In der serienmäßigen Verarbeitung von hochfesten Feinkornbaustählen zeigte sich, dass verschiedene Stähle gleicher Festigkeitsklasse zu stark unterschiedlichen Schweißergebnissen beim Laserstrahltiefschweißprozess führen können. Die materialbedingten Einflüsse auf das Schmelzbadverhalten sind bisher in keiner bekannten Forschungsarbeit untersucht worden. Diese Arbeit erweitert die bisherige Forschung mit neuen Erkenntnissen aus umfangreichen Materialanalysen und Schweißversuchen. Dadurch wurde es möglich, ein ganzheitliches Erklärungsmodell der materialbedingten Einflüsse beim Laserstrahltiefschweißprozess zu beschreiben. Diese Arbeit fokussierte sich einerseits auf die Analyse der chemischen Zusammensetzung der Grundmaterialien und die Auswirkungen der Legierungselemente auf die Schweißnahtvorbereitung in Kombination mit dem Vorprozess Laserstrahlbrennschneiden. Andererseits wurde gezielt die Auswirkung der chemischen Grundmaterialzusammensetzung auf das Schmelzbadverhalten im Laserstrahltiefschweißprozess untersucht. Dabei wurden die Blechstärken so variiert, dass durchgeschweißte und nicht durchgeschweißte I-Naht-Verbindungen, geschweißt unter konstanten Schweißbedingungen, analysiert werden konnten. Die Schweißparameter und der Hilfsstoffeinsatz wurden dabei konstant gehalten, sodass Vergleichsanalysen der Schweißergebnisse möglich waren. Bei durchgeschweißten Stößen wurde die Schmelzbadoberfläche, aber auch die Schmelzbadunterseite per Hochgeschwindigkeitskamera inkl. Laserlichtfilter analysiert. Bei nicht durchgeschweißten Stößen wurde die Wirkung der verschiedenen Schnittkantenzustände auf das Einschweißverhalten und die Einbrandgeometrie an mehr als 100 Makroschliffen untersucht. Die Untersuchungen zeigten, dass die Art der Schnittkantenbehandlung nach dem Laserstrahlbrennschneidprozess materialbedingt zu unterschiedlichen Schnittkantenzuständen führt. Diese können in weiterer Folge die Schweißergebnisse stark beeinflussen. Auch bei mechanisch bearbeiteten Schweißnahtvorbereitungen wurden grundwerkstoffbedingte Unterschiede in der Einbrandform und im Erstarrungsgefüge nachgewiesen. Unbehandelte und somit schnittoxidbehaftete Schnittkanten bzw. auch Schweißnahtvorbereitungen mit manuell aufgetragenem SiO2 führen zu einer Stabilisierung der Dampfkapillare und erhöhen die Einschweißtiefe signifikant. Die positive Wirkung von Oxiden, welche direkt in der Schweißfuge dem Schmelzbad zugeführt werden, wurden mit den experimentellen Versuchen in dieser Arbeit erstmals nachgewiesen. Bei den gewählten Schweißparametersätzen stellen die Oxide in der Schweißfuge die dominierende Einflussmöglichkeit beim Laserstrahltiefschweißprozess dar. Vergleiche der mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften bei unterschiedlichen Schnittkantenzuständen und Schweißversuche mit unterschiedlichen Schutzgaszusammensetzungen zeigten die Auswirkungen der verschiedenen Fugenvorbereitungen auf die Schweißergebnisse. Durch die Kombination der bisherigen Erkenntnisse aus der Forschung mit den neu gewonnenen Erkenntnissen aus dieser Arbeit, konnte ein ganzheitliches Erklärungsmodell aufgestellt werden, das die Einflüsse der Grundmaterialzusammensetzung entlang der Prozesskette beschreibt und die materialabhängigen Unterschiede der Schweißergebnisse aus dem Laserstrahltiefschweißprozess nachvollziehbar macht. Die Erkenntnisse dieser Arbeit ermöglichen ein erhöhtes Prozessverständnis und zeigen neue Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung in der Blechverarbeitungsprozesskette mit Lasertechnologien.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Technik 4 Experimentelles 5 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 6 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 7 Schlussfolgerungen und Ausblick / In the industrial series processing of high-strength fine grain steels, it was found that different steels of the same strength class can lead to different welding results by the laser beam keyhole welding process. The material-related influences on the molten pool behavior have not yet been investigated in any known research. This research work extends the state of knowledge with new findings from extensive material analysis and welding tests. This new findings made it possible to describe a holistic explanatory model of the material-related influences in the laser beam keyhole welding of high-strength fine grain steels. On the one hand, this work focused on the analysis of the chemical composition of the base materials and the effects of the alloying elements on the weld preparation in combination with the laser cutting process. On the other hand, the effect of the chemical base material composition on the melt pool behavior during laser