Les aérogels sont des matériaux nano-structurés ultralégers, hautement poreux et présentant une surface spécifique élevée. Les bio-aérogels sont une nouvelle génération d'aérogels entièrement bio-sourcés, offrant de ce fait de grands potentiels pour des applications à l’interface avec le vivant tout en valorisant la biomasse. Dans le cadre de cette thèse, la pectine a été utilisée pour produire des bio-aérogels. Deux principaux objectifs ont été atteints : • Le premier était de déterminer et de maîtriser les corrélations existantes entre les caractéristiques de la pectine et les conditions de préparation d’une part, avec la structure interne de l'aérogel et ses propriétés physico-chimiques d’autre part. • Le second était d’évaluer et développer les aérogels de pectine pour deux applications distinctes : l'isolation thermique et la libération de médicaments. Il a été établi que les différents mécanismes de formation du réseau, la gélification et la séparation de phase, jouaient un rôle majeur sur la morphologie et les propriétés finales de l'aérogel. La conductivité thermique des aérogels de pectine s'est révélée très faible, de l'ordre de 0,015 à 0,020 W/(m.K), et a présenté une courbe de dépendance en forme de U avec leurs densités. Les aérogels ont également été utilisés en tant que matrices supports de médicament. Les cinétiques de libération du médicament en milieu liquide ont été corrélées aux structures et densités des aérogels de pectine. Des aérogels composites, de type cellulose-pectine et silice-pectine, ont été préparés et utilisés comme supports de médicament menant à une libération prolongée du principe actif dans le temps. Dans cette thèse, nous avons mis en évidence le potentiel élevé des aérogels de pectine utilisés en tant que biomatériaux avancés, versatiles et aux fonctionnalités ajustables. / Aerogels are ultra-light, highly porous and nano-structured materials with high specific surface area. Bio-aerogels are a new generation of aerogels that are fully biomass-based, which opens up a lot of potentials in biomass valorization and life science applications. In this work pectin was used to produce bio- aerogels. Two main objectives were achieved : • The first was to understand and correlate the characteristics of pectin and the preparation conditions with the internal structure of aerogel and its physico-chemical properties. • The second was to evaluate and develop pectin aerogels as advanced bio-materials for the two different applications : thermal insulation and drug delivery. Various mechanisms of network formation, gelation and non-solvent induced phase separation, were demonstrated to play a very important role in aerogel morphology and properties. Thermal conductivity of pectin aerogels was very low, around 0.015 - 0.020 W/(m.K), and showing U-shape dependence on density. When used as drug delivery matrices, the kinetics of drug release was correlated with pectin aerogels’ structure and density. Composite cellulose-pectin and silica-pectin aerogels were synthesized and also used as drug carriers; a prolonged release was recorded. A high potential of pectin aerogels to be used as versatile bio-materials with advanced tunable functionalities was demonstrated.

Résumé : L’isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-systèmes électro-mécaniques). Elle permet de réduire la consommation d’énergie, améliorer leurs performances, ou encore isoler la zone chaude du reste du dispositif, ce qui est essentiel dans les systèmes sur puce. Il existe quelques matériaux et techniques d’isolation pour les MEMS, mais ils sont limités. En effet, soit ils ne proposent pas un niveau d’isolation suffisant, sont trop fragiles, ou imposent des contraintes trop importantes sur la conception du dispositif et sont difficiles à intégrer. Une approche intéressante pour l’isolation, démontrée dans la littérature, est de fabriquer des pores de taille nanométrique dans le silicium par gravure électrochimique. En nanostructurant le silicium ainsi, on peut diviser sa conductivité thermique par un facteur de 100 à 1000, le transformant en isolant thermique. Cette solution est idéale pour l’intégration dans les procédés de fabrication existants des MEMS, car on garde le silicium qui est déjà utilisé pour leur fabrication, mais en le nanostructurant localement, on le rend isolant là où on en a besoin. Par contre sa porosité cause des problèmes : mauvaise résistance chimique, structure instable au-delà de 400°C, et tenue mécanique réduite. La facilité d’intégration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, nous visons donc de réduire les désavantages de ces matériaux afin de favoriser leur intégration dans des dispositifs en silicium. Nous avons identifié deux approches pour atteindre cet objectif : i) améliorer le Si poreux ou ii) développer un nouveau matériau. La première approche consiste à amorphiser le Si poreux en l’irradiant avec des ions à haute énergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montré que l’amorphisation, même partielle, du Si poreux entraîne une diminution de sa conductivité thermique, sans endommager sa structure poreuse. Cette technique réduit sa conductivité thermique jusqu’à un facteur de trois, et peut être combinée avec une pré-oxydation afin d’atteindre une réduction d’un facteur cinq. Donc cette méthode permet de réduire la porosité du Si poreux, et d’atténuer ainsi les problèmes de fragilité mécanique causés par la porosité élevée, tout en gardant un niveau d’isolation égal. La seconde approche est de développer un nouveau matériau. Nous avons choisi le SiC poreux : le SiC massif a des propriétés physiques supérieures à celles du Si, et donc à priori le SiC poreux devrait conserver cette supériorité. La fabrication du SiC poreux a déjà été démontrée dans la littérature, mais avec peu d’études détaillées du procédé. Sa conductivité thermique et tenue mécanique n’ont pas été caractérisées, et sa tenue en température que de façon incomplète. Nous avons mené une étude systématique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant. Nous avons implémenté un banc de mesure de la conductivité thermique par la méthode « 3 oméga » et l’avons utilisé pour mesurer la conductivité thermique du SiC poreux. Nous avons montré qu’elle est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montré que le SiC poreux est résistant à tous les produits chimiques typiquement