Les matériaux de friction les plus populaires pour les applications de plaquettes de frein d’éolienne sont les composites à matrice métallique à base de cuivre fabriqués par la méthode de métallurgie des poudres. D'une part, le cuivre a une bonne conductivité thermique et disperse adéquatement la chaleur générée lors du freinage. D'autre part, la métallurgie des poudres permet une addition facile de diverses poudres avec une distribution uniforme, tout en limitant la ségrégation et les réactions indésirables. Ces matériaux incorporent des renforts (additifs) dans diverses fractions volumiques pour contrôler le coefficient de frottement, la résistance à l'usure ainsi que les propriétés mécaniques. La simple sélection de renforts selon diverses proportions n’est pas suffisante pour obtenir les propriétés mécaniques et tribologiques souhaitées. les propriétés suivants des additifs ont des effets significatifs sur les caractéristiques mécaniques et tribologiques de ces matériaux: leur 1) dureté, 2) résistance, 3) réactivité de surface, 4) taille, 5) forme, 6) ténacité et la conductivité thermique ainsi que 7) leurs liaisons à la matrice et les propriétés de leur interface avec la matrice. Ce projet porte une attention particulière à la modification des liaisons entre les additifs et la matrice et au choix des additifs de bons taille, forme et type. Ce travail de recherche met en évidence le développement d'une large gamme de nouveaux matériaux de friction pour les plaquettes de frein qui peuvent être adaptés à différentes applications en fonction des propriétés tribologiques et mécaniques requises. La comparaison avec le matériau commercial existant est présentée en termes de coefficient de frottement (COF), de taux d'usure et de propriétés mécaniques. Les nouvelles formulations permettent de réduire le taux d'usure moyen d’environ 6 fois et d'augmenter le COF de 55% allant de 0,28 à 0,43. La charge de cisaillement maximale et la dureté Brinell peuvent augmenter respectivement jusqu’à 3,5 fois et 47%. / The most popular friction materials for brake pad applications are copper-based metal matrix composites fabricated with the powder metallurgy process. On the one hand, copper has good thermal conductivity and disperses heat generated during braking. On the other hand, powder metallurgy (PM) allows easy addition of various powder additives with even distribution and limits segregation and undesirable reactions. These materials incorporate reinforcements (additives) in various volume fractions in order to control the coefficient of friction, wear resistance, and mechanical properties. To achieve the desired mechanical and tribological properties, selection of additives with their respective proportion is not sufficient. Hardness, strength, surface reactivity, size, shape, toughness, and thermal conductivity of the additives, as well as their adhesion strength to the matrix and the properties of their interface with the matrix have significant effects on the mechanical and tribological characteristics of the friction materials. Particular focus is made on modifying the bonds between the additives and the matrix and choosing the additives with the right size, shape, and chemistry. This research highlights the development of a wide range of novel PM brake pad lining materials, which can be tailored to different applications depending on the required tribological and mechanical properties. A comparison with existing commercial material is presented in terms of the coefficient of friction, wear rate, and mechanical properties. The new formulations allow reduction of the average wear rate by 6 times and increase the COF by 55 % ranging from 0.28 to 0.43. In addition, the maximum shear load and Brinell apparent hardness can increase by 3.5 times and 47 %, respectively.

Traditionnellement, le procédé de mise en forme par métallurgie des poudres permettait la fabrication de pièces relativement complexes ne nécessitant peu ou pas d'opérations secondaires d'usinage. Toutefois, avec la diversité actuelle de ce procédé, au moins 30% de ces pièces requièrent une ou plusieurs opérations d'usinage afin d'atteindre les exigences géométriques demandées en service. L'usinage de ces pièces, particulièrement celles fabriquées à partir d'acier autotrempant, est cependant limité étant donné les complications qui en découlent. L'usinage de pièces à cru fabriquées par métallurgie des poudres est une alternative intéressante afin de diminuer les coûts de production et d'ainsi concurrencer les autres procédés de mise en forme. Depuis les années 90, des procédés de fabrication ont été développés dans le but d'augmenter la résistance des pièces à cru et de rendre l'usinage de ces dernières envisageable. Toutefois, avant d'utiliser industriellement ce type d'usinage, certaines considérations doivent être étudiées. Cette thèse vise à caractériser et à optimiser l'usinabilité, selon diverses opérations d'usinage, de pièces de haute résistance à cru fabriquées par métallurgie des poudres. La durée de vie d'outils de coupe, de même que les effets de l'usure de ces derniers sur l'usinabilité des pièces à cru, ont également été caractérisés. Les propriétés mécaniques de pièces usinées à cru ont été mesurées suite à l'opération de frittage et comparées à celles de pièces usinées conventionnellement, c'est-à-dire après le frittage. Par ailleurs, des copeaux recueillis lors de l'usinage de pièces à cru ont été ajoutés un mélange de poudres de composition similaire pour la fabrication de nouvelles pièces. Les résultats ont montré qu'une vitesse de rotation suriacique élevée et une vitesse d'avance faible améliorent l'usinabilité des pièces à cru. Par exemple, en perçage, la taille de la zone où des particules ont été arrachées est de 115 um pour une vitesse de rotation surfacique de 140 m/min (7000 tour/min) et pour une vitesse d'avance de 0,0254 mm/r. Cette taille d'arrachement, mesurée lors des essais de perçage, est environ la moitié de celles répertoriées dans la littérature. La durée de vie des