The aim of this PhD work is to elaborate using plasma spraying fine, dense, crack-free coatings of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) for SOFCs electrolyte. The experimental approach has been based on the increase velocities of particles in a molten state upon impact using three plasma spraying processes (Arc plasma spraying, vacuum plasma spraying and supersonic inductive plasma spraying) and powder with a fine granulometry (-25+5[micro]m). In-flight particles and lamellaes characterisations were carried out to study their influence onto deposit microstructure and the influence of the latter one on their porosity and ionic conductivity. Two kinds of microstructure function of spraying process were obtained thanks to the increase of particle velocities upon impact. Those specific microstructures lead to the increase of the number of good interlamellar contacts that allows benefiting ionic conductivity. So, in future, it will be possible to elaborate all the stack (anode-electrolyte-cathode) with the same plasma spraying process.

Ce travail est consacré au modèle rapide du procédé de déposition par projection thermique en plasma d'arc soufflé. Il est plus particulièrement consacré au traitement d'une particule isolée ou d'un lot de particules échantillon représentatif d'une poudre.<br />Le procédé de projection par plasma d'arc soufflé et les principaux phénomènes qui régissent la formation du jet de plasma, les échanges thermiques et dynamiques entre la particule et l'écoulement du jet gazeux et la construction du dépôt sont examinés. Nous avons fait une étude bibliographique des modèles développées par ailleurs pour simuler les différentes fonctionnalités du procédé.<br />Les fondements et les caractéristiques du logiciel « Jets&Poudres » sont exposés, avant de présenter le modèle du transfert plasma-particule qui prend en compte la conduction interne à la particule et les déplacements des fronts de changement de phase. Dans ce modèle le calcul de l'évaporation de la particule est découplé du problème de la dynamique du gaz dans le jet et nous exploitons les résultats de J. C. Knight et le modèle de « Pression en retour » (Back Pressure) qu'il a développé. Une étude qualitative est consacrée à l'effet des paramètres de dispersion de la poudre en sortie de l'injecteur sur le traitement d'une particule isolée et sur la construction du dépôt. Ces effets mis en évidences, nous exposons un modèle de transport d'un lot de particules représentatif d'une poudre dans l'injecteur afin d'évaluer la dispersion en masse, taille et vitesse avant l'entrée dans le jet. Ce modèle complexe prend ent compte les collisions particule-parois et les colisions binaires particule- particule.<br />Les résultats de ces deux modèles sont discutés. Le traitement dynamique et thermique de la particule isolée est en bon accord avec ceux de la littérature. Ce qui autorise l'étude des conditions opératoires et des paramètres des différentes composantes fonctionnelles du procédé (torche, gaz plasmagène, injecteur, poudre...) sur le traitement des particules et leurs histoires thermique et dynamique.<br />Le modèle a été utilisé pour évaluer la quantité de matière nanostructurée conservée en fin de traitement et avant impact sur le substrat. Nous avons également exploité le modèle de dispersion de poudre pour la simuler la tache-dépôt formée par la projection ‘statique' de poudres de différents matériaux et de différentes granulométries.