utilisés en microfabrication sur silicium. D’après nos résultats il est stable jusqu’à au moins 1000°C et nous avons obtenu des résultats qualitatifs encourageants quant à sa tenue mécanique. Nos résultats signifient donc que le SiC poreux est compatible avec la microfabrication, et peut être intégré dans les MEMS comme isolant thermique. // Abstract : Thermal insulation is essential in several types of MEMS (micro electro-mechanical systems). It can help reduce power consumption, improve performance, and can also isolate the hot area from the rest of the device, which is essential in a system-on-chip. A few materials and techniques currently exist for thermal insulation in MEMS, but these are limited. Indeed, either they don’t have provide a sufficient level of insulation, are too fragile, or restrict design of the device and are difficult to integrate. A potentially interesting technique for thermal insulation, which has been demonstrated in the literature, is to make nanometer-scale pores in silicon by electrochemical etching. By nanostructuring silicon in this way, its thermal conductivity is reduced by a factor of 100 to 1000, transforming it into a thermal insulator. This solution is ideal for integration in existing MEMS fabrication processes, as it is based on the silicon substrates which are already used for their fabrication. By locally nanostructuring these substrates, silicon is made insulating wherever necessary. However the porosity also causes problems : poor chemical resistance, an unstable structure above 400◦C, and reduced mechanical properties. The ease of integration of porous semiconductors is a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to encourage their integration in silicon-based devices. We have pursued two approaches in order to reach this goal : i) improve porous Si, or ii) develop a new material. The first approach uses irradiation with high energy ions (100 MeV uranium) to amorphise porous Si. We have shown that amorphisation, even partial, of porous Si leads to a reduction of its thermal conductivity, without damaging its porous structure. This technique can reduce the thermal conductivity of porous Si by up to a factor of three, and can be combined with a pre-oxidation to achieve a five-fold reduction of thermal conductivity. Therefore, by using this method we can use porous Si layers with lower porosity, thus reducing the problems caused by the fragility of high-porosity layers, whilst keeping an equal level of thermal insulation. The second approach is to develop a new material. We have chosen porous SiC: bulk SiC has exceptional physical properties and is superior to bulk Si, so porous SiC should be superior to porous Si. Fabrication of porous SiC has been demonstrated in the literature, but detailed studies of the process are lacking. Its thermal conductivity and mechanical properties have never been measured and its high-temperature behaviour has only been partially characterised. We have carried out a systematic study of the effects of HF concentration and current on the porosification process. We have implemented a thermal conductivity measurement setup using the “3 omega” method and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. We have shown that it is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is chemically inert in the most commonly used solutions for microfabrication. Our results show that porous SiC is stable up to at least 1000◦C and we have obtained encouraging qualitative results regarding its mechanical properties. This means that porous SiC is compatible with microfabrication processes, and can be integrated in MEMS as a thermal insulation material.

Le stéarate de butyle, un matériau de changement de phase biosourcé (MCP), a été encapsulés dans des matrices polymères (pullulane, lignine, hémicelluloses) par la technique des émulsions concentrées. Les matrices polymères ont été réticulées avec du trimetaphosphate de sodium (STMP) dans des conditions alcalines afin d’obtenir un réseau poreux interconnecté rigide. L’influence du processus de séchage sur les matériaux composites obtenus a été étudiée, indiquant la lyophilisation comme la technique la plus efficace. Des études de calorimétrie à balayage différentiel (DSC) ont permis de déterminer que l’encapsulation de stéarate de butyle dans des matrices polymères ne modifiait pas ses propriétés thermiques de changement de phase. Des essais de compression mécanique et de résistance à la déformation ont permis d'évaluer le potentiel des monolithes en tant que panneaux de stockage de chaleur installés directement dans des bâtiments et des serres.Les produits de réticulation par le STMP ont été identifiés et caractérisés par RMN solide du31P. Il a ainsi été possible de synthétiser des monolithes ayant différents taux de réticulation afin d’optimiser la formulation d'encapsulation de MCP. Les matrices polymères vidée de tous leurs contenus liquides ont été étudiées par microscopie électronique à balayage afin d’étudier leur structure poreuse (distribution de taille des pores). Cette nouvelle approche d’encapsulation en une étape apparaît comme efficace et devrait permettre un développement important des applications énergétiques. / Emulsion-templated polymer based (pullulan, lining and hemicelluloses) monoliths encapsulating butyl stearate as bio-based phase change material (PCM) were synthesized. Polymer-bases were crosslinked with sodium trimetaphosphate (STMP) under alkaline aqueous conditions leading to an interconnected porous network. The influence of the drying process on the obtained composite materials morphology was studied indicating freeze-drying as the most effective technique. Differential Scanning Calorimetry (DSC) studies allow to assess that encapsulation of butyl stearate onto matrices do not alter its phase change thermal properties. Mechanical compression and strain resistance tests allowed to evaluate monoliths potential as heat storage panels installed directly in buildings and greenhouses, STMP crosslinking products were identified by solid-NMR characterization, this allowed to synthetize monoliths at different crosslinking yields to find a formulation that improves PCM encapsulation. Polymer matrices were studied by scanning electron microscopy to identify the pore size distribution obtained in STMP crosslinked materials. This new one-step encapsulating approach appears as efficient and cost-effective and is expected to find a broad development in energy storage applications