keyhole welding process was specifically investigated. The welding parameters and the use of filler material were kept constant so that comparative analysis of the welding results was possible. The sheet thicknesses were varied so that full penetration and partly penetration I-seam-butt-welds could be analyzed. While welding full penetration welds, the surface of the molten pool as well as the root of the melt pool was analyzed by a high-speed camera equipped with laser light filter. For the partly penetration welds, the effect of the different cutting edge conditions on the penetration depth and the weld penetration geometry was investigated on more than 100 macro sections. The investigations have shown that the type of cut edge treatment after the laser beam cutting process leads to different cutting edge conditions depending on the material. These different conditions can subsequently strongly influence the welding results. Base-material-related differences in the penetration shape and in the solidification structure were detected in the cross sections even on seams welded on mechanically processed edge preparations. After laser beam cutting, untreated and thus cut-oxide-containing cut edges lead to a stabilization of the keyhole and increase the penetration depth significantly. This effect could also be observed with manually applied SiO2 on the mechanically processed edge preparations before welding. The positive effects of oxides, which are existing directly in the weld preparation groove, were first detected with the experimental investigations during this work. With regard to the selected welding parameter sets, the oxides that are directly on the weld preparation edges are the dominant influence option in the laser beam keyhole welding process. Comparisons of the mechanical-technological joint properties at different cutting edge conditions and welding tests with different protective gas compositions showed the impacts of various joint preparations on the final welding results. By combining previous experience with the results of this work, a holistic explanatory model was developed, which describes the influence of the base material composition along the process chain and makes the material-dependent differences of the welding results of the laser beam keyhole welding process comprehensible. The findings of this work enable a better understanding of the process and show new possibilities for increasing efficiency in the concerned sheet metal processing chain with laser technologies.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Technik 4 Experimentelles 5 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 6 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 7 Schlussfolgerungen und Ausblick

Cette étude concerne la physique des écoulements convectifs résultant d’une instabilité d’évaporation de fluides binaires. Ce problème a de nombreuses applications, l’enrobage par centrifugation, le dépôt de films, les caloducs, etc, pour lesquels le changement de phase et la convection jouent un rôle prépondérant dans la conception et la qualité des procédés. Le système physique étudié est un mélange liquide sous sa propre vapeur, confiné par deux plaques conductrices de chaleur et des bords latéraux isolants. Les plaques sont utilisées pour appliquer un gradient thermique. Aucun gradient de concentration n’est imposé au système. Ces gradients sont induits par les différentes vitesses d’évaporation des composés. Dans ce système, il est important de comprendre comment la dynamique des fluides et les transferts de masse et de chaleur entrent en compétition pour la formation de structures. Le principal objectif de ce travail est d’identifier les conditions pour que le système évolue d’un état conductif vers un état de convection lorsque le gradient vertical de température dépasse une certaine valeur critique.Dans le système, la convection s’installe par trois mécanismes distincts : évaporation, gradients de densité et gradients de tension interfaciale. Trois forces convectives s’opposent aux effets de diffusion qui tendent à garder le système en état conductif. Le seuil d’apparition de la convection dépend de quelques variables, comme les dimensions du contenant, les propriétés thermophysiques des phases liquide et vapeur, la fraction massique, et les caractéristiques de perturbations. L’effet de chacune de ces variables sur le seuil est étudié en présence ou non de gravité.Pour représenter la physique, un modèle mathématique non linéaire complet est développé, basé sur les conservations de quantité de mouvement, d’énergie et de masse dans chaque phase avec les conditions aux limites appropriées. Le fluide binaire est composé de deux alcools légers