Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le composé intermétallique Ni3Fe et les alliages 79Ni16Fe5Mo et 77Ni14Fe5Cu4Mo (% massique) ont été élaborés par broyage mécanique de haute énergie. Le temps minimum pour leur obtention a été établi. La formation de ces alliages a été suivie par diffraction de rayons X, de neutrons et analyses thermomagnétiques. Pour le composé intermétallique, l'effet bénéfique de recuits (à 400 et 450 °C) sur la formation de l'alliage et des propriétés magnétiques a été mis en évidence. La température de recristallisation et l'enthalpie de formation de Ni3Fe ont été déterminées par analyses calorimétriques différentielles. L'évolution du champ coercitif en fonction du temps de broyage et de la taille de grain est aussi présentée. La formation des alliages à base de nickel au cours de recuits a été analysée. Le diagramme broyage – recuit – transformation pour le composé Ni3Fe a été étendu. Pour l'alliage NiFeMo, l'évolution de l'aimantation en fonction du temps de broyage est présenté, ainsi que la reproductibilité des propriétés magnétiques de diverses séries d'échantillons. La sensibilité de la diffraction neutronique a été utilisée pour mettre en évidence la présence de contamination par les jarres et/ou les billes lors de broyage long. Pour l'alliage NiFeCuMo, l'évolution de l'aimantation spontanée en fonction du temps de broyage est analysée. L'influence du temps de broyage sur la composition de l'alliage est montrée. Pour les longs temps de mécanosynthèse, une différence entre les températures de Curie mesurées en montée et en descente est alors observée et discutée.

Cette thèse est consacrée à 1) la préparation d'alliages magnétiques base nickel à l'état nanocristallin 2) à l'élaboration de compacts nanocristallins 3) la caractérisation des propriétés physiques et particulièrement magnétiques douces des poudres et des compacts en fonction des paramètres d'élaboration. L'élaboration des alliages magnétiques doux a été réalisée par broyage mécanique de haute énergie à sec ou en utilisant le benzène comme agent de contrôle, conduisant à des matériaux nanocristallins. Les conditions optimales de synthèse des poudres ont été déduites pour les systèmes Ni3Fe, 79Ni16Fe5Mo et 77Ni14Fe5Cu4Mo et un protocole contenant broyage mécanique par voie humide suivi d'un traitement thermique est proposé. Ce protocole a permis de préparer des cristallites de taille ajustable de 12 à 30 nm selon la durée et le mode de broyage choisi. La taille des particules obtenues a pu être contrôlée par le choix de la quantité de benzène utilisée. Les propriétés intrinsèques des poudres tant microstructurales que structurales, magnétiques et thermiques ont été analysées en fonction des conditions d'élaboration. Une combinaison de techniques (DSC, TG, IR et MS) nous a permis d'expliquer la présence et la décomposition de benzène sur la surface des poudres broyées. Deux méthodes ont été mises en oeuvre pour élaborer des compacts nanocristallins magnétiques doux : le frittage plasma et la préparation de matériaux composites. Les conditions optimales de compactage de poudres magnétiques ont été déterminées en variant la pression de compactage, le taux de polymère, la méthode de polymérisation, la taille de particules, etc. Les propriétés physiques dynamiques ont été étudiées jusqu'à des fréquences de 100 kHz et une induction maximale de 0,05 et 0,1 T. Des valeurs typiques de la perméabilité relative initiale comprises entre 30 et 50 et des pertes comprises entre 300 et 7000 W/kg (f = 50 kHz et Bmax = 0,1 T) ont été obtenues et ont été discutées en fonction des paramètres de compactage. Pour les compacts obtenus par frittage plasma, des perméabilités relatives maximales comprises entre 200 et 900 ont été obtenues en variant la température et la durée du processus. Un traitement thermique post frittage (450 °C/4 h) sous H2 conduit à une diminution du champ coercitif d'environ 50 % et une augmentation de la perméabilité de jusqu'à 600 % en conservant la structure nanocristalline de compacts. Les propriétés magnétiques des compacts composites ont été modélisées sur la base du modèle de Bruggemann.