R??sum?? : L???isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-syst??mes ??lectro-m??caniques). Elle permet de r??duire la consommation d?????nergie, am??liorer leurs performances, ou encore isoler la zone chaude du reste du dispositif, ce qui est essentiel dans les syst??mes sur puce. Il existe quelques mat??riaux et techniques d???isolation pour les MEMS, mais ils sont limit??s. En effet, soit ils ne proposent pas un niveau d???isolation suffisant, sont trop fragiles, ou imposent des contraintes trop importantes sur la conception du dispositif et sont difficiles ?? int??grer. Une approche int??ressante pour l???isolation, d??montr??e dans la litt??rature, est de fabriquer des pores de taille nanom??trique dans le silicium par gravure ??lectrochimique. En nanostructurant le silicium ainsi, on peut diviser sa conductivit?? thermique par un facteur de 100 ?? 1000, le transformant en isolant thermique. Cette solution est id??ale pour l???int??gration dans les proc??d??s de fabrication existants des MEMS, car on garde le silicium qui est d??j?? utilis?? pour leur fabrication, mais en le nanostructurant localement, on le rend isolant l?? o?? on en a besoin. Par contre sa porosit?? cause des probl??mes : mauvaise r??sistance chimique, structure instable au-del?? de 400??C, et tenue m??canique r??duite. La facilit?? d???int??gration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, nous visons donc de r??duire les d??savantages de ces mat??riaux afin de favoriser leur int??gration dans des dispositifs en silicium. Nous avons identifi?? deux approches pour atteindre cet objectif : i) am??liorer le Si poreux ou ii) d??velopper un nouveau mat??riau. La premi??re approche consiste ?? amorphiser le Si poreux en l???irradiant avec des ions ?? haute ??nergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montr?? que l???amorphisation, m??me partielle, du Si poreux entra??ne une diminution de sa conductivit?? thermique, sans endommager sa structure poreuse. Cette technique r??duit sa conductivit?? thermique jusqu????? un facteur de trois, et peut ??tre combin??e avec une pr??-oxydation afin d???atteindre une r??duction d???un facteur cinq. Donc cette m??thode permet de r??duire la porosit?? du Si poreux, et d???att??nuer ainsi les probl??mes de fragilit?? m??canique caus??s par la porosit?? ??lev??e, tout en gardant un niveau d???isolation ??gal. La seconde approche est de d??velopper un nouveau mat??riau. Nous avons choisi le SiC poreux : le SiC massif a des propri??t??s physiques sup??rieures ?? celles du Si, et donc ?? priori le SiC poreux devrait conserver cette sup??riorit??. La fabrication du SiC poreux a d??j?? ??t?? d??montr??e dans la litt??rature, mais avec peu d?????tudes d??taill??es du proc??d??. 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Nos r??sultats signifient donc que le SiC poreux est compatible avec la microfabrication, et peut ??tre int??gr?? dans les MEMS comme isolant thermique. // Abstract : Thermal insulation is essential in several types of MEMS (micro electro-mechanical systems). It can help reduce power consumption, improve performance, and can also isolate the hot area from the rest of the device, which is essential in a system-on-chip. A few materials and techniques currently exist for thermal insulation in MEMS, but these are limited. Indeed, either they don???t have provide a sufficient level of insulation, are too fragile, or restrict design of the device and are difficult to integrate. A potentially interesting technique for thermal insulation, which has been demonstrated in the literature, is to make nanometer-scale pores in silicon by electrochemical etching. By nanostructuring silicon in this way, its thermal conductivity is reduced by a factor of 100 to 1000, transforming it into a thermal insulator. This solution is ideal for integration in existing MEMS fabrication processes, as it is based on the silicon substrates which are already used for their fabrication. By locally nanostructuring these substrates, silicon is made insulating wherever necessary. However the porosity also causes problems : poor chemical resistance, an unstable structure above 400???C, and reduced mechanical properties. The ease of integration of porous semiconductors is a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to encourage their integration in silicon-based devices. We have pursued two approaches in order to reach this goal : i) improve porous Si, or ii) develop a new material. The first approach uses irradiation with high energy ions (100 MeV uranium) to amorphise porous Si. We have shown that amorphisation, even partial, of porous Si leads to a reduction of its thermal conductivity, without damaging its porous structure. This technique can reduce the thermal conductivity of porous Si by up to a factor of three, and can be combined with a pre-oxidation to achieve a five-fold reduction of thermal conductivity. Therefore, by using this method we can use porous Si layers with lower porosity, thus reducing the problems caused by the fragility of high-porosity layers, whilst keeping an equal level of thermal insulation. The second approach is to develop a new material. We have chosen porous SiC: bulk SiC has exceptional physical properties and is superior to bulk Si, so porous SiC should be superior to porous Si. Fabrication of porous SiC has been demonstrated in the literature, but detailed studies of the process are lacking. Its thermal conductivity and mechanical properties have never been measured and its high-temperature behaviour has only been partially characterised. We have carried out a systematic study of the effects of HF concentration and current on the porosification process. We have implemented a thermal conductivity measurement setup using the ???3 omega??? method and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. We have shown that it is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is chemically inert in the most commonly used solutions for microfabrication. Our results show that porous SiC is stable up to at least 1000???C and we have obtained encouraging qualitative results regarding its mechanical properties. This means that porous SiC is compatible with microfabrication processes, and can be integrated in MEMS as a thermal insulation material.

