une mauvaise connaissance des propriétés physico-chimiques des biomasses. Les écarts proviennent également de la non prise en compte des interactions entre les biopolymères au sein des biomasses réelles. Des actions de recherche dans ces domaines pourraient être recommandées / The fast primary pyrolysis of cellulose, lignin, xylan and birch wood (natural, reconstituted, washed or not) impregnated by different types of catalysts (KCl, MgCl2, NiCl2 and ZnCl2) is experimentally studied in an image furnace. The effect of a catalyst addition differs according to the type of biopolymer. However, the decrease of the liquids and the increase of the char production rates are always observed (the effects are more or less stressed according to the nature of the catalyst). The composition of the gaseous phase is also modified with an increase of the H2 volume fraction. The nature and morphology of chars depend on the type of catalyst. The quantity and composition of the intermediate liquid compound formed during the pyrolysis of cellulose are also modified. It’s difficult to establish linear laws describing the pyrolytic behavior of biomasses from the simple overlapping of the observations made with basic biopolymers, implying the need of a modelling study. The model is based on mass and energy balances written at the level of biomasses pellets subjected to a given heat flux density. The agreement with the experimental results is quite good but suffers from a bad knowledge of the physicochemical properties of the biomasses. It is anticipated that the model could give better results if the influence of the interactions between basic biopolymers within the natural biomasses could be estimated and taken into account. Some researches in these domains could be recommended

Les nouvelles technologies mises en œuvre actuellement suscitent des demandes croissantes auprès de l’industrie électronique dont la capacité des circuits électroniques et de leurs microprocesseurs croît de façon explosive en suivant la loi de Moore. Le nombre croissant de transistors par unité de surface entraîne des échauffements considérables qui sont nuisibles au bon fonctionnement des systèmes et posent des problèmes d’évacuation de la chaleur générée, de façon très localisée, dans les composants électroniques. Afin de maîtriser les flux de chaleur créés, il est indispensable d’utiliser des matériaux nouveaux capables de conduire très rapidement et efficacement, c’est à dire de façon unidirectionnelle, la chaleur vers un puits thermique. Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans cette problématique et proposent l’étude de matériaux, isolants électriques, afin d’éviter des courts circuits dans la fabrication de composants électroniques, mais aussi présentant une conductivité thermique fortement anisotrope afin d’évacuer la chaleur dans une seule direction. Pour cela des matériaux très conducteurs, à l’état monocristallin, sont nécessaires. Pour réaliser des mesures de conductivité thermique dans les meilleures conditions, de tels échantillons, d’excellente qualité et parfaitement homogènes ont été synthétisés. Pour obtenir une telle qualité d’échantillons, la méthode de la zone solvante (TSZM : Travelling Solvent Zone Method) a été utilisée. Cette méthode de croissance cristalline, n’utilisant pas de creuset, permet l’obtention de monocristaux exempts d’impuretés, de plusieurs centimètres de longueur. Les matériaux étudiés dans ce travail sont les cuprates de basse dimensionnalité Sr2CuO3, SrCuO2 et La5Ca9Cu24O41 présentant dans leur structure un arrangement d’ions cuivre Cu2+, de spin ½, sous forme de chaînes linéaires ou d’échelles, présentant un caractère 1D marqué. Leur conductivité thermique, dans la direction 1D, est décrite par la somme de deux contributions, l’une, phononique et, l’autre, d’origine magnétique, liée aux spins des ions cuivre. Pour obtenir une meilleure compréhension des différents mécanismes d’interaction en compétition, l’influence de la pureté de ces composés ainsi que celle du dopage sur le site des ions Cu2+ sur la conduction thermique d’origine magnétique, a été étudiée. La pureté des échantillons joue un grand rôle, à basse température, sur la conductivité thermique magnétique du fait d’une diminution des interactions spinons-défauts. Par ailleurs, une étude structurale par diffraction des rayons X et de neutrons sur chacun des composés a été réalisée et a mis en évidence la présence de distorsions dans la structure du composé La5Ca9Cu24O41. / Today’s new technologies bring increasing demands to the electronics industry whose capacity of electronic circuits and related microprocessors increases very rapidly, following Moore’s law. The increasing number of transistors per unit area brings about significant heating which may be harmful to the good functioning of the systems and creates problems in the evacuation of the very localized heat generated in the electronic components. In order to control the heat flow which is produced, it is essential to use new materials able to conduct rapidly and efficiently, i. e. unidirectionally, the heat toward a heat sink. The present thesis work deals with the above described issues and presents the study of materials which have to be insulating in order to avoid short circuits in the electronic components and also exhibit a strong anisotropy of the thermal conductivity in order to evacuate the heat exclusively in one direction. Single crystals are therefore required. In order to realize thermal conductivity measurements in the best conditions, perfect homogeneous single crystals of excellent quality were synthesized by the Travelling Solvent Zone Method. This no-crucible crystal growth method allows the synthesis of impurity-free single crystals several cm long. The investigated materials are the low dimensional cuprates Sr2CuO3, SrCuO2 and La5Ca9Cu24O41 exhibiting in their structures an alignment of Cu2+ ions of spin ½ as linear chains or ladders, showing thus a distinct 1D character. Their thermal conductivity in the 1D direction is described as the sum of two contributions, one phononic and the other of magnetic origin. In order to obtain a better understanding of the different competitive interaction mechanisms, the influence on thermal conductivity, of the purity of the compounds and also of doping on the copper site has been investigated. Furthermore, structural refinement was done (X-ray and neutron diffraction) and has permitted to highlight distortions in the La5Ca9Cu24O41 samples

Sr₃Ru₂O₇ is a quasi-two-dimensional metal and has a paramagnetic ground state that is heavily renormalised by electron-electron correlations and magnetic exchange interactions. Inextricably linked to this renormalisation is the metamagnetism of Sr₃Ru₂O₇ - a rapid rise in uniform magnetisation over a narrow range of applied magnetic field. Knowledge of the zero-field physics is essential to any description of the metamagnetism. Light may be shed on the enigmatic ground state of Sr₃Ru₂O₇ by doping the crystal lattice with foreign cations: this is the primary purpose of the original research referred to in this thesis, in which studies of some of the electronic properties of crystals of cation-doped Sr₃Ru₂O₇ are reported. Single crystals of Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Ti[subscript(x)])₂O₇ and Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Cr[subscript(x)])₂O₇ have been synthesised in an image furnace and some of the properties of these crystals have been measured. Evidence that indicates the emergence of a spin density wave as a function of Ti-doping in Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Ti[subscript(x)])₂O₇ is presented. Time-dependent magnetic irreversibility has been observed in samples of Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Cr[subscript(x)])₂O₇, thus hinting at the involvement of the RKKY mechanism in these materials. Regarding cation doping out of the conducting RuO₂ planes, samples of (Sr[subscript(1-y)]La[subscript(y)])₃Ru₂O₇ have been grown and investigated. Both the Sommerfeld coefficient and the Fermi liquid A coefficient of (Sr[subscript(1-y)]La[subscript(y)])₃Ru₂O₇ are found to decrease as a function of y (0 ≤ y ≤ 0.02); these observations point towards a reduction in the thermodynamic mass of the Landau quasiparticles. Results from magnetoresistance and magnetisation measurements indicate that the metamagnetism of the (Sr[subscript(1-y)]La[subscript(y)])₃Ru₂O₇ series probably cannot be explained by a rigid band-shift model. Also, some aspects of these data imply that the metamagnetism cannot be fully accounted for by a spin fluctuation extension to the Ginzburg-Landau theory of uniform magnetisation.