Nous avons mené des investigations structurales et magnétiques sur les trois familles d'alliages nanocristallins Finemet, Nanoperm et Hitperm, dans lesquels le cobalt ajouté est supposé accroître la stabilité thermique température de cristallisation et température Curie plus élevées). En mesurant les cycles d'hystérésis en temps réeldurant la cristallisation des différents alliages, nous avons trouvé que l'état magnétique de la phase nanocristalline est différent en fonction de plusieurs paramètres. Le comportement magnétique global est fortement affecté par le fait que la phase amorphe reste ferromagnétique ou devint paramagnétique (lorsque la cristallisation se développe. Nous avons développé une méthode permettant de mesurerl'anisotropie longitudinale induite. Ceci nous a permis, pour la première fois, de mesurer directement cette anisotropie dans les rubans et les fils amorphes ou nanocristallins. Le modèle "back-stress" a été appliqué pour explique l'anisotropie induite par la contrainte dans ces alliages biphasés.

Un enjeu majeur de l’industrie aéronautique de demain est de concevoir et développer un avion « plus » électrique. En effet, sur un avion de ligne, les principaux systèmes utilisent des types d'énergies différents tels que l'énergie hydraulique ou pneumatique. La tendance actuelle est à la conversion de ces systèmes à l'énergie électrique car elle présente de nombreux avantages et permettrait des économies de masse, d’énergie, et de coûts de maintenance. Avec l’augmentation croissante des systèmes électriques dans l’avion se posent par conséquent des problèmes d’interférences et de compatibilité électromagnétique entre ces différents dispositifs. Par ailleurs ces systèmes électriques sont soumis à des conditions de travail très sévères, notamment des températures extrêmes. Dans le cadre du projet FEMINA (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l’INtégration en Aéronautique), l’objectif de notre équipe était d’étudier un filtre électrique soumis à des conditions de températures extrêmes. Ce filtre composé d’éléments passifs (condensateurs et inductances) est destiné à éliminer les interférences provoquées par le convertisseur électrique placé à proximité de la source d’énergie et de chaleur (le propulseur). Dans le cadre de mes travaux de thèse, je me suis intéressé plus particulièrement à l’effet de la température sur le comportement des inductances au travers des matériaux magnétiques qui les composent. J’ai ainsi déterminé les matériaux magnétiques que j’estimais capable de remplir leur rôle de filtrage en hautes températures, puis j’ai élaboré un modèle de comportement magnétique dynamique, tenant compte de l’effet de peau et de l’effet de la température et enfin j’ai testé ce nouveau modèle en l’incluant dans un simulateur circuit, afin de modéliser un filtre de mode commun répondant au cahier des charges de nos partenaires industriels. / A major challenge in the aviation industry is to design and develop “more” electric aircraft. Indeed, the main systems use different types of energy such as hydraulic or pneumatic energy. The current trend is to convert these systems to electric power because it has many advantages and would allow economies of mass, energy and maintenance costs. With the increasing electrical systems in the aircraft, arise problems of interference and electromagnetic compatibility between these systems. Moreover, these power systems are subjected to severe working conditions, including extreme temperatures. As part of the FEMINA project (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l‟INtégration en Aéronautique), the goal of our team was to study an EMC filter subjected to extreme temperature conditions. This filter is composed of passive elements (capacitors and inductors) and designed to remove interference caused by electrical converter located close to the source of energy and heat (the propeller). As part of my thesis work, I focused on the effect of temperature on the behavior of inductors through the magnetic materials that compose them. I have thus determined the magnetic materials that I felt able to fulfill their role at high temperatures, then I developed a dynamic model of magnetic behavior, taking into account the skin effect and the effect of temperature and finally I tested this new model by including it in a circuit simulator to model a common mode filter that meets the specifications of our industrial partners.