Dans le domaine des dépôts réalisés par projection thermique, les dernières recherches ont permis de développer des dépôts nanostructures par projection de suspensions (SPS) ou de solutions de précurseurs (SPPS). L’injection de liquide est une technique prometteuse qui a le potentiel pour devenir industriellement viable. Cependant, un meilleur contrôle des interactionsplasma/matériaux est nécessaire. En effet, les torches à courant continu mono-cathodes génèrent un plasma fortement fluctuant qui modifie les transferts thermiques et dynamiques vers les gouttelettes injectées, entraînant un traitement non-homogène de ces dernières. Cela influence directement les microstructures des dépôts obtenus et leurs propriétés. Des travaux antérieurs ont montrés les origines de ces instabilités. Une alternative à l’atténuation de ces instabilités est proposée : le renforcement et la modulation. L’ajustement des paramètres opératoires a permis d’obtenir un plasma pulsé laminaire avec modulation de ces propriétés. Une torche à courant continu modulé de faible puissance est utilisée avec de l'azote pur comme gaz plasmagène. Ce dispositif est synchronisé avec un système d'injection jet d’encre Drop-On-Demand pour reproduire les mêmes conditions d'interactions plasma / matériau pour chaque gouttelette injectée. Des solutions et des suspensions sont injectées pour réaliser des dépôts homogènes avec une microstructure contrôlée. Les objectifs de ces travaux sont d'abord de caractériser et de comprendre les transferts thermiques et dynamiques plasma / gouttelettes. Deuxièmement, de mettre en évidence l'influence de la synchronisation et des paramètres opératoires sur les dépôts obtenus. / In the field of thermal spray coating processes, research has led to the development of nanostructured coatings by suspension plasma spraying (SPS) and precursor solution plasma spraying (SPPS). Liquid injection are promising techniques with the potential to become industrially viable. However, a better control of plasma/material interactions is necessary. Mono-electrode DC torches indeed generate strongly fluctuating plasma that modifies the thermal and dynamic transfers to the injected droplet, resulting in an inhomogeneous treatment of the latter. This directly influences the texture and microstructure of deposits and subsequently their properties. Previous works have shown the origins of these instabilities. As an alternative to instabilities attenuations, a new approach is proposed: the reinforcement and modulation of the instabilities. The adjustment of process parameters has allowed obtaining a pulsed laminar plasma with a modulation of its properties. A low powered home-made modulated DC torch is used and operates with pure nitrogen as plasma forming gas. This device is synchronized with a Drop-On-Demand injection system to reproduce the same conditions of plasma/material interactions for each injected droplet. Solutions and suspensions are injected to make homogeneous coatings with controlled microstructure. The objectives of this work are firstly to characterize and understand plasma / droplet heat and dynamics transfers. Secondly, to highlight the influence of the synchronization and operating parameterson the coatings obtained.

La projection par plasma d'arc de suspension permet d'obtenir des revêtements finement structurés à gradients de propriétés qui répondent aux besoins, par exemple, des applications photocatalytiques, les piles à combustible à oxyde solide ou les revêtements de barrière thermique. Cependant, les torches à plasma, même alimentées par dessources de courant continu régulé, génèrent des jets de plasma fortement fluctuants. Ces instabilités causent des variations importantes dans les transferts thermiques et dynamiques des particules, ce qui diminue la fiabilité et la reproductibilité de la méthode. Par conséquent, des efforts particuliers doivent être faits pour améliorer la projectionpar plasma d'arc de suspension et, ainsi, les propriétés des revêtements. Depuis de nombreuses années, la recherche s'est concentrée sur l'amélioration des transferts de chaleur et de quantité de mouvement entre la matière et le plasma au moyen de la mise au point de nouvelles torches et la réduction des instabilités de l'arc. Cette thèse présenteune nouvelle approche pour la projection par plasma d'arc de suspension. L'étude approfondie des instabilités du plasma sont réalisées ce qui conduit à la production du jet laminaire de plasma pulsé caractérisé par une forte modulation de l'enthalpie spécifique. Ces oscillations régulières de plasma sont associées à l'injection de la suspensionsynchronisée, ce qui est réalisé à l'aide de l'impression à jet d'encre déclenchée par le signal de tension d'arc. Les résultats sont évalués par le système d'imagerie résolue en temps et la spectroscopie d'émission optique résolue en temps. Cette nouvelle méthode offre la possibilité de contrôler les transferts de chaleur et de quantité de mouvemententre les particules et le plasma. / Suspension plasma spraying permits to elaborate finely structured coatings with graded properties which address the needs, for example, in the photocatalytic applications, the solid oxide fuels or the thermal barrier coatings. However, the plasma torches, even powered by dc regulated sources, generate highly fluctuating plasma jets. These instabilities result in large variations in dynamic and heat transfers to particles, what decreases the reproducibility and reliability of the method. Consequently, the special efforts have to be devoted to ameliorate the suspension plasma spraying method and, thus, the properties of the coatings. In recent years, the research has been focused on the improvement of heat and momentum transfers between material and plasma by means of the development of new non-conventional torches and the reduction of arc instabilities. The following dissertation presents a new approach to the suspension plasma spraying. The profound studies of the plasma instabilities are performed, what leads to the production of the pulsed laminar plasma jet characterized by high modulation of the specific enthalpy. These regular plasma oscillations are combined with phased injection of suspension, what is achieved by using the ink-jet printer triggered by the arc voltage signal. The results are evaluated by time-resolved imaging system and the time-resolved emission optical spectroscopy. This new method presents the possibility to control heat and momentum transfers between the particles and the plasma.