R??sum?? : L???isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-syst??mes ??lectro-m??caniques). Elle permet de r??duire la consommation d?????nergie, am??liorer leurs performances, ou encore isoler la zone chaude du reste du dispositif, ce qui est essentiel dans les syst??mes sur puce. Il existe quelques mat??riaux et techniques d???isolation pour les MEMS, mais ils sont limit??s. En effet, soit ils ne proposent pas un niveau d???isolation suffisant, sont trop fragiles, ou imposent des contraintes trop importantes sur la conception du dispositif et sont difficiles ?? int??grer. Une approche int??ressante pour l???isolation, d??montr??e dans la litt??rature, est de fabriquer des pores de taille nanom??trique dans le silicium par gravure ??lectrochimique. En nanostructurant le silicium ainsi, on peut diviser sa conductivit?? thermique par un facteur de 100 ?? 1000, le transformant en isolant thermique. Cette solution est id??ale pour l???int??gration dans les proc??d??s de fabrication existants des MEMS, car on garde le silicium qui est d??j?? utilis?? pour leur fabrication, mais en le nanostructurant localement, on le rend isolant l?? o?? on en a besoin. Par contre sa porosit?? cause des probl??mes : mauvaise r??sistance chimique, structure instable au-del?? de 400??C, et tenue m??canique r??duite. La facilit?? d???int??gration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, nous visons donc de r??duire les d??savantages de ces mat??riaux afin de favoriser leur int??gration dans des dispositifs en silicium. Nous avons identifi?? deux approches pour atteindre cet objectif : i) am??liorer le Si poreux ou ii) d??velopper un nouveau mat??riau. La premi??re approche consiste ?? amorphiser le Si poreux en l???irradiant avec des ions ?? haute ??nergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montr?? que l???amorphisation, m??me partielle, du Si poreux entra??ne une diminution de sa conductivit?? thermique, sans endommager sa structure poreuse. Cette technique r??duit sa conductivit?? thermique jusqu????? un facteur de trois, et peut ??tre combin??e avec une pr??-oxydation afin d???atteindre une r??duction d???un facteur cinq. Donc cette m??thode permet de r??duire la porosit?? du Si poreux, et d???att??nuer ainsi les probl??mes de fragilit?? m??canique caus??s par la porosit?? ??lev??e, tout en gardant un niveau d???isolation ??gal. La seconde approche est de d??velopper un nouveau mat??riau. Nous avons choisi le SiC poreux : le SiC massif a des propri??t??s physiques sup??rieures ?? celles du Si, et donc ?? priori le SiC poreux devrait conserver cette sup??riorit??. La fabrication du SiC poreux a d??j?? ??t?? d??montr??e dans la litt??rature, mais avec peu d?????tudes d??taill??es du proc??d??. Sa conductivit?? thermique et tenue m??canique n???ont pas ??t?? caract??ris??es, et sa tenue en temp??rature que de fa??on incompl??te. Nous avons men?? une ??tude syst??matique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant. Nous avons impl??ment?? un banc de mesure de la conductivit?? thermique par la m??thode ?? 3 om??ga ?? et l???avons utilis?? pour mesurer la conductivit?? thermique du SiC poreux. Nous avons montr?? qu???elle est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montr?? que le SiC poreux est r??sistant ?? tous les produits chimiques typiquement utilis??s en microfabrication sur silicium. D???apr??s nos r??sultats il est stable jusqu????? au moins 1000??C et nous avons obtenu des r??sultats qualitatifs encourageants quant ?? sa tenue m??canique. Nos r??sultats signifient donc que le SiC poreux est compatible avec la microfabrication, et peut ??tre int??gr?? dans les MEMS comme isolant thermique. // Abstract : Thermal insulation is essential in several types of MEMS (micro electro-mechanical systems). It can help reduce power consumption, improve performance, and can also isolate the hot area from the rest of the device, which is essential in a system-on-chip. A few materials and techniques currently exist for thermal insulation in MEMS, but these are limited. Indeed, either they don???t have provide a sufficient level of insulation, are too fragile, or restrict design of the device and are difficult to integrate. A potentially interesting technique for thermal insulation, which has been demonstrated in the literature, is to make nanometer-scale pores in silicon by electrochemical etching. By nanostructuring silicon in this way, its thermal conductivity is reduced by a factor of 100 to 1000, transforming it into a thermal insulator. This solution is ideal for integration in existing MEMS fabrication processes, as it is based on the silicon substrates which are already used for their fabrication. By locally nanostructuring these substrates, silicon is made insulating wherever necessary. However the porosity also causes problems : poor chemical resistance, an unstable structure above 400???C, and reduced mechanical properties. The ease of integration of porous semiconductors is a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to