La caractérisation des propriétés structurale et magnétique des alliages Fe-Zr-Nb-B amorphes doux et nanocristallins sous la forme de rubans et de films minces est présentée et discutée dans ce travail. L'étude détaillée des rubans de Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1 dans leur phase amorphe et nanocristalline a été faite au moyen de mesures par scan calorimétrique différentiel (Differential Scanning Calorimetry – DSC), analyse thermo-gravimétrique (Thermal Gravimetric Analysis – TGA), diffraction de rayon X (X Ray Diffraction – XRD) et spectroscopie Mössbauer. La détermination expérimentale de la distribution de champ d'anisotropie pour des rubans nanocristallins de Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1 est aussi présentée et discutée dans le but d'avoir une meilleure idée de l'anisotropie effective du système. Les propriétés de magnéto transport de ces rubans ont été étudiées en conduisant des mesures de magneto impédance géante. Egalement discutée est la possible limitation de l'applicabilité du modèle d'anisotropie aléatoire des matériaux magnétiques doux de cristallisation optimale par présentation de la dépendance du champ coercitif appliqué en fonction de la taille de grain et de la fraction volumique dans la cas d'un alliage Fe-Co. Des échantillons de films minces ont été préparés en utilisant des méthodes de sputtering par faisceau d'ions et de sputtering par radio fréquences avec des rubans de Fe84Nb3.5Zr3.5B8Cu1 comme matériau cible. Des informations complémentaires sur les propriétés structurelles des films minces amorphes et nanocristallin ont été obtenues en usant de la réflexivité des rayons X (X ray reflectivity – XRR), analyse par diffraction de rayons X en incidence rasante (Grazing Incidence X rays) et microscope à force atomique (Atomic Force Microscopy – AFM). Les propriétés magnétiques des rubans et films minces étudiés furent caractérisées grâce aux mesures d'hystérésis standard, magnétomètre à échantillon vibrant (Vibrating Sample Magnetometer – VSM) et magnétomètre à gradient de champ alternatif. Les ix études de résonance ferromagnétique faites sur des échantillons de films minces déposés tel quel sont aussi discutées. L'interdépendance des propriétés structurales et magnétiques pour à la fois les rubans et les films minces est discutée.

L'influence de la taille de grain sur le comportement des matériaux à grains ultrafins et nanocristallins est l'objet de nombreuses études scientifiques. Cependant, malgré les progrès réalisés dans ce domaine, il n'est pas encore possible de prédire et de modéliser avec précision leur comportement en déformation. Peu de données fiables sont disponibles dans la littérature en raison de la complexité des expériences requises et de la forte densité de défauts que peuvent présenter ces matériaux. Par ailleurs, les techniques de modélisation discrètes telles que les approches atomistiques sont d'une utilité limitée. En effet, leurs échelles temporelle et spatiale sont souvent inadaptées pour simuler les phénomènes physiques réels intervenant dans ce travail. Dans cette thèse, un cadre théorique est proposé pour étudier le comportement en déformation de matériaux polycristallins ayant des microstructures ultrafines ou nanométriques. Pour ce faire, des modèles continus capables de reproduire les effets de taille provenant de mécanismes apparaissant aux interfaces (joints de grains) ou près des surfaces sont proposés. Ces modèles permettent d'étudier des éléments de volume représentatifs. Ils sont formulés de manière à être calibrés en utilisant des résultats obtenus par des simulations atomistiques et de dynamique des dislocations discrètes ou par des travaux expérimentaux.

Un enjeu majeur de l'industrie aéronautique de demain est de concevoir et développer un avion " plus " électrique. En effet, sur un avion de ligne, les principaux systèmes utilisent des types d'énergies différents tels que l'énergie hydraulique ou pneumatique. La tendance actuelle est à la conversion de ces systèmes à l'énergie électrique car elle présente de nombreux avantages et permettrait des économies de masse, d'énergie, et de coûts de maintenance. Avec l'augmentation croissante des systèmes électriques dans l'avion se posent par conséquent des problèmes d'interférences et de compatibilité électromagnétique entre ces différents dispositifs. Par ailleurs ces systèmes électriques sont soumis à des conditions de travail très sévères, notamment des températures extrêmes. Dans le cadre du projet FEMINA (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l'INtégration en Aéronautique), l'objectif de notre équipe était d'étudier un filtre électrique soumis à des conditions de températures extrêmes. Ce filtre composé d'éléments passifs (condensateurs et inductances) est destiné à éliminer les interférences provoquées par le convertisseur électrique placé à proximité de la source d'énergie et de chaleur (le propulseur). Dans le cadre de mes travaux de thèse, je me suis intéressé plus particulièrement à l'effet de la température sur le comportement des inductances au travers des matériaux magnétiques qui les composent. J'ai ainsi déterminé les matériaux magnétiques que j'estimais capable de remplir leur rôle de filtrage en hautes températures, puis j'ai élaboré un modèle de comportement magnétique dynamique, tenant compte de l'effet de peau et de l'effet de la température et enfin j'ai testé ce nouveau modèle en l'incluant dans un simulateur circuit, afin de modéliser un filtre de mode commun répondant au cahier des charges de nos partenaires industriels.