comme l’éthanol et le sec-butanol. Dans les équations du modèle, la masse volumique ainsi que la tension interfaciale sont fonctions à le fois de la température et de la concentration. Pour la recherche du seuil de transition, les équations sont linéarisées autour d’un état de base connu. Dans notre cas, il s’agit de l’état conductif. Le système d’équations linéaires résultant est résolu par une méthode de collocation spectrale Chebyshev.Nous obtenons quatre résultats principaux. Premièrement, dans un système multi-composants sans gravitation, une instabilité n’apparaît que lorsque le système est chauffé du côté de la phase vapeur contrairement à un système mono-composant. Cela implique que, si on souhaite éviter les instabilités, il vaut mieux un apport de chaleur par la phase liquide en cas de processus d’évaporation en couches minces ou en micro-gravité.Deuxièmement, en présence de gravité, un système multi-composants peut devenir instable quelle que soit la direction du chauffage. Si la convection thermique est négligeable, alors nous montrons que le chauffage par la phase vapeur est la configuration la plus instable. Sinon, les deux modes de chauffage sont à même de produire une instabilité. Ce résultat implique que le gradient thermique appliqué doit être inférieur à une valeur seuil pour éviter les instabilités quelle que soit la direction du chauffage.Troisièmement, lorsque l’instabilité apparaît en absence de gravité, des structures n’apparaitront pas dans le cas de fluide pur mais apparaitront dans le cas d’un fluide multi-composants. De même, des structures apparaitront en présence de gravité en fonction du facteur d’aspect du confinement. Les facteurs d’aspect peuvent être choisis pour éviter des structures multi-cellulaires même en cas d’apparition d’instabilités durant l’évaporation.Enfin, des structures oscillantes ne sont pas prédites de façon générale malgré les effets opposés des convections solutale et thermique dans le problème d’évaporation. / This study focuses on understanding the physics of the convective flow resulting from evaporative instability in binary mixtures. This problem has wide applications in spin coating, film deposition, heat pipes, etc. where phase change and convection play a very important role in the design process and also final quality of the product. The physical system of interest consists of a liquid mixture underlying its own vapor sandwiched between two conducting plates with insulated sidewalls in a closed container. The conducting plates are used to apply a vertical temperature gradient while there is no applied concentration gradient in the system. Concentration gradients are induced by the different evaporation rate of the components. In this system it is important to understand how the fluid dynamics and the heat and mass transfer interact competitively to form patterns. The main goal of this work is to identify the conditions for the system going from the conductive no-flow state to a convection state when the applied vertical temperature gradient exceeds a certain value called the critical value.In the system convection arises due to three distinct phenomena; evaporation, density gradients, and interfacial tension gradients. These convective forces are opposed by the diffusion effects that try to keep the system in the conductive no-flow state. The onset point depends upon several variables such as the dimensions of the container, thermo-physical properties of both liquid and vapor phases, mass fraction, and the characteristic of the disturbance given to the system. The effects of each of these variables on the onset point are investigated both in the presence and in the absence of gravity. To represent the physics a complete non-linear mathematical model is developed including momentum, energy, and mass balances in both phases with appropriate boundary conditions. The binary mixture is assumed to be made up of two low weight alcohols such as ethanol and sec-butanol. In the modeling equations the density and the interfacial tension are taken to be function of both temperature and concentration. To identify the onset point the non-linear equations are linearized around a known base state. In this case the base state is the conductive no-flow state. The resulting set of linear equations is solved using a spectral Chebyshev collocation method. Four major results arise from this work. First, in a multi-component system in the absence of gravity, an instability arises only when the system is heated from the vapor side as opposed to evaporation in a single-component. The implication is that evaporative processes in thin layers or in micro-gravity are best conducted with heat from the liquid side if instabilities