encourage their integration in silicon-based devices. We have pursued two approaches in order to reach this goal : i) improve porous Si, or ii) develop a new material. The first approach uses irradiation with high energy ions (100 MeV uranium) to amorphise porous Si. We have shown that amorphisation, even partial, of porous Si leads to a reduction of its thermal conductivity, without damaging its porous structure. This technique can reduce the thermal conductivity of porous Si by up to a factor of three, and can be combined with a pre-oxidation to achieve a five-fold reduction of thermal conductivity. Therefore, by using this method we can use porous Si layers with lower porosity, thus reducing the problems caused by the fragility of high-porosity layers, whilst keeping an equal level of thermal insulation. The second approach is to develop a new material. We have chosen porous SiC: bulk SiC has exceptional physical properties and is superior to bulk Si, so porous SiC should be superior to porous Si. Fabrication of porous SiC has been demonstrated in the literature, but detailed studies of the process are lacking. Its thermal conductivity and mechanical properties have never been measured and its high-temperature behaviour has only been partially characterised. We have carried out a systematic study of the effects of HF concentration and current on the porosification process. We have implemented a thermal conductivity measurement setup using the ???3 omega??? method and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. We have shown that it is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is chemically inert in the most commonly used solutions for microfabrication. Our results show that porous SiC is stable up to at least 1000???C and we have obtained encouraging qualitative results regarding its mechanical properties. This means that porous SiC is compatible with microfabrication processes, and can be integrated in MEMS as a thermal insulation material.

Les futures missions d'exploration spatiale nécessitent le stockage d'ergols cryogéniques sur de longues durées.Sous l'effet d'entrées thermiques résiduelles, l'ergol se vaporise et le réservoir s'auto-pressurise, pouvant entraîner la rupture du réservoir pour des missionssuffisamment longues. Cette thèse s'intéresse à un système de contrôle, appelé Thermodynamic Venting System (TVS), reposant sur l'injection d'un jet sous-refroidi dans le réservoir.L'injection entraîne la condensation de la vapeur, la déstratification du bain liquide et donc une baisse de pression dans le réservoir.L'étude expérimentale a permis de mettre en place une technique originale d'isolation active générant une condition de paroi à flux de chaleurnet nul. Une base de données expérimentales, d'auto-pressurisation et de contrôle TVS, a été constituée avec ce nouveau dispositif.Elle a notamment permis de valider un modèle thermodynamique homogène permettant de prédire l'évolution de température et depression dans le réservoir. Ce modèle a été étendu pour de façon à décrire le comportement de tous les éléments constitutifs du système TVS.Un outil de dimensionnement du système complet a ainsi été mis en place.En le couplant à une plateforme d'optimisation, un système TVS optimal a pu être établi pour une mission de démonstration.Enfin une étude numérique a permis de mettre en évidence, pour notre cas d'étude, les faiblesses des modèles de changement de phase disponibles dans les solveursCFD commerciaux. Une modélisation prédictive du changement de phase a été mise en place dans un code de calcul recherche puis validée sur uncas académique 1D. / Future operations in space exploration require the ability to store cryogens for long duration. Residual heat loads induce cryogenic propellant vaporization andtank self-pressurization (SP), eventually leading to storage failure for long enough mission duration.This thesis focuses on a control strategy, called Thermodynamic Venting System (TVS), based on a recirculating liquid subcooled injection. The injection results inan ullage condensation, a liquid bath destratification and thus a tank pressure reduction.Experimentally, an original active insulation technique has been set up, yielding a net zero heat flux wall boundary condition. A data base ofself-pressurisation and TVS control experiments has been gathered with this new aparatus.It was used to validate an homogeneous thermodynamic model providing a fast prediction of tank temperature and pressure during control.This model has been extended to discribe the TVS system behaviour including all its components. This full system design tool has been coupled with an optimisationplatform and an optimal TVS design has been established for a demonstration mission.Furthermore, a numerical study has evidenced the weakness of commercial CFD software to simulate phase change, for TVS configuration.A predictive phase change formulation has been set up in a home-made software and validated on a 1D academic case.