L'élaboration de nouveaux alliages maintient un fort intérêt pour le phénomène d’instabilité plastique, ou l'effet Portevin-Le Chatelier (PLC), provoqué par l'interaction des dislocations avec des atomes de soluté. Par ailleurs, l'effet PLC attire l'intérêt comme un exemple remarquable d'auto-organisation dans les systèmes dynamiques. Il est associé à des motifs complexes de séries de chutes de contrainte liées à la nucléation et au mouvement des bandes de déformation dans le matériau déformé, et nécessite une compréhension de l'auto-organisation des dislocations. La déformation plastique des alliages Al-Mg est sujette à l'instabilité dans une large gamme de conditions expérimentales. Pour cette raison, les alliages Al-Mg binaires ont longtemps servi d'objets modèles pour l'étude de l'effet PLC. En même temps, l'utilisation pratique des alliages binaires Al-Mg est limitée en raison d’une faible résistance mécanique. Une amélioration significative de leurs propriétés peut être atteinte en ajoutant des solutés supplémentaires, conduisant en particulier à la formation de précipités. En outre, une forte réduction de la taille de grains du polycristal pourrait être une technique clé pour produire des matériaux à haute résistance et ténacité. Cependant, il existe très peu d'information, souvent contradictoire, sur l'instabilité PLC dans les alliages Al-Mg à grains fins et contenant des précipités. Le but de l'étude de cette thèse a été d'étudier les caractéristiques spécifiques de l'effet PLC dans les alliages à base AlMg, avec et sans nanoparticules, à gros grains et à grains fins, ces derniers obtenus par une méthode de déformation plastique sévère. Grâce à l’application de méthodes d’extensométrie locale, notamment de la technique de corrélation d’images, ces études ont révélé une persistance non habituelle de la propagation des bandes de déformation dans les alliages comprenant des précipités et/ou des grains fins. Ce mode dynamique est observé dans un large intervalle de vitesses de déformation, tandis qu’il n’apparait qu’à haute vitesse dans des alliages modèles AlMg. Par ailleurs, l’analyse des distributions statistiques des amplitudes des chutes de contrainte a révélé une tendance vers une statistique en loi puissance, caractéristique du mode de propagation. Ce phénomène est attribué à une modification du couplage spatial entre les dislocations, due à la concentration de contraintes internes. La combinaison de ces études avec l’analyse de l’émission acoustique a mis en évidence une influence de la microstructure sur la compétition entre un facteur aléatoire et la synchronisation des dislocations. Enfin, l’étude par corrélation d’images a permis d’observer une interrelation entre l’instabilité PLC et la formation de la striction. / The elaboration of new alloys sustains a strong interest to the phenomenon of unstable plastic flow, or the Portevin–Le Chatelier (PLC) effect, caused by interaction of dislocations with solute atoms. Moreover, this effect attracts interest as a rich example of self-organization in dynamical systems. It is associated with complex patterns of stress serrations related to nucleation and motion of deformation bands in the deforming material, and requires understanding of self-organization of dislocations. Plastic deformation of Al-Mg alloys is prone to instability in a wide range of experimental conditions. For this reason, binary Al-Mg alloys served for a long time as model objects for investigation of the PLC effect. At the same time, the practical use of binary Al-Mg alloys is limited because of their low strength. A significant improvement of their properties can be achieved by additional alloying, in particular, leading to precipitation. Further, extensive grain refinement could be a key technique used to produce tough and high- strength materials. However, there exists very limited and often contradictory information on the PLC instability in fine-grained Al-Mg alloys containing precipitates. The objective of the present thesis was to investigate specific features of the PLC effect in AlMg-based alloys with and without nanoscale particles, both in coarse-grained and fine-grained states, the latter obtained by severe plastic deformation. Using local extensometry methods, particularly the image correlation technique, these studies revealed an unusual persistence of the propagation of deformation bands in alloys with precipitates and/or fine grains. This dynamic mode is observed in a wide range of strain rates, whereas it only appears at high strain rate in model Al-Mg alloys. Moreover, the analysis of statistical distributions of stress drop amplitudes revealed a tendency to power law statistics characteristic of the propagation mode. This phenomenon was attributed to a modification of the spatial coupling between dislocations due to the concentration of internal stresses. The combination of these studies with the acoustic emission analysis uncovered an influence of the microstructure on the competition between a random factor and the dislocation synchronization. Finally, the study by the image correlation made it possible to observe an interrelation between the PLC instability and the neck formation.