are to be avoided.Second, in the presence of gravity, a multi-component system may become unstable no matter the direction of heating. If thermal buoyancy is negligible then it is shown in this study that heating from the vapor side is the unstable arrangement. Otherwise either heating style can produce an instability. This result means that the applied temperature difference must be kept below a threshold in order to avoid flow instabilities no matter the heating direction.Third, whenever instability occurs in the absence of gravity, patterns will not result in the case of a pure component but may result in the case of multi-components. Likewise, patterns will result when gravity is taken into account provided the aspect ratio of the container lies in a suitable range. As a result, aspect ratios can be chosen to avoid multi-cellular patterns even if convective flow instabilities arise during evaporation.Lastly, oscillations are not ordinarily predicted despite opposing effects of solutaland thermal convection in the evaporation problem.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de novas instrumentações baseadas em efeitos fototérmicos para o estudo de interfaces sólido-líquido e líquido-gás, incluindo no último caso o efeito de surfactantes. O trabalho está dividido em capítulos, cada um enfocando o desenvolvimento e/ou aplicação de uma nova técnica. O Capítulo I apresenta uma introdução aos fenômenos fototérmicos e desecreve a construção de instrumentos clássicos de Lente Térmica (LT) nas configurações de simples e duplo feixe. Interfaces sólido-líquido foram estudadas nos capítulos II-IV usando variações da instrumentação clássica de LT. Um novo sinal fototérmico foi caracterizado, indicando a formação de uma lente térmica invertida na interface. Experimentos de varredura-z na configuração por reflexão foram usados para determinar a mudança no índice de refração da interface próximo ao ângulo crítico, e uma metodologia similar foi utilizada para a medida da difusividade térmica de amostras opacas. Nos capítulos V-VII, a deformação de superfícies líquidas foi estudada pelo efeito Marangoni induzido por laser e pela geração de ondas capilares. A transferência de calor pela interface líquido-gás foi monitorada por Deflexão Fototérmica Transversal. Em todos os casos, a influência de surfactantes foi estudada pela formação de uma monocamada na superfície dos líquidos. Observou-se que uma pequena quantidade de surfactante é capaz de cessar a movimentação de líquidos induzida por gradientes de tensão superficial e aumentar significativamente a transferência de calor pela interface. Os resultados indicam uma correlação entre as transições de fase das monocamadas e a atenuação da deformação superficial bem como o aumento na transferência de calor. Finalmente, o capítulo VIII apresenta uma coleção de trabalhos que derivaram dos estudos relacionados com as instrumentações desenvolvidas. / This work presents the development of new instrumentations based on photothermal phenomena to study solid-liquid and liquid-gas interfaces, including in the latter the effect of surfactants. The work is divided into chapters, each one focusing on the development and/or application of a new technique. Chapter I presents an introduction to photothermal phenomena and describes the construction of classical Thermal Lens (TL) instruments in the single and double-beam configurations. Solid-liquid interfaces were studied in chapters II-IV using variations of the classical TL instrumentation. A new photothermal signal was characterized, indicating the formation of an inverted thermal lens at the interface. Z-scan experiments in the reflection configuration were used to determine the change in the refractive index of an interface close to the critical angle, and a similar methodolody was used to measure the thermal diffusivity of opaque samples. In Chapters V-VII, the deformation of liquid surfaces was studied by laser-induced Marangoni effect and the generation of capillary waves. Heat transfer through the liquid-gas interface was monitored by Transverse Photothermal Deflection. In all cases, the influence of surfactants was studied by forming a monolayer on the surface of the liquids. It was observed that a tiny amount of surfactants was able to cease the motion of liquid induced by surface tension gradients and to increase significantly the heat transfer through the interface. The results indicate a correlation between phase transitions of the monolayers and the attenuation of the surface deformation as well as the increase in the heat transfer. Finally, chapter VIII is a collection of other works that derived from the studies related to the instrumentations developed.