outils de coupe en usinage à cru est largement supérieure à celle mesurée lors de l'usinage de pièces frittées. Toutefois, lorsque la pointe de l'outil se détériore, la qualité des pièces usinées diminue. Par exemple, pour une opération de dressage, la taille moyenne de la zone d'arrachement est de 150 um lorsqu'un outil neuf est utilisé alors que cette taille augmente à 300 um pour une usure d'outil de 0,20 mm. Les essais mécaniques effectués sur des pièces frittées ayant subies une opération d'usinage à cru ont montré que les propriétés mécaniques de ces pièces sont similaires à celles mesurées sur des pièces usinées conventionnellement. De plus, les résultats montrent que 20%-poids de copeaux obtenus lors de l'usinage de pièces à cru peut être mélangé à un mélange de poudres de même composition sans en affecter les propriétés de mise en œuvre et les propriétés après frittage. / Traditionally, the powder metallurgy process allowed manufacturing components with relatively complex geometries requiring little machining operations. However, with the current diversity of this process, approximately 30% of these components require one or more machining operations to reach geometrical conformances. Unfortunately, the machining of powder metallurgy components, particularly those made from sinter-hardenable steel powders, is limited due to poor machinability of the latter. The machining of green powder metallurgy components is an attractive process to reduce production costs and to compete with other shaping processes. During the last decade, different strategies were developed to increase the strength of green powder metallurgy component enabling the machining of the latter. However, before using this type of machining in an industrial environment, certain considerations must be studied and optimized. This thesis is aimed at characterizing and optimizing the machinability of high green strength powder metallurgy components for various machining operations. The cutting tool life, as well as the effects of the tool wear on the machinability of green components, are also characterized. Powder metallurgy components machined in their green state were sintered and then subjected to mechanical tests to compare their sintered strength to that of components machined conventionally, i.e. after sintering. The results showed that a high surface speed and a low feed rate improve the machinability of green powder metallurgy components. For example, in drilling, the average width of breakouts is 115 um when a surface speed of 140 m/min (7000 rpm) and a feed rate of 0,0254 mm/r are used. Such width of breakouts, measured during the drilling tests, is approximately one half of those presented in the literature. The tool life of the cutting tool in green machining is largely higher than that measured during the machining of sintered components. However, for a worn cutting tool, the quality of the machined components decreases. In facing, the average width of breakouts is 150 um for a brand new cutting tool while this width of breakouts increases to 300 um for a worn one (tool wear: 0,20 mm). Mechanical tests done on sintered parts having undergone an operation of green machining showed that the mechanical properties of these parts are similar to those measured on components machined conventionally. Results showed that 20 wt.% of chips reclaimed during the machining of green specimens can be admixed to a similar premix without affecting of the compaction and the sintered properties.

Les fenêtres intelligentes présentent un potentiel important quant à la réduction de la consommation d’énergie dans les bâtiments et permettent d’assurer le confort visuel des occupants. Depuis le début des années 90, la recherche sur les technologies de fenêtres intelligentes s’est accentuée tant au niveau des technologies elles-mêmes qu’au niveau des types de contrôle qu’on peut leur appliquer pour gérer le plus efficacement possible le rayonnement solaire qui les traverse. Plusieurs laboratoires de recherche tels que le Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) se sont penché sur la question. L’évolution de la recherche dans ce domaine démontre toute la complexité associée à l’évaluation rigoureuse des performances des fenêtres intelligentes. De par sa capacité à gérer le rayonnement solaire, il va de soi que ce genre de technologies nécessite la connaissance du rayonnement solaire incident pour faciliter la prise de décision quant au contrôle à apporter. Étant donnés les coûts des technologies de capteurs de rayonnement solaire existantes et la limitation de certains quant à leur précision (lors de fluctuations du spectre électromagnétique et/ou des températures ambiantes), l’utilisation de capteurs de rayonnement solaire dédiés au contrôle de fenêtre intelligente est donc limitée. Par ailleurs, les connaissances sont encore limitées concernant les conditions permettant d’optimiser le contrôle de ce genre de technologies en termes d’énergie et de confort. L’objectif général de cette thèse est d’élargir les connaissances scientifiques sur le potentiel des technologies de fenêtres électrochromes quant à leur capacité à augmenter la performance énergétique et le confort des occupants dans les bâtiments. Dans un premier temps, un nouveau type de capteur de rayonnement solaire à faible coût est présenté. Ce capteur utilise la différence de température entre une surface blanche et une surface noire pour estimer le flux solaire radiatif traversant les ouvertures d’un bâtiment. Les mesures de rayonnement solaire sont corrélées aux températures de surfaces à l’aide un modèle thermique du capteur en 1D. Deux différents modèles de capteur sont présentés et les résultats obtenus sont comparés aux mesures solaires de référence obtenues par un pyranomètre. Il a été démontré que les modèles de capteurs présentent des précisions suffisantes pour un contrôle efficace. Finalement, il est observé que la période de calibration des capteurs requiert minimalement une demi-journée de mesures sous des conditions