Contrairement aux nanotubes de carbone qui sont des semi-conducteurs dits " à petit gap " et dont les propriétés électroniques sont complétement contrôlées par leur géométrie, les nanotubes hétérogènes mono-parois BxCyNz suscitent un grand intérêt scientifique du fait de leurs propriétés électroniques modulables. La synthèse de tels nanotubes hétérogènes permettrait en effet de moduler ce " gap " en agissant sur leur composition chimique et non sur leur géométrie. Les nanotubes BxCyNz qui résultent de la substitution de certains atomes de carbone dans le réseau graphénique par des hétéroatomes (B et/ou N) peuvent trouver de nombreuses applications notamment dans la réalisation de matériaux photoluminescents, les dispositifs à émission de champ ou encore les nanotransistors à haute température... Ce travail porte sur la synthèse de cette nouvelle génération de nanotubes par arc électrique. Cette technique présente l'avantage de réaliser la substitution in-situ des atomes de carbone par les hétéroatomes. Elle a été menée en utilisant une approche originale basée sur la corrélation des caractéristiques du plasma (champs de température et de concentration des différentes espèces) avec la morphologie et la composition des nanostructures carbonées caractérisées par différentes techniques (HRTEM, EDX, XPS, EELS). Ces résultats permettent une meilleure compréhension des phénomènes impliqués dans la croissance des hétéronanotubes aux échelles macroscopique et microscopique, et également de la structure et de l'environnement chimique des dopants dans le réseau graphénique de nanoformes carbonées obtenues tels que des nanotubes dopés au bore et ou à l'azote, et des couches de graphènes dopées. / In opposition to carbon nanotubes which are semi-conductors with so-called "small gap" and which electronic properties are entirely determined by their geometry, single-wall heterogeneous carbon nanotubes BxCyNz yield to great scientific interest due to their tunable electronic properties. Successfully synthesising these heterogeneous nanotubes would indeed allow tuning this gap by acting on their chemical composition instead of their geometry. BxCyNz nanotubes resulting from the substitution of some carbon atoms in the graphene lattice by heteroatoms (B and/or N) could have numerous applications, in particular in photo-luminescent materials, field emission devices, or high operating temperature nano transistors... This work is dedicated to the synthesis of this new generation of nanotubes by electric arc. This technique offers the advantage to perform in-situ substitution of carbon atoms by the heteroatoms. It was carried out using an original approach based on the correlation of plasma characteristics (temperature and concentration fields of the various species) with the morphology and the composition of the carbon nanostructures characterized by various techniques (HRTEM, EDX, XPS, EELS). These results bring a better understanding of the phenomena involved in the growth of heteronanotubes in plasma conditions and also of the structure and chemical environment of the doping elements in the graphene lattice of carbon nanoforms such as boron- or nitrogen-doped nanotubes, and doped graphene layers.

Il est bien rapporté dans la littérature que les caractéristiques du joint soudé ainsi que le transfert de chaleur à l'interface liquide/solide sont fortement dépendants de l'écoulement du métal liquide. Ce travail porte sur l'étude numérique de l'influence des paramétres opératoires de soudage sur les bains de fusion TIG. Un modéle 2D incluant la cathode, le plasma d'arc et l'anode est développé pour l'étude du soudage TIG spot. Il permet également de quantifier les effets de la composition chimique du gaz, et de simuler des techniques innovantes tel que le soudage avec gaz pulsé. Le soudage TIG avec torche mobile et apport de matiére est modélisé à l'aide d'une approche hybride 2D-3D. Les simulations numériques pour des positions de soudages horizontales révèlent une dissymétrie de la soudure dans la direction opposée à la gravité, ce qui est dû à l'action de la flottabilité et à la déformation assymétrique de la surface libre. Ce défaut peut être considérablement réduit lors du soudage de matériaux à taux de soufre différents, en plaçant la pièce bas soufre en bas.