Le procédé de soudage TIG met en jeu un arc électrique entre une électrode réfractaire de tungstène et les pièces à souder. L'électrode et la zone fondue sont protégées contre la pollution ambiante par une atmosphère neutre d'argon. Ainsi, de est un procédé de prédilection dans les secteurs aussi variés que le nucléaire, l'aéronautique, les industries chimiques et agro-alimentaires.<br />Nonobstant ces qualités, ce procédé souffre d'un lourd handicap : sa faible productivité, particulièrement dans le cas des pièces de forte épaisseur. En effet, au-delà de 3mm d'épaisseur, il est nécessaire d'usiner les bords à souder et de faire des passes multiples avec du métal d'apport. L'accroissement du nombre de passes multiplie les risques de défauts et augmente les déformations et accroît la zone thermiquement affectée.<br />Il parait alors intéressant de disposer d'un procédé simple permettant de s'affranchir des faibles pénétrations inhérentes aux soudures TIG.<br />Il nous a semblé opportun de développer une technique permettant d'étendre les domaines d'utilisation du soudage TIG de 3 à 7mm d'épaisseur soudable maximale sans préparations. Cette technique appelée ATIG consiste à déposer, en endroit du joint à souder un flux activant qui va, au passage de l'arc électrique, modifier les courants de convection dans le bain de fusion, ainsi que l'équilibre électrochimique du plasma.<br />Ce document traite du développement de ces produits, ainsi que de la mise en évidence des mécanismes d'activation opérant au cours du soudage.<br />Ce travail, mené en collaboration avec la société B.S.L.i a conduit à la formulation de deux compositions (appliquées respectivement aux aciers inoxydables et aux alliages de titane) en phase de commercialisation par la société CASTOLIN S.A., ainsi qu'à la réalisation industrielle d'une colonne chimique avec plus de 2200 soudures ATIG orbitales.

Der Bericht beschäftigt sich mit spontaner Grenzflächenkonvektion und -turbulenz beim Stoff- und Wärmeübergang an fluiden Phasengrenzen zwischen zwei nicht mischbaren Phasen. Solche Effekte sind von großer industrieller Bedeutung, da die erzielten Stoffübergangsraten um ein Vielfaches über den bei gewöhnlicher Diffusion auftretenden liegen. Zwei unterschiedliche Mechanismen sind der "Motor" für die Instabilitäten: Marangoni-Instabilität: Die Grenzflächenspannung ist eine Funktion der Temperatur und der Grenzflächenkonzentration des ausgetauschten Stoffes. Schwankungen der Temperatur und der Konzentration entlang der Phasengrenze führen folglich zu Grenzflächenspannungsgradienten. Grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitäten äußern sich durch rollenförmige oder polygonale Konvektionszellen, Eruptionen oder Turbulenz an der Phasengrenze. Schwerkraftgetriebene Instabilität: Die Dichte ist ebenfalls eine Funktion der Temperatur und der Konzentration des gelösten Stoffes. Der Transport eines Stoffes über eine fluide Phasengrenze verändert die Zusammensetzung und die Dichte der angrenzenden Flüssigkeitsschichten, sodass instabile Dichteschichtungen auftreten können. Temperaturgradienten entstehen dabei durch Freisetzung von Reaktions- und/oder Lösungsenthalpie. Auftriebsbewegungen haben die Form von Thermiken (engl. plumes, thermals). Die Phänomene der Grenzflächenkonvektion werden in einer vertikalen Kapillarspaltgeometrie untersucht. Neben Stoffsystemen mit reaktivem Stoffübergang (Neutralisation von Karbonsäuren, Hydrolyse und Veresterung von Alkanoylhloriden) kamen auch solche mit reaktionsfreiem Stoffübergang (Karbonsäuren, Tensid) zur Anwendung. Die instabile Dichteschichtung, die durch den Konzentrationsgradienten infolge der Stoffdiffusion erzeugt wird, führt zu Auftriebskonvektion in Form von Thermiken. Die Anwesenheit einer exothermen Reaktion bewirkt eine Vergrößerung des Längenwachstums der Thermiken in der oberen Phase durch Aufprägung eines zusätzlich destabilisierenden Temperaturgradienten. In der unteren Phase kommt es dagegen zum Entstehen des doppeldiffusiven Fingerregimes bei Überlagerung des destabilisierenden Konzentrationsgradienten durch den stabilisierenden Temperaturgradienten. Beim Übergang eines Tensids konnten die für diese Stoffklasse charakteristischen Rollzellen, die durch Grenzflächenspannungsgradienten angetrieben werden, beobachtet werden. Diese Konvektionsstrukturen bleiben auf einen schmalen Bereich ober- und unterhalb der Phasengrenze beschränkt. Die Transportgleichungen für Impuls, Stoff und Wärme wurden in ihrer 2-dimensionalen Form in einen Rechenkode umgesetzt und der Übergang einer einzelnen Komponente simuliert. Die hydrodynamischen Bedingungen an der Phasengrenze wurden so formuliert, dass lokale Änderungen der Zusammensetzung und der Temperatur zu Grenzflächenspannungsgradienten führen und die Phasengrenze damit dem Marangonieffekt unterliegt. Die Stoffeigenschaften wurden mit Ausnahme der Dichte im Volumenkraftterm der Impulsgleichung als konstant angenommen, sodass dichtegetriebene Konvektionen simuliert werden können. Die verschiedenen Konvektionsformen werden durch die Simulation qualitativ gut wiedergegeben. Bei Marangonikonvektion kommt es zu einer Verschiebung des steilen Konzentrationsgradienten von der Phasengrenze in die Kerne der Phasen, was zum schnellen Absterben der Marangonikonvektion führt. Die Wiedergabe des Längenwachstums der Thermiken durch Simulation eines realen Stoffsystems ist zufriedenstellend. Ebenso gibt die Simulation eine realistische Abschätzung zu erwartender Stoffströme bei Anwesenheit hydrodynamischer Instabilitäten. Größere Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind jedoch bei der horizontalen Größenskala der Fingerstruktur festzustellen, die wahrscheinlich auf die Boussinesq-Approximation zurückzuführen sind.