de ciel clair incluant le midi solaire. Dans un deuxième temps, l’impact des stratégies de contrôle de fenêtre intelligente sur la consommation énergétique globale est évalué. L’état des fenêtres intelligentes nécessaire à toute heure de la journée pour permettre une minimisation de la consommation d’énergie globale tout en respectant les contraintes reliées au confort thermique et visuel est déterminé à l’aide d’une stratégie d’optimisation basée sur des algorithmes génétiques. Ce contrôle quasi-optimal est alors comparé à d’autres approches qui peuvent être adaptées à des applications en temps réel, soit des contrôles fondés sur des règles et un modèle de contrôle prédictif. Les impacts de la masse thermique et de la puissance du système d’éclairage installé sont également analysés. Les résultats montrent que les quatre stratégies de contrôle à l’étude présentent une consommation énergétique similaire avec des écarts de consommation globale variant de 4% à 10%. Cette étude illustre que des stratégies de contrôle plus simple permettent d’obtenir des résultats satisfaisants. Finalement, une analyse de sensibilité basée sur une grande variété de combinaison de paramètres de design est réalisée. Des résultats énergétiques et de confort pour un total de 7680 scénarios sont obtenus et utilisés dans cette analyse considérant l’effet principal des paramètres de design du bâtiment. L’influence relative des paramètres est présentée et les différents designs améliorant les résultats sont déterminés. Les résultats montrent que la meilleure économie d’énergie avec fenêtres intelligentes se trouve dans des climats chauds avec une exposition élevée aux rayons solaires. La présence de fenêtres intelligentes influence principalement la charge de refroidissement maximale et agit comme une solution alternative à la masse thermique en termes de réduction potentielle de cette charge maximale. Bien que le choix de la stratégie de contrôle ait un impact limité sur l’économie d’énergie réalisée et la réduction de la charge maximale, l’analyse permet de constater que ce paramètre a un impact encore plus important sur le confort visuel. L’utilisation de fenêtres intelligentes ne semble pas influencer grandement le confort thermique à l’intérieur de la zone. / Smart windows present a huge potential in terms of energy consumption reduction in buildings while also offering the possibility to assure occupants’ visual comfort. Since the early nineties, research in the field of smart windows gains a lot of interest on both the technologies and the controls that could be applied on such technologies to manage more efficiently solar gains passing through these windows. Many different well-known entities such as the Lawrence Berkeley National Laboratory invested efforts in this field and demonstrated the great complexity related to the thorough evaluation of smart window performances. Given its capacity to manage solar radiation, it makes sense to benefit from solar radiation measurements to control efficiently such technology. However, the costs and other technical related limitations reduce the potential to use readily available solar sensors for smart window control. Moreover, general knowledge is still limited regarding the conditions leading to optimal control decisions of smart windows. The main objective of this thesis was to gain a better understanding of how electrochromic windows could lead to improved performances in terms of energy consumption and thermal comfort. First, a new design of low cost solar sensor is proposed. The sensor uses the difference in temperature of white and black surfaces to estimate the solar heat flux through building openings. Results of solar radiation measurements are obtained through a correlation based on a 1D thermal model of the sensor. Two designs of the sensor are presented and obtained results compared with solar measurements of a high precision pyranometer. It was shown that the new sensors present sufficient accuracy for smart window control applications. Finally, it was observed that ideal sensors calibration period should consider at least half a day of measurements, including solar peak time, and should be done during clear sky conditions. Then, the impact of the applied control strategy on the overall energy consumption is investigated. The hour-by-hour state of the smart windows required to minimize overall energy consumption while respecting constraints related to comfort is determined through an optimization strategy based on genetic algorithms. This quasi-optimal control is compared to other approaches that could be applied in real-time applications, i.e. rule-based controls and a model predictive control. The impacts of thermal mass and installed light power density are also analyzed. Results show that the four control strategies under study presented similar energy consumption with differences in total energy consumption ranging from 4% to 10%. This study illustrates that simpler control strategies can also lead to satisfying results. Finally, a sensitivity analysis based on a large number of different combinations of design parameters is performed. Results related to energy and for a total of 7680 scenarios were obtained and used in this analysis considering the Main effect of the building parameters. The relative influence of the parameters is presented and the different designs improving the outputs are determined. Results have shown that the greatest total energy savings considering EC windows are for warmer climates with higher solar radiation exposures. The presence of an EC window mostly influences the cooling peak load and acts as an alternative solution to thermal mass from the perspective of peak reductions. While the choice of the specific window control strategy is having a limited impact on the energy savings and peak load reductions, the analysis revealed that this parameter has a larger impact on the visual comfort. The use of smart window does not appear to greatly influence the thermal comfort within the zone.