Cette thèse a été consacrée à l’étude du Si poreux comme matériaux à faible conductivité thermique (k) pour application aux dispositifs thermoélectriques à base de Si. D’autres paramètres thermoélectriques, comme par exemple le coefficient Seebeck de ce matériau, ont été également étudiés.Si poreux est un matériau complexe composé de nanostructures de Si séparées de vide. Quand la porosité est élevée, sa conductivité thermique est bien inférieure à celle de Si cristallin. Nous avons étudié la conductivité thermique de Si poreux de différentes morphologies et porosités dans la gamme de températures 4.2-350K. Les mesures à T<20K sont les premières dans la bibliographie et ont montré une saturation de k en fonction de T pour ces températures. A des températures supérieures à 20K, k augmente régulièrement avec la température. La dépendance de température de k de Si poreux a été interprétée en considérant des modèles théoriques, basées sur la nature “fractal” de Si poreux. Nous avons calculé la dimension fractale de Si poreux par des images de microscopie électronique à balayage (SEM) et l’algorithme de “box counting”.Deux méthodes différentes ont été utilisées pour mesurer k: la méthode à courant direct (dc) combinée avec une analyse FEM et la méthode 3ω. Nous avons proposé deux approches améliorées pour extraire k du signal de potentiel 3ω en fonction de la fréquence. La première considère l’accord des résultats expérimentaux avec la solution asymptotique intégrale de la formule de Cahill, et la seconde fait une analyse des résultats expérimentaux en solvant l’équation temporelle de transfert de chaleur par des éléments finis. Plus précise est la méthode 3ω combinée avec des éléments finis. Les résultats correspondants sont en bon accord avec ceux obtenus par la méthode dc.Nous avons aussi étudié le Si poreux comme matériau thermoélectrique. Dans ce cas, le Si poreux peut être intéressant si il a une faible porosité, car le matériau à haute porosité est très résistive. Dans ce but, nous avons déterminé le coefficient Seebeck (S) des membranes de Si poreux de différentes porosités dans la gamme 40-84%, en utilisant un dispositif de mesure spécialement développé à cet effet. Pour des échantillons de porosité 51%, la valeur de coefficient S est de 1mV/K, bien supérieure à celle le Si cristallin. La dépendance de S de la porosité n’est pas monotone, et ceci est attribué à une combinaison des effets de filtrage d’énergie, des collisions des phonons et interactions phonon-porteurs électriques. Les résultats obtenus sont basées sur des mesures de photoluminescence (PL) et observations microscopiques à transmission (TEM). Nous avons enfin conclue que, malgré le coefficient S très élevé, le Si poreux n’est pas adéquat comme matériau thermoélectrique à cause de sa faible conductivité électrique, qui diminue en augmentant la porosité à cause de la résultante déplétion de porteurs.Nous avons aussi étudié des films minces polycristallins dopés avec du Bore. Ces films sont très intéressants comme matériaux thermoélectrique, car ils sont compatibles avec les procédés de fabrication des circuits intégrés de Si. Leur performance thermoélectrique est améliorée par diminution de la taille des grains. Des films minces polycristallins d’épaisseur entre 100 et 500nm ont été étudiés. Tous leurs paramètres thermoélectriques ont été mesurés et nous avons trouvé que le facteur de performance thermoélectrique zT augmente d’un facteur 3 en diminuant l’épaisseur de 500 à 100nm ceci étant attribué à la diminution de la taille des grains dans les films, conduisant à zT = 0.033, qui est la meilleure valeur reporté dans la littérature.Ce résultat compétitif augmente le potentiel d’utilisation des films polycristallins dans des dispositifs thermoélectriques efficaces, compatibles à la technologie de Si. / This thesis is devoted to the thermal conductivity and other thermoelectric properties of porous silicon (PSi) and thin polycrystalline Si films (thickness: 100-500 nm).PSi is a complex material composed of a Si skeleton of interconnected nanowires and dots, separated by voids. When it is highly porous, its thermal conductivity is very low, even below that of the amorphous Si. This makes it a good material for use as a thermal isolation platform on the Si wafer. In addition, its Seebeck coefficient is much higher than that of bulk c-Si.We studied k of PSi layers with different morphologies and porosities, in the temperature range 4.2-350K. The measurements below 20K are the first reported in the literature. A plateau-like dependence on temperature was observed for T below 20K, while above this temperature a monotonic increase with T is observed. The observed behaviour was interpreted using known theoretical models, based mainly on the fractal nature of PSi. PSi was characterized as a fractal material by calculating its fractal dimension using SEM images and the box counting algorithm.Two different methods were used to determine porous Si thermal conductivity: the DC method combined with FEM analysis and the 3ω method. Concerning the 3ω method, two improved approaches were proposed for extracting k from the 3ω voltage as a function of frequency: the first uses a fitting of the experimental data to the asymptotic solution of the Cahill’s integral formula, and the second is based on the analysis of the experimental data by combining them with a solution of the transient heat transfer equation using FEM analysis. The results in this second case were more accurate and in very good agreement with the DC method.We also measured the Seebeck coefficient (S) of PSi membranes with porosities 40-84% using a home-built setup, which was fabricated, calibrated and tested within this thesis. A value as high as 1mV/K was obtained for the 51% porosity sample. An anomalous porosity dependence of S was obtained, which was attributed to the interplay between energy filtering, phonon scattering and phonon drag effects. The results were explained by combining them with PL and TEM measurements, used for the determination of nanocrystal sizes. We concluded that, despite of the extremely low k and the high S of PSi, the material with the studied high porosities is not adequate for use as a “good thermoelectric” material, because of its significantly low electrical conductivity, which decreases with increasing porosity, resulting from carrier depletion during formation.We also studied the thermoelectric properties of thin, boron-doped, polycrystalline silicon films, which are much more attractive for use as Si-based thermoelectrics than porous Si. Their thermoelectric performance is improved by decreasing film thickness, due to a decrease in polysilicon grain size. Thin films with thickness between 100-500nm were investigated. We measured their thermal conductivity, resistivity and Seebeck coefficient and extracted their thermoelectric figure of merit, which showed threefold increase by reducing film thickness down to 100nm. A value as high as 0.033 was achieved, which is the highest reported in the literature so far for boron-doped polysilicon films at room temperature. This increase is attributed to a decrease in the grain size of the material. The obtained value shows the interest of nanocrystalline Si films for integration in efficient Si-based thermoelectric generators, compatible with CMOS processing.