The flow in a layer of volatile fluid driven by a horizontal temperature gradient is a fundamental transport model for numerous evaporative passive cooling applications. When a thin film of a volatile liquid is subject to a horizontal temperature gradient, changes in the surface tension at the free surface lead to Marangoni stresses that drive the flow. In a thicker liquid layer, the flow is also affected by buoyancy. This thesis describes experimental studies of convection driven by a combined action of Marangoni stresses and buoyancy in simple and binary volatile liquid layers confined in a sealed rectangular cavity heated at one end and cooled at the other. Experiments with varying concentrations of noncondensables (i.e., air) ca were performed to investigate their effect on the phase change and heat and mass transport. In the simple liquid, thermocapillary stresses drive the liquid near the free surface away from the heated end. Varying ca is shown to strongly affect the stability of this buoyancy-thermocapillary flow for Marangoni numbers Ma = 290 - 3600 and dynamic Bond numbers BoD = 0.56 - 0.82: removing air suppresses transition to multicellular and unsteady flow. The results are compared with numerical simulations and linear stability analysis. In the binary liquid considered here, a methanol-water (MeOH-H2O) mixture, solutocapillary stresses drive the flow near the free surface towards the heated end. Four distinct flow regimes are identified for this complex flow driven by thermocapillarity, solutocapillarity, and buoyancy, and are summarized in a flow regime map as a function of ca and the liquid composition (MeOH concentration). At low ca, solutocapillary effects are strong enough to drive the liquid near the free surface towards the heated end over the entire liquid layer, suggesting that binary-fluid coolants could significantly reduce film dryout.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de novas instrumentações baseadas em efeitos fototérmicos para o estudo de interfaces sólido-líquido e líquido-gás, incluindo no último caso o efeito de surfactantes. O trabalho está dividido em capítulos, cada um enfocando o desenvolvimento e/ou aplicação de uma nova técnica. O Capítulo I apresenta uma introdução aos fenômenos fototérmicos e desecreve a construção de instrumentos clássicos de Lente Térmica (LT) nas configurações de simples e duplo feixe. Interfaces sólido-líquido foram estudadas nos capítulos II-IV usando variações da instrumentação clássica de LT. Um novo sinal fototérmico foi caracterizado, indicando a formação de uma lente térmica invertida na interface. Experimentos de varredura-z na configuração por reflexão foram usados para determinar a mudança no índice de refração da interface próximo ao ângulo crítico, e uma metodologia similar foi utilizada para a medida da difusividade térmica de amostras opacas. Nos capítulos V-VII, a deformação de superfícies líquidas foi estudada pelo efeito Marangoni induzido por laser e pela geração de ondas capilares. A transferência de calor pela interface líquido-gás foi monitorada por Deflexão Fototérmica Transversal. Em todos os casos, a influência de surfactantes foi estudada pela formação de uma monocamada na superfície dos líquidos. Observou-se que uma pequena quantidade de surfactante é capaz de cessar a movimentação de líquidos induzida por gradientes de tensão superficial e aumentar significativamente a transferência de calor pela interface. Os resultados indicam uma correlação entre as transições de fase das monocamadas e a atenuação da deformação superficial bem como o aumento na transferência de calor. Finalmente, o capítulo VIII apresenta uma coleção de trabalhos que derivaram dos estudos relacionados com as instrumentações desenvolvidas. / This work presents the development of new instrumentations based on photothermal phenomena to study solid-liquid and liquid-gas interfaces, including in the latter the effect of surfactants. The work is divided into chapters, each one focusing on the development and/or application of a new technique. Chapter I presents an introduction to photothermal phenomena and describes the construction of classical Thermal Lens (TL) instruments in the single and double-beam configurations. Solid-liquid interfaces were studied in chapters II-IV using variations of the classical TL