Dans le cadre du projet Mary River, situé à l'île de Baffin, une ligne de chemin de fer sur du pergélisol doit être construite. Afin d'évaluer le comportement à long terme de la ligne de chemin de fer, le développement d'un modèle prévisionnel de l'endommagement des remblais est nécessaire. L'élaboration du modèle prévisionnel est possible par la réalisation de simulations numériques et d'essais en laboratoire. Les simulations numériques, effectuées avec le logiciel GéoStudio, permettent de prédire le comportement thermique à long terme des remblais et l'état des contraintes additionnelles dans le sol d'infrastructure induites par le remblai. En laboratoire, des essais de fluage et de consolidation au dégel sont réalisés pour caractériser le comportement mécanique des sols. Ces essais permettent de développer une loi de comportement caractérisant le fluage secondaire des sols gelés. Ainsi, la combinaison des simulations numériques et des essais en laboratoire permet de prédire le taux de déformation du sol d'infrastructure à un endroit précis et ce, pour une température et une contrainte définie.

Les anodes en carbone font partie de la réaction chimique de réduction de l'alumine, qui est consommée lors du procédé d'électrolyse Hall-Héroult. Le comportement des agrégats secs de coke en tant que composant principal des anodes de carbone (environ 85 %) a un rôle clé et exceptionnel dans leurs propriétés finales. L'analyse de défaillance des agrégats de coke sec permet non seulement de mieux comprendre les mécanismes de déformation des matériaux granulaires sous charge compressive, mais peut également identifier les causes potentielles de défauts structurels des anodes en carbone, telles que les fissures horizontales. Dans ce travail, il sera montré qu'un mode de défaillance particulier peut être responsable de la génération de fissures dans les anodes en carbone. Le comportement de rupture des agrégats de coke n 'est pas seulement affecté par les paramètres du processus de compactage, tels que la pression de confinement et la vitesse de déformation axiale, mais il dépend également fortement de la distribution granulométrique et de la forme des particules de coke. La méthode des éléments discrets (DEM) est utilisée pour modéliser le comportement micromécanique des agrégats de coke sec pendant le processus de compactage. De plus, le critère de travail de second ordre est utilisé pour analyser la rupture des éprouvettes de granulats de coke. Les résultats révèlent que l'augmentation de la pression de confinement augmente la probabilité du mode de diffusion de la rupture dans l'éprouvette. D'autre part, l'augmentation de la vitesse de déformation augmente les chances du mode de localisation de la déformation de la rupture dans l'éprouvette. De plus, les résultats indiquent que l'utilisation de fines particules ainsi que la diminution de la sphéricité des particules de coke augmenteront la plage de stabilité des agrégats de coke. De plus, en utilisant l'analyse des évaluations de contour de micro-déformation pendant le processus de compactage, il est montré que, à la fois en ajoutant des particules fines aux agrégats de coke et en diminuant la sphéricité des particules de coke, la possibilité de créer une bande de compression dans le coke agrégats est réduit. Étant donné que la présence des bandes de compactage dans la pâte d'anode crée une zone sujette à la génération de fissures horizontales, les résultats de cette étude pourraient conduire à la production d'anodes en carbone avec moins de défauts structurels. / Carbon anodes are part of the chemical reaction of alumina reduction, that is consumed during the Hall-Héroult electrolysis process. The behavior of dry coke aggregates as the main component of carbon anodes (about 85 %) has an exceptional key role in their final properties. The failure analysis of dry coke aggregates not only leads to a better understanding of the deformation mechanisms of granular materials under compressive loading but also can also identify the potential causes of structural defects in carbon anodes, such as horizontal cracks. In this work, it will be shown that a particular failure mode can be responsible for the crack generation in the carbon anodes. The failure behavior of the coke aggregates is not only affected by the compaction process parameters, such as the confining pressure and axial strain rate, but it is also strongly dependent on the size distribution and shape of coke particles. The discrete element method (DEM) is employed to model the micro-mechanical behavior of the dry coke aggregates during the compaction process. In addition, the second-order work criterion is used to analyze the failure of the coke aggregate specimens. The results reveal that increasing the confining pressure enhances the probability of the diffusing mode of the failure in the specimen. On the other hand, the increase of the strain rate augments the chance of the strain localization mode of the failure in the specimen. In addition, the results indicate the fact that the use of fine particles as well as decreasing the sphericity of coke particles will increase the stability range of the coke aggregates. Moreover, by using the analysis of micro-strain contour evaluations during the compaction process, it is shown that, both by adding fine particles to the coke aggregates and by decreasing the sphericity of coke particles, the possibility of creating a compression band in the coke aggregates is reduced. Since the presence of the compaction bands in the anode paste creates an area that is prone to horizontal crack generation, the results of this study could lead to the production of carbon anode with fewer structural defects.