L'objectif de cette thèse est la préparation d’aérogels biosourcés ayant des propriétés de super-isolation thermique. Pour cela, nous avons choisi de développer de nouveaux aérogels à base de nanofibres de cellulose (NFC). Les aérogels ont été préparés par lyophilisation. Dans un premier temps, une analyse des paramètres expérimentaux jouant un rôle sur la morphologie et les propriétés physico-chimiques des aérogels a été réalisée afin d’obtenir les meilleures propriétés d’isolation thermique. Avec une suspension de NFC à 2% en masse, sans ajout de sels et sans faire varier le pH, une lyophilisation réalisée dans des moules d’aluminium à une température de -80°C a permis d’obtenir des aérogels ayant une conductivité thermique de 0,024 W/m.K. Afin de diminuer cette conductivité thermique, nous avons choisi de réduire la taille des pores pour obtenir un effet Knudsen. Pour cela, une nouvelle technique de séchage a été proposée : la lyophilisation par pulvérisation. Les aérogels préparés dans les mêmes conditions expérimentales que précédemment avec cette technique ont des propriétés thermiques super-isolantes (0,018 W/m.K) grâce à la nano-structuration du réseau poreux. Finalement, un nouveau dispositif expérimental a été développé pour caractériser plus finement les propriétés thermiques des aérogels. C’est un dispositif transitoire impulsionnel qui permet d'estimer simultanément la contribution de la conduction solide et gazeuse, l'effet radiatif et la diffusivité thermique grâce à un modèle théorique simple. Ce dispositif permettra d’approfondir l’étude complexe du transfert thermique à travers des matériaux poreux semi-transparents tels que les aérogels. / The objective of this thesis is the preparation of renewable aerogels having thermal super-insulating properties. To do it, we designed new aerogels from nanofibrillated cellulose (NFC) by freeze-drying. This technique is simple and has the advantage of not using organic solvents. First of all, the parameters playing a role on the aerogel morphology and physico-chemical properties of the aerogels were analyzed to get the best thermal insulating properties. Using 2 wt% NFC suspensions, without addition of salts, keeping the initial pH, the obtained freeze-dried aerogels in alumina molds at -80 °C have a thermal conductivity of 0.024 W/m.K. In order to reduce the pore size and to improve the thermal insulating properties by Knudsen effect, a new drying technique was proposed: the spray freeze-drying. Aerogels prepared in the same experimental conditions with this technique have thermal super-insulating properties (0.018 W/m.K) thanks to the nanostructuration of the porous network. Finally, a new device was designed to characterize more precisely the thermal properties of aerogels. This is an impulsive transient device, which can estimate simultaneously the contribution of solid and gas conduction, the radiative effect and thermal diffusivity using a simple theoretical model. This device will allow studying complex heat transfer through porous semi-transparent materials such as aerogels

Dans un contexte d’économie d’énergie et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, de nombreux efforts ont été réalisés en France pour renforcer l’isolation de l’enveloppe des bâtiments afin de contribuer à réduire les consommations de chauffage. Toutefois, il arrive souvent que la performance thermique calculée avant construction ou rénovation ne soit pas atteinte sur le terrain (erreur de calcul, défauts de mise en œuvre, etc.). Or, pour pouvoir généraliser la construction de bâtiments à basse consommation et la rénovation, il faut pouvoir garantir aux maîtres d'ouvrage une performance réelle de leur bâtiment après travaux. Le fait de mesurer in situ la performance intrinsèque d'isolation thermique de l'enveloppe permet de contribuer à cette garantie. Il existe à l’échelle internationale de nombreuses méthodes basées sur le suivi des consommations et des conditions thermiques intérieures et extérieures. Certaines ont déjà fait leurs preuves sur le terrain, mais sont souvent soit contraignantes, soit peu précises. Et surtout, les calculs d’incertitude associés sont souvent rudimentaires. L’objectif de ce travail financé par le CSTB est de consolider scientifiquement une nouvelle méthode de mesure de la qualité d’isolation globale d’un bâtiment à réception des travaux (méthode ISABELE). Dans le premier chapitre, un état de l'art sur les méthodes existantes a été réalisé afin de dégager des pistes d'amélioration sur la base d'une synthèse comparative. La piste prioritaire identifiée porte sur le calcul d'incertitude (un point central du problème). La propagation des erreurs aléatoires par un approche bayésienne ainsi que des erreurs systématiques par une approche plus classique feront l'objet de la méthodologie globale proposée dans le second chapitre. L'une des importantes sources d'incertitude porte sur l'évaluation du débit d'infiltration. La caractérisation de cette incertitude et de l'impact sur le résultat de mesure fera l'objet du troisième chapitre, avec un comparatif de différentes approches expérimentales (règle du pouce, modèles aérauliques, gaz traceur). Enfin, une amélioration de la prise en compte de la dynamique thermique du bâtiment au cours du test sera proposée dans le dernier chapitre. Son fondement repose sur l'adaptation du modèle thermique inverse en fonction du bâtiment et des conditions du test. Pour cela, une sélection parmi une banque de modèles simplifiés est réalisée sur la base de critères statistiques et du principe de parcimonie. Ces différentes dispositions ont été testés sur une large série de mesures menées