Le transport et la distribution de l'énergie électrique sont traditionnellement réalisés en alternatif (50 Hz ou 60 Hz), un des éléments-clés de ces infrastructures est le transformateur de puissance. Ce dernier est utilisé depuis plus d'un siècle et donc sa conception est maîtrisée (avec des rendements très élevés, supérieurs à 99 %). Depuis quelques années, la part des énergies renouvelables est en constante augmentation. Bien souvent, la production des énergies renouvelables est éloignée des centres de consommation. Or, le transport en courant continu sous haute tension (HVDC) sur de grandes distances est plus rentable. Dans ce cas, nous avons besoin de convertisseurs de puissance fonctionnant pour certains avec des Transformateurs Moyennes Fréquences (TMF) entre 1 kHz et quelques dizaines de kilohertz. Dans ces applications, la recherche du rendement maximal est primordiale. L'augmentation de la fréquence de fonctionnement a pour effet bénéfique de diminuer l'encombrement d'un transformateur. Cependant un certain nombre de problèmes vont apparaître avec cette augmentation. Nous pouvons citer : les pertes dans les conducteurs et dans le circuit magnétique sont liées à la fréquence ; le type de bobinages (fil de Litz et feuillard) et les matériaux magnétiques (ferrites et nanocristallins) en moyennes fréquences sont différents de ceux utilisés en 50 Hz ; le refroidissement est plus complexe car la densité de puissance volumique est plus élevée... Ainsi dans cette thèse, nous avons mis en place une méthodologie de conception afin de maîtriser au mieux le dimensionnement d'un TMF avec un compromis précision et coût de calculs. Nous avons identifié les modèles (analytiques et numériques) susceptibles d'être utilisés pour estimer les performances d'un TMF. Deux TMF d'une puissance de 180 kVA et de 1 kVA ont été dimensionnés, fabriqués et testés afin de mettre en évidence le domaine de validité et d'ajuster les différents modèles. Ce travail nous a permis de mettre en place une méthodologie de conception allant des spécifications du convertisseur jusqu'à la simulation de celui-ci avec le modèle du transformateur dimensionné. Nous avons mis en évidence : l'influence de paramètres technologiques sur l'élévation de la résistance pour des bobinages de type feuillard et l'influence de paramètres technologiques sur les propriétés magnétiques des matériaux nanocristallins. Ce travail de thèse a été réalisé avec le groupe « Matériaux du Génie Electrique » du laboratoire Ampère et financé par l'institut pour la transition énergétique SuperGrid Institute / The transmission and distribution of electric power is normally made by ac networks (50 Hz or 60 Hz), where one of the key elements of this infrastructure is the power transformer; used for more than a century, its design is very well understood, with a level of operating efficiency normally greater than 99%. In recent years, the share of renewable energy has been increasing. Often times the energy generated from renewable sources is produced far from consumption centers, and so transportation in the form of high voltage direct current (HVDC) over long distances is more profitable, due to the lower losses seen than with HVAC after a certain length of transmission line. In this case, we need power converters operating with Medium Frequency Transformers (MFT) from 1 kHz to tens of kilohertz. For these applications, the research of their maximum efficiency in operation is paramount. Increasing the transformer operating frequency has the beneficial effect of reducing its size. However, a number of problems will appear with this frequency increase, such as: the increase in the losses in the conductors and the magnetic circuit that are related to the frequency; the less well understood winding type (Litz wire and foil) and magnetic materials (ferrites and nanocrystalline) in the MF that are different from those used at 50 Hz; the cooling is more complex because the power density is higher, etc. In this thesis, a design methodology was developed in order to optimise the design of MFTs with respect to the compromise between accuracy and the length of calculations. In addition, analytical and numerical models were identified that can be used to accurately estimate the performance of an MFT. Furthermore, two MFTs (apparent power: 180 kVA and 1 kVA, respectively) were sized, manufactured and tested in order to demonstrate the domain of validity of the models, and also for optimisation of the different models. This work has enabled the development of a design methodology using the converter specifications and build a simulation with complete model of the transformer, which can then be used to validate an MFT design. We have highlighted: the influence of the technological parameters on the rise of resistance in the foil coils and the influence of the technological parameters on the magnetic properties of nanocrystalline materials. This work was performed with the group "Materials for Electrical Engineering" Ampère laboratory and funded by the Institute for Energy Transition SuperGrid Institute.