Les produits de l'érable sont fabriqués généralement par ébullition, refroidissement, puis agitation du sirop d'érable « Canada catégorie A ». Les cristaux de sucrose formés donnent la texture au produit. En confiserie, la courbe d'élévation du point d'ébullition de l'eau (EPE) en fonction des solides solubles permet d'arrêter l'ébullition au niveau approprié de concentration pour le produit visé, alors que la courbe de la température de transition vitreuse selon la teneur en solides solubles permet de recommander des paramètres de refroidissement. Les outils actuels se basent principalement sur des solutions aqueuses de sucrose, mais la présence d'autres composés les influencent. Le sirop d'érable est une solution aqueuse, surtout de sucrose, mais aussi de sucre inverti, de polyphénols et de composés azotés. Leur teneur varie selon la couleur du sirop d'érable, représentée par sa classe : « Doré », « Ambré », « Foncé » ou « Très foncé ». Les caractéristiques physicochimiques pourraient changer au cours de leur entreposage. Au cours de ce projet, les effets de la durée d'entreposage sur une année et de la classe de sirop sur leurs caractéristiques physicochimiques ont été étudiés. Les teneurs en polyphénols, sucre inverti et composés azotés tendaient à être plus élevées dans les sirops plus foncés, contrairement à la concentration en sucrose qui diminuait légèrement. Au cours de l'entreposage, la teneur en sucrose augmentait, alors que les concentrations en polyphénols et le pH diminuaient. Pour mieux comprendre l'effet des classes de sirop pendant leur transformation, leur comportement a été étudié pendant l'ébullition et le refroidissement. La courbe de la température de transition vitreuse était commune à tous les sirops, tandis que celles de l'EPE variaient selon leur classe. Ces connaissances appuieront une meilleure compréhension de la cristallisation du sucrose dans un contexte de transformation du sirop d'érable. / Maple products are generally made from "Canada grade A" maple syrup by boiling, cooling, and then stirring. Crystallization gives the characteristic texture to maple products. In confectionery, the Boiling point elevation (BPE) depending on total soluble solids curve is used to stop boiling at the appropriate concentration level for the intended product, while the curve of glass transition temperature depending on total soluble solids is used to recommend cooling parameters. Current tools are mainly based on aqueous solutions of sucrose, but the addition of other compounds influences them. Maple syrup is an aqueous solution, mainly composed of sucrose, but also of invert sugar, total phenolic content and nitrogenous compounds. Their content changes according to the color of the maple syrup, represented by its class: " Golden ", " Amber ", " Dark " or " Very dark ". Their physicochemical characteristics could change during storage. During this project, the effects of storage time over a year and syrup class on their physicochemical characteristics were studied. Polyphenols, invert sugar and nitrogen compounds tended to be higher in darker syrups, while the sucrose concentration decreased slightly. During storage, sucrose content increased, while polyphenol concentrations and pH decreased. To better understand the effect of the syrup classes during processing, their behavior during boiling and cooling was studied. The glass transition temperature curve was common to all syrups, while the BPE curves varied according to their class. This knowledge will be used to better understand sucrose crystallization in a maple syrup processing context.

Combiner les avantages des nanoparticules d'argile et celles d'une phase élastomère dispersée peut conduire à de meilleures propriétés mécaniques. L'amélioration à la fois des propriétés mécaniques en traction (module, contrainte et déformation à la rupture) et des propriétés au choc (résistance et énergie de rupture) peut conduire à de nouvelles applications industrielles. Cependant, le renforcement d'une matrice polymère ductile par des charges minérales classiques se traduit de manière quasi-systématique par une fragilisation importante de celle-ci. Les nanocomposites utilisant comme renforts des microplaquettes d'argile permettent une approche originale de ce problème de la fragilité du fait de la taille des renforts, de leur dispersion, de leur surface spécifique élevée et des possibilités de fonctionnalisation des surfaces. Les nanocomposites à matrice polypropylène renforcés par un type de nanoparticules d'argile sont mis en œuvre à l'état fondu dans un mélangeur interne. L'ajout d'oligomères fonctionnalisés favorise la dispersion de l'argile dans le polypropylène. Une exfoliation partielle est ainsi obtenue par cisaillement intense d'un milieu hautement visqueux. Grâce à leur facteur de forme (longueur sur épaisseur) très élevé (>100), des fractions volumiques de particules inorganiques aussi basses que 2-3% suffisent pour engendrer un réseau de particules percolant conférant au nanocomposite final des propriétés mécaniques comparables aux composites classiques chargés par 30 à 50% de fibres de verres, sans altérer grandement la densité et la transparence de la matrice. Par ailleurs, même si on augmente le module et éventuellement la contrainte à la rupture, les propriétés au choc et la déformation à la rupture se trouvent diminuées. En revanche, dans le domaine des polymères, l'ajout d'une phase élastomère améliore les propriétés au choc et augmente la déformation à la rupture. Cette amélioration se fait au détriment du module qui diminue en fonction de la teneur en phase élastomère. La dispersion est analysée par diffraction des rayons X et microscopie. Les matériaux sont soumis à des essais mécaniques en traction et au choc.