instrumentation. A new photothermal signal was characterized, indicating the formation of an inverted thermal lens at the interface. Z-scan experiments in the reflection configuration were used to determine the change in the refractive index of an interface close to the critical angle, and a similar methodolody was used to measure the thermal diffusivity of opaque samples. In Chapters V-VII, the deformation of liquid surfaces was studied by laser-induced Marangoni effect and the generation of capillary waves. Heat transfer through the liquid-gas interface was monitored by Transverse Photothermal Deflection. In all cases, the influence of surfactants was studied by forming a monolayer on the surface of the liquids. It was observed that a tiny amount of surfactants was able to cease the motion of liquid induced by surface tension gradients and to increase significantly the heat transfer through the interface. The results indicate a correlation between phase transitions of the monolayers and the attenuation of the surface deformation as well as the increase in the heat transfer. Finally, chapter VIII is a collection of other works that derived from the studies related to the instrumentations developed.

La thèse porte sur une nouvelle classe de polymères à architecture en brosse, synthétisés à l'échelle industrielle et utilisés comme additifs dans les suspensions colloïdales pour le couchage du papier. Le polymère en brosse contrôle la déshydratation et le séchage des suspensions ce qui permet d'obtenir des revêtements d'une qualité incomparable. L'objectif est de modéliser sur un plan fondamental le rôle fonctionnel des polymères en relation avec les performances en application. Dans une première partie nous étudions leurs propriétés physicochimiques, structurales et rhéologiques en solution en discutant les spécificités dues à l'architecture en brosse. Dans une seconde partie nous analysons à l'aide d'un dispositif expérimental original les propriétés de rétention d'eau apportées par les polymères. Dans une troisième partie nous étudions le séchage de suspensions de carbonate de calcium sur des substrats solides, qui conduit en général à des motifs hétérogènes dits en " anneau de café ". Nous avons découvert que les polymères en brosse à très faible concentration suppriment ces défauts de séchage de façon remarquable. Le nouveau mécanisme physique à l'¿uvre, que nous appelons effet Marangoni auto-induit, résulte des propriétés interfaciales des polymères et de leurs interactions spécifiques avec les particules de carbonate de calcium. Pour conclure nous établissons un lien entre les propriétés de rétention d'eau et l'inhibition des défauts de séchage. Nous démontrons alors le caractère générique de nos résultats en les transposant à une suspension biologique, le sang, où les polymères pourraient présenter un intérêt dans le traitement de pathologies cardiovasculaires. / This work focuses on a new class of bottlebrush polymers, synthesized on an industrial scale and used as additives in colloidal suspensions for paper coatings. The bottlebrush polymer controls the dehydration and drying of the suspensions, and leads to coatings of outstanding quality. Our aim is to model the functional role of these polymers from a fundamental perspective in relation with applicative performances. In a first part we study their physicochemical, structural and rheological properties in solution, emphasizing the specificities due to the brush architecture. In a second part we implement an original experimental setup to analyze the water retention properties brought by the polymers. In a third part we study the drying of calcium carbonate suspensions on solid substrates, which in general forms to heterogeneous patterns called “coffee-rings”. We discovered that at very low concentration, bottlebrush polymers remarkably suppress these defects. We call auto-induced Marangoni effect the new physical mechanism at work. It results from the interfacial properties of the polymers and their specific interactions with calcium carbonate particles. To conclude, we establish a link between water retention properties and drying defect inhibition. We demonstrate the generic character of our results which can be transposed to a biological suspension, blood, where these polymers could be of interest for cardiovascular disease treatment.