sur un même bâtiment à ossature bois (chalet OPTIMOB). La robustesse et la précision du résultat de mesure ont ainsi pu être légèrement améliorées. La méthode de calcul du débit d'infiltration, ni trop simple ni trop complexe, a pu également être validée. Enfin, le temps de mesure minimal nécessaire a pu être déterminé en fonction de la classe d'inertie du bâtiment. / The global context of energy savings and greenhouse gases emissions control led to significant efforts in France to boost the thermal insulation in buildings in order to reduce heating consumption. Nevertheless, the stated thermal performance before construction or refurbishment is rarely achieved in practice, for many reasons (calculation errors, defects in materials or workmanship, etc.). Yet, guaranteeing the real thermal performance of buildings on the spot is crucial to enhance the refurbishment market and the construction of energy efficient buildings. To do so, measurement techniques of the intrinsinc thermal insulation performance indicators are needed. Such techniques already exist worldwide, and consist in processing the measurement data from the indoor and outdoor thermal conditions and the heat consumption. Some of them have already proved themselves in the field, but are either binding or very imprecise. And above all, the related uncertainty calculations are often rough. The objective of this thesis funded by CSTB is to consolidate a novel measurement method of the thermal insulation quality of a whole building after reception of work (ISABELE method). In the first chapter, a state of the art of the existing methods allows to identify possible ways to pursue this goal from a comparative synthesis. The primary reflection is about the uncertainty calculation method (which is a central issue). The second chapter presents a global methodology to combine the propagation of random and systematic errors from bayesian and classical approaches. One of the most important uncertainty sources deals with the infiltration air flow evaluation during the test. The third chapter investigates the characterization of this uncertainty, as well as its impact on the final result, depending on the chosen experimental approach (rule of thumb, simplified aeraulic models, tracer gases). Lastly, an improvement of the inclusion of the bluiding thermal dynamics during the test will be proposed in the last chapter. The basis of this improvement is to adapt the inverse model according to the building type and the test conditions. To do so, the proposed algorithm selects a model form a variety of simplified greybox models based on statistical criteria and parcimony. All these contributions have been tested on a large serie of measurements on a same timber-framed building (OPTIMOB shed). The robustness and precision of the results have been slightly improved. The intial infiltration air flow calculation, neither too simple of too complicated, has also been validated. Finaly, a better ordrer of magnitude of the minimal test duration has been determined, depending on the building inertia.

Le caractère fortement hydrophile des isolants thermiques bio-sourcés, a montré que les modèles classiques de transfert thermique ne sont pas suffisamment adaptés pour leur caractérisation thermique. Ce travail de thèse vise à répondre à cette problématique par des approches expérimentale et théorique des transferts couplés chaleur-humidité. Dans l’approche expérimentale, un isolant thermique en feutre de fibres de lin (FFL) a été développé puis caractérisé, dans différents états hygrométriques, au moyen d’un dispositif Plan Chaud asymétrique. Des isothermes d’adsorption de l’humidité corrélés aux modèles théoriques GAB, GDW et Park permettent une caractérisation hydrique de cet isolant. Dans l’approche théorique, un modèle physique, de transfert couplé chaleur-humidité au sein de l’isolant FFL humide, est proposé. Il est résolu numériquement, en configuration 3D transitoire, par la méthode de éléments finis sous COMSOL Multiphysics et par la méthode des différences finies, en configuration 1D transitoire, sous MATLAB. La méthode de Levenberg-Marquardt couplée avec le modèle direct 1D transitoire et les températures mesurées a permis d’estimer la conductivité thermique apparente de l'échantillon étudié avec une erreur relative inférieure à 6% par rapport aux mesures expérimentales, validant ainsi les modèles théoriques. / The conventional heat transfer models are not sufficiently suitable for thermal characterization of bio-sourced thermal insulating materials due to their strongly hydrophilic nature. The proposed work in this PhD thesis aims to answer this problem with experimental and theoretical approaches of coupled heat-moisture transfers. In the experimental approach, a thermal insulating material based on Flax Fiber Felt (FFF) is developed and then characterized at different hygrometric conditions with an asymmetric hot plate device. The humidity diffusion characterization of the samples is done using the GAB, GDW and Park theoretical moisture adsorption isotherm models. In the theoretical approach, a physical model of heat and mass transfer is proposed. It is solved numerically, in transient 3D configuration, by the finite element method under COMSOL Multiphysics and, in transient 1D configuration, by the finite difference method under MATLAB. The Levenberg-Marquardt method coupled with the 1D transient direct model and the measured temperatures made it possible to estimate the apparent thermal conductivity of the studied sample with a relative error of less than 6% compared to the experimental measurements, thus validating the theoretical models.