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les verres de chalcogénure sont reconnus depuis longtemps comme le meilleur matériau pour la transmission de la lumière infrarouge et les propriétés non linéaires. Bien que ces propriétés aient été considérablement explorées dans les verres massifs, l'utilisation de verres de chalcogénure dans des applications de faible dimensions, telles que les micro et nano composants pour la photonique intégrée, a été fortement limitée en raison des difficultés de fabrication et de traitement des composants passifs et actifs de verres de chalcogénure. Les caractéristiques intrinsèques des verres de chalcogénures comme la photosensibilité élevée, la température de transition vitreuse faible et la sensibilité élevée aux solutions basiques, ont toujours été un obstacle pour la fabrication de nano et micro-composants optiques. Les procédés standards de microfabrication créent des structures non uniformes avec une haute densité de défauts et un faible rendement. De plus, comme élément actif, le développement de lasers et d'amplificateurs opérant dans l'infrarouge moyen en utilisant les chalcogénures comme matériau hôte pour les émissions de terres rares est également complexe. Malgré la transparence dans le moyen IR, les faibles énergies des phonons, et l'indice de réfraction élevé, l'incorporation des ions de terres rares dans la matrice vitreuse, sans obtenir d'agglomération et de séparation de phase, est un défi important. Dans ce doctorat, nous étudions deux approches qui peuvent apporter des solutions aux deux problèmes : la fabrication de micro et nanostructures de chalcogénure de haute qualité et l'incorporation de dopants dans des structures optiques de faible dimension. Nous étudions le système vitreux As-Se en couche mince pour la production de micro-composants optiques. La méthode de démouillage et de refusion thermique est proposée comme alternative pour corriger les défauts produits lors du processus de photolithographie ainsi que pour produire des îlots de matière répartis sur le substrat. Le démouillage des couches minces de As-Se est également utilisé pour étudier la dynamique et la cinétique du transport de masse, régies par les forces moléculaires et le flux visqueux du verre. Nous avons découvert qu'un tel processus est principalement déterminé par la structure moléculaire du verre et la connectivité du réseau et qu'il peut être contrôlé par des paramètres comme l'épaisseur de la couche mince, la température, la vitesse de chauffage et l'atmosphère, permettant la création de microstructures avec des rapports de forme élevés et de bonnes qualités optiques. La production de couches minces d'As-Se dopées à l'erbium est également abordée par l'utilisation de la méthode de co-évaporation. Nous avons pu augmenter les limites de dopage au-dessus des limites structurelles du verre As-Se en évaporant simultanément l'erbium métallique par évaporation thermique et le verre par la technique du faisceau d'électrons. Cette méthode réduit le taux d'agglomération de l'erbium et crée des films homogènes et uniformes avec une efficacité d'émission augmentée et des propriétés de fluorescence prometteuses. De plus, le rôle des défauts de chalcogénure (états localisés inter-bandes interdites) dans le mécanisme d'échange d'énergie, qui permet à l'erbium d'émettre dans une région d'excitation plus large, est étudié. Finalement, nous utilisons le traitement thermique dans le matériau dopé à l'erbium et induisons une refusion thermique de la matrice vitreuse As₂₀Se₈₀ dopée à l'erbium, dans la configuration de couche mince et de guide d'onde. Nous avons constaté que la refusion thermique peut être utilisée pour améliorer la morphologie du guide d'onde tout en augmentant simultanément l'émission de fluorescence. Ce travail démontre qu'avec les bonnes stratégies de fabrication et de traitement thermique, il est possible d'exploiter les propriétés exceptionnelles des verres de chalcogénure, qui ont le potentiel de révolutionner le domaine en plein essor de la photonique intégrée des matériaux exotiques. / Chalcogenide glasses have long been recognized for being the best material for infrared light transmission and nonlinear properties. Although such properties have been considerably explored in the bulk form, the use of chalcogenide glasses in low-dimension applications, such as micro and nano components for integrated photonics, has been severely limited due to the difficulties in the fabrication and processing of chalcogenide passive and active components. The intrinsic characteristics of chalcogenide glasses such as high photosensitivity, low glass transition temperature, and high sensitivity to basic solutions, have long been an hurdle for the fabrication of micro and nano-optical components. The standard processes of microfabrication results in non-uniform structures with a high density of defects and low yield. Furthermore, as an active element, the development of mid-IR lasers and amplifiers by using chalcogenide as host material for rare earth mid-IR emissions is also troublesome. Despite the transparency in mid-IR, the low phonon energies, and the high refractive index, the incorporation of rare earth ions into the glass matrix without obtaining agglomeration and phase separation remains a significant challenge. In this Ph.D. thesis, we investigate two approaches that may shed light on the solutions to both problems: the fabrication of high-quality chalcogenide micro and nanostructures and the incorporation of dopants into low-dimension optical structures. We investigate the As-Se glassy system in thin film configuration for the potential production of micro-optical components. The dewetting and thermal reflow method is proposed as an alternative for correcting defects produced during the photolithography process as well as producing islands of material distributed on the substrate. Dewetting of As-Se thin films is also used to investigate the dynamics and kinetics of mass transport, governed by the molecular forces and the glass viscous flow. We discovered that such process is primarily determined by the molecular structure of the glass and network connectivity and that it can be controlled by parameters such as thickness, temperature, heating rate, and atmosphere, allowing the creation of high aspect ratio microstructures with good optical quality. The production of erbium-doped As-Se thin films is also approached by the use of the co-evaporation method. We were able to increase the limits of doping beyond the structural limitations of the As-Se structure by thermally evaporating metallic erbium while simultaneously evaporating glass by the electron beam technique. This method reduces the rate of erbium agglomeration and creates homogeneous and uniform films with increased emission efficiency and promising fluorescence properties. Moreover, the role of chalcogenide defect states (localized inter-band gap states) in the energy exchange mechanism that allows erbium to emit over a wider excitation region is investigated. Finally, we implement the thermal processing in the Er-doped material, and induce thermal reflow in the erbium-doped glassy matrix As₂₀Se₈₀, in thin film and waveguide configuration. We found that thermal reflow can be used to improve the waveguide morphology while simultaneously increasing the fluorescence emission. This work demonstrates that with the appropriate production and processing strategies, it is possible to exploit the outstanding properties of chalcogenide glasses, which have the potential to revolutionize the growing field of integrated photonics of exotic materials.