Der Bericht beschäftigt sich mit spontaner Grenzflächenkonvektion und -turbulenz beim Stoff- und Wärmeübergang an fluiden Phasengrenzen zwischen zwei nicht mischbaren Phasen. Solche Effekte sind von großer industrieller Bedeutung, da die erzielten Stoffübergangsraten um ein Vielfaches über den bei gewöhnlicher Diffusion auftretenden liegen. Zwei unterschiedliche Mechanismen sind der "Motor" für die Instabilitäten: Marangoni-Instabilität: Die Grenzflächenspannung ist eine Funktion der Temperatur und der Grenzflächenkonzentration des ausgetauschten Stoffes. Schwankungen der Temperatur und der Konzentration entlang der Phasengrenze führen folglich zu Grenzflächenspannungsgradienten. Grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitäten äußern sich durch rollenförmige oder polygonale Konvektionszellen, Eruptionen oder Turbulenz an der Phasengrenze. Schwerkraftgetriebene Instabilität: Die Dichte ist ebenfalls eine Funktion der Temperatur und der Konzentration des gelösten Stoffes. Der Transport eines Stoffes über eine fluide Phasengrenze verändert die Zusammensetzung und die Dichte der angrenzenden Flüssigkeitsschichten, sodass instabile Dichteschichtungen auftreten können. Temperaturgradienten entstehen dabei durch Freisetzung von Reaktions- und/oder Lösungsenthalpie. Auftriebsbewegungen haben die Form von Thermiken (engl. plumes, thermals). Die Phänomene der Grenzflächenkonvektion werden in einer vertikalen Kapillarspaltgeometrie untersucht. Neben Stoffsystemen mit reaktivem Stoffübergang (Neutralisation von Karbonsäuren, Hydrolyse und Veresterung von Alkanoylhloriden) kamen auch solche mit reaktionsfreiem Stoffübergang (Karbonsäuren, Tensid) zur Anwendung. Die instabile Dichteschichtung, die durch den Konzentrationsgradienten infolge der Stoffdiffusion erzeugt wird, führt zu Auftriebskonvektion in Form von Thermiken. Die Anwesenheit einer exothermen Reaktion bewirkt eine Vergrößerung des Längenwachstums der Thermiken in der oberen Phase durch Aufprägung eines zusätzlich destabilisierenden Temperaturgradienten. In der unteren Phase kommt es dagegen zum Entstehen des doppeldiffusiven Fingerregimes bei Überlagerung des destabilisierenden Konzentrationsgradienten durch den stabilisierenden Temperaturgradienten. Beim Übergang eines Tensids konnten die für diese Stoffklasse charakteristischen Rollzellen, die durch Grenzflächenspannungsgradienten angetrieben werden, beobachtet werden. Diese Konvektionsstrukturen bleiben auf einen schmalen Bereich ober- und unterhalb der Phasengrenze beschränkt. Die Transportgleichungen für Impuls, Stoff und Wärme wurden in ihrer 2-dimensionalen Form in einen Rechenkode umgesetzt und der Übergang einer einzelnen Komponente simuliert. Die hydrodynamischen Bedingungen an der Phasengrenze wurden so formuliert, dass lokale Änderungen der Zusammensetzung und der Temperatur zu Grenzflächenspannungsgradienten führen und die Phasengrenze damit dem Marangonieffekt unterliegt. Die Stoffeigenschaften wurden mit Ausnahme der Dichte im Volumenkraftterm der Impulsgleichung als konstant angenommen, sodass dichtegetriebene Konvektionen simuliert werden können. Die verschiedenen Konvektionsformen werden durch die Simulation qualitativ gut wiedergegeben. Bei Marangonikonvektion kommt es zu einer Verschiebung des steilen Konzentrationsgradienten von der Phasengrenze in die Kerne der Phasen, was zum schnellen Absterben der Marangonikonvektion führt. Die Wiedergabe des Längenwachstums der Thermiken durch Simulation eines realen Stoffsystems ist zufriedenstellend. Ebenso gibt die Simulation eine realistische Abschätzung zu erwartender Stoffströme bei Anwesenheit hydrodynamischer Instabilitäten. Größere Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind jedoch bei der horizontalen Größenskala der Fingerstruktur festzustellen, die wahrscheinlich auf die Boussinesq-Approximation zurückzuführen sind.

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