Dans la fabrication de panneaux de fibres, le pressage à chaud est une étape fondamentale, car elle a une haute influence sur la performance du panneau fini. La modélisation du pressage permet de prédire les principales variables qui ont un effet direct sur le développement du profil de masse volumique selon l’épaisseur pendant le pressage, soit la température, la teneur en humidité et la pression de la vapeur. L’interaction des mécanismes de transfert chaleur- masse ainsi que le changement des conditions internes de l’ébauche de fibres rend souvent leur étude complexe. Établir et bien caractériser les relations entre les propriétés physiques de l’ébauche de fibres pendant le pressage permet d’acroître la précision des prédictions faites par les modèles mathématiques. Ce projet de recherche a été consacré à l’étude des phénomènes de transfert de la chaleur et de la masse dans les ébauches de fibres de bois. Ainsi, la perméabilité au gaz, la conductivité thermique et la porosité ont été déterminées à cinq niveaux de masse volumique pour trois différentes tailles des fibres afin d’évaluer la relation entre ces propriétés et le niveau de densité locale de l’ébauche de fibres durant le pressage. En plus, l’effet de la taille des fibres sur les propriétés déjà mentionnées a été d’ailleurs évalué. La perméabilité au gaz a été déterminée à quatre niveaux de pression d’entrée : 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa et 200 kPa sur d’échantillons conditionnés à 65% d’humidité relative et une température de 21°C. Le débit d’air à travers l’épaisseur de l’échantillon a montré de glissement moléculaire. La conductivité thermique a été mesurée par la méthode du steadystate thermal resistance, en utilisant un gradient de 1,6°C mm-1 sur d’échantillons avec une teneur en humidité de 7,6% (s=0,3). La porosité a été calculée par analyse d’image de coupes minces par la méthode du contraste de la couleur noir et blanc. Cette méthode utilise des images obtenues à partir de coupes minces extraites de panneaux de fibres fabriqués sans profil de masse volumique selon l’épaisseur. La perméabilité au gaz, la conductivité thermique et la porosité obtenues dans ce travail de recherche ont été entre 2,16 x10-13 et 5,96 x10-12 m2; 0,05 et 0,15 W m-1 K-1 et 0,44 et 0,93 respectivement, dans un intervalle de masse volumique de 198 kg m-3 et 987 kg m-3. Les résultats indiquent que la masse volumique est, en effet, une variable significative par rapport aux propriétés physiques de l’ébauche étudiées. Une chute importante de la perméabilité au gaz a été observée autour de 598 kg m-3 de masse volumique. Ceci a un impact important lors du pressage à chaud lorsque la densité locale de l’ébauche des fibres est autour de cette valeur. En outre, la taille des fibres est un facteur dominant sur la conduction de la chaleur et la structure poreuse de l’ébauche. Étant donné les résultats actuels, l’impact de la taille des fibres sur la conductivité thermique et la porosité a été significatif. Cependant, la taille des fibres n’a pas eu un effet statistiquement significatif sur la perméabilité au gaz. En conséquence, il n’y a pas eu d’éléments suffisants dans cette étude pour affirmer que la taille des fibres a un impact significatif sur la pression de la vapeur de gaz produite lors du pressage. / In panel manufacturing, the hot-pressing process is a fundamental step because it has a great influence on final product quality. Hot-pressing modeling allows predicting the main variables that it has a direct effect on the development of density profile through the thickness during hot pressing, namely temperature, moisture content and vapour pressure. The study of the heat and mass transfer and mat internal conditions is complex owing to their interaction and changing conditions. Establish and characterize properly the relations between fiber mat physics properties during hot-pressing process it allows to increase the accuracy of predictions made by mathematic model. This research project was conducted in order to study the mass and heat transfer phenomena in fiber mat. Thereby the gas permeability, thermal conductivity and porosity were determined to five density levels and three different fiber sizes in order to evaluate the relationship of these properties and densification level representing the local density though the fiber mat thickness during the hot-pressing process. Furthermore, fiber size effect on these properties already mentioned has been evaluated. Gas permeability was determined to four-inlet pressure: 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa et 200 kPa on specimens conditioned to 65% of relative humidity and 21C of temperature. During gas permeability measurements, the air flux though the disk thickness showed slip flow. Thermal conductivity was measured using a gradient of 1,6°C mm-1 on specimens with a moisture content of 7.6% (s=0,3). Mat porosity measurements were performed using the white-black color contrast method. This procedure use images taken from layers impregnated with acrylic resin, which were extracted previously from panels with homogeneous density, profile through the thickness. Gas permeability, thermal conductivity and porosity obtained in this research work were between 5.96 x10-12 and 2.16 x10-13 m2; 0.05 - 0.15 W m-1 K-1 and 0.44 - 0.93 respectively in a range of 198 kg m-3 and 987 kg m-3 of density. The results indicated that the mat density was, in fact, a significate variable in relation to the physical properties of fiber mat considered in this study. Additionally, the fiber size was a dominant factor on heat conduction and porous structure of the fiber mat. Given these results, the fiber size had anoticeable effect on both mat properties thermal conductivity and porosity. Conversely, the fiber sizes studied had no significant effect on gas permeability. Hence, there was not enough evidence to affirm that the fiber size has a significant impact on vapour pressure produced during the hot-pressing process.

Cette thèse de doctorat porte sur la modélisation numérique du comportement des sables à l'aide de la loi de comportement NorSand-aUL. Cette loi, développée dans le cadre de ce projet de recherche, est une évolution du modèle NorSand spécifiquement adaptée à la modélisation du comportement des sables soumis à des sollicitations cycliques. La révision des performances de NorSand sous différents types de sollicitations (triaxial compression, cisaillement simple statique et cyclique, cisaillement à direction et ratio des contraintes principales contrôlés) a permis l'identification de certains points faibles du modèle, rendant ses modélisations du comportement des sables sous sollicitations cycliques insatisfaisantes. Afin de corriger ces lacunes, deux groupes de modifications ont été proposés. D'abord, la théorie de l'état critique anisotrope a été implémentée dans NorSand, afin d'y créer une dépendance vis-à-vis du type et de la direction des chargements. Cette modification a grandement amélioré les performances du modèle pour la modélisation du comportement encisaillement simple statique. La deuxième modification proposée s'est articulée autour de la formulation d'une nouvelle mécanique de génération de la plasticité lors du déchargement des sables. L'existence d'une deuxième surface de plasticité, nichée à l'intérieur de la surface de plasticité originale de NorSand, a été postulée. Les capacités de modélisation d'une version de NorSand incorporant cette nouvelle mécanique ont été confirmées grâce à la modélisation d'essais triaxiaux drainés et non drainés comprenant des phases de déchargement. Les deux modifications proposées au modèle NorSand au cours de ce projet de recherche ont finalement été agrégées pour mener à la formulation de NorSand-aUL. Ce nouveau modèle a été utilisé pour la modélisation d'essais de cisaillement simple cyclique effectués sur deux sables. Ces modélisations ont démontré les gains réalisés, particulièrement pour les essais effectués sur sable lâche, par rapport aux performances antérieurement obtenues à l'aide de la version originale de NorSand. Des axes de recherche future ont été proposés afin d'améliorer les performances de NorSand-aUL, notamment pour la modélisation du comportement des sables denses soumis à des sollicitations cycliques. / This PhD thesis deals with the numerical modelling of sand behaviour using the NorSandaUL constitutive law. This law, developed as part of this research project, is an evolution ofthe NorSand model specifically adapted to the modelling of sand behaviour under cyclicloading. The review of NorSand's performance under various types of loading (triaxial compression, static and cyclic simple shear, fixed principal stress direction and fixed principal stress ratio) has allowed the identification of certain weak points in the model, making its behaviour modellings under cyclic loading unsatisfactory. In order to address these short comings, two groups of modifications were proposed. First, the anisotropic criticalstate theory was implemented in NorSand, in order to create a dependency on the type and direction of loading. This modification greatly improved the performance of the model for predicting static simple shear behavior. The second proposed modification focused on the formulation of a new mechanics for the generation of plasticity during unloading. The existence of a second yield surface, nested within the original NorSand yield surface, was postulated. The modelling capabilities of a version of NorSand incorporating this new mechanics were confirmed by satisfactory modelling results of drained and undrained triaxialtests which included unloading phases. The two modifications to NorSand proposed over the course this research project were eventually aggregated to lead to the formulation of NorSand-aUL. This new model was used to model cyclic simple shear tests for two sands. These modelling results demonstrated the gains made, particularly for tests conducted on loose sands, compared to the performance previously obtained using the original version of NorSand. Areas for future research were proposed to improve the performance of NorSandaUL, particularly in modelling the behaviour of dense sands under cyclic loading.