Le travail présenté dans ce manuscrit concerne les mesures de taille de particule et de fraction volumique de suies dans des conditions moteur Diesel. Les techniques utilisées sont la laser-Induced incandescence (LII), la méthode d’extinction laser (LEM), la pyrométrie, et l’analyse d’images de microscopie électronique par transmission (TEM) d’échantillons prélevés in-Situ. Des stratégies de mesure de tailles de particules sont développées en se basant sur l’utilisation d’un modèle LII et en analysant la poly-Dispersion des tailles de particules, aussi bien à partir de signaux de LII résolu en temps (mesures ponctuelles) à pression atmosphérique, que d’informations résolues spatialement provenant d’images acquises a deux instants différents. Des mesures sont effectuées avec ces stratégies sur une flamme à pression atmosphérique et dans des conditions représentatives des conditions moteur Diesel pour évaluer leur applicabilité. Des mesures supplémentaires de température et de fraction volumique de suies sont aussi réalisés.Une nouvelle méthode, appelée two-Exponential reverse fitting (TERF) est introduite. Elle vise à extraire des informations sur la distribution de tailles de particules. Cette méthode est basée sur l’utilisation de fits mono-Exponentiel du signal de décroissance de LII à différents intervalles de temps. La distribution de tailles de particules est approximée par la combinaison de deux distributions de tailles de particules mono-Disperses : une petite et une large. Aucune hypothèse sur la forme de la distribution n’est nécessaire. La méthode permet aussi de fournir le ratio de la proportion respective des deux classes de particules. L’erreur systématique induite par la description mono-Exponentielle de la décroissance du signal de LII a été calculée et est inférieure à 2% pour des décroissances de signal de LII d’aggregats mono-Disperses avec des températures de chauffe pour lesquels la sublimation des suies est négligeable. La méthode a été appliquée à des données de LII obtenus sur une flamme laminaire atmosphérique éthylene/air à différentes hauteurs. Les résultats obtenus montrent un bon accord entre les tailles des grosses particules évaluées avec la méthode TERF et celle obtenue par analyse des images TEM. En revanche l’accord n’est pas obtenu pour les petites particules, ce qui est attribué à un manque d’information sur cette classe de particule dans l’analyse TEM.Des champs de fraction volumique de suies sont ensuite obtenus dans une cellule haute pression haute température dans les conditions opératoires du réseau ECN (Engine Combustion Network) par technique combinée de LEM et LII simultanées. Les mesures sont réalisées dans les conditions du spray A et incluent des variations paramétriques (température et dilution). La distance de Lift Off de la flamme est déterminée en parallèle par visualisation directe de la chimiluminescence OH. Des niveaux de fraction volumique maximale de 2-3ppm sont obtenus dans les conditions nominales du spray A (i.e. 900K), et peuvent atteindre 12 pmm à haute température (1030K). L’effet des variations de température et de concentration d’oxygène sur la formation et l’oxydation des suies et cohérente avec les résultats issus de la littérature.Une méthode d’imagerie de taille de particules est développée. Elle est basée sur l’acquisition de deux images de LII obtenues à deux instants différents après le pulse laser et l’analyse de ces images à l’aide de la simulation du signal LII pour déduire les tailles des particules à partir du rapport des images. Une stratégie basée sur une analyse par modèle LII est développée pour évaluer les incertitudes de mesure. La dépendance aux conditions limites de l’imagerie de taille de particule par LII est ainsi évaluée. [...] / This work focuses on measurements of soot particle size and volume fraction at Diesel engine conditions. A combination of laser-Induced incandescence (LII) imaging, line-Of-Sight laser extinction, soot pyrometry, and transmission electron microscopy (TEM) measurements of thermophoretically-Sampled soot was used. Particle sizing strategies were developed with LII model for the analysis of particle-Size poly-Dispersity with time-Resolved LII signal that is suitable for point-Wise measurements at atmospheric pressure, and for spatially-Resolved characterization with two-Time-Step LII imaging. Measurements were performed with these strategies in a flame at atmospheric pressure and in Diesel engine combustion to investigate their applicability. Additional measurements were performed for temperature and soot volume fraction.A novel method, called two-Exponential reverse fitting (TERF), is introduced to extract information about the size distribution. The method is based on mono-Exponential fits to the LII signal decay at a delayed time. It approximates the particle-Size distribution as a combination of one large and one small mono-Disperse equivalent mean particle size and does not require a distribution assumption. It also provides a ratio of the contribution of both size classes. The systematic error caused by de-Scribing LII signals by mono-Exponential decays was calculated as less than 2% for LII signals simulated for mono-Disperse aggregated soot with heat-Up temperatures for which evaporation is negligible. The method was applied to LII data acquired in a laminar non-Premixed ethylene/air flame at various heights above the burner. The particle size of the large particle-Size class evaluated with the method showed good consistency with TEM results, however the size of the small particle-Size class and its relative contribution could not be compared due to insufficient information in the TEM results for small particles. Simultaneous line-Of-Sight laser extinction measurements and LII imaging were performed to de-Rive the soot volume fraction in a high-Temperature high-Pressure constant-Volume pre-Combustion vessel under the Engine Combustion Network’s (ECN) "Spray A" conditions with parametric variations of gas temperature and composition. Extinction measurements were used to calibrate LII images for quantitative soot distribution measurements. OH-Chemiluminescence imaging was used to determine the lift-Off length, and used to interpret the soot measurements. Maximum soot volume fractions around 2–3 ppm were obtained at the nominal ambient temperature defined for Spray A (i.e. 900 K) that rise to 12 ppm at elevated temperature (1030 K). Variations of ambient temperature and oxygen concentration were carried out showing effects on soot formation and oxidation that are consistent with the literature.The method for particle-Size imaging is based on evaluating gated LII signals acquired with two cameras consecutively after the laser pulse and using LII modeling to deduce particle size from the ratio of local signals. A strategy was developed with a model-Based analysis: the dependence of LII particle-Size imaging on the assumed boundary conditions was identified such as bathgas temperature, pressure, particle heat-Up temperature, thermal accommodation coefficients, and soot morphology. Various laser-Fluence regimes and gas pressures were considered. Effects of laser attenuation were evaluated. A combination of one detection gate starting with the particle-Heating and the other starting with 11 ns delay with twice as long gate width was found to provide the highest sensitivity for particle sizing at 60 bar. The optimum gate delays for different pressures were calculated. The effects of timing jitter for laser pulse and poly-Dispersity were investigated. Systematic errors in pyrometry imaging at 60 bar was evaluated. [...]

Le frittage micro-ondes est connu pour être une technique de frittage prometteuse. En effet, ce procédé présente comme avantages une réduction de la durée des traitements thermiques et un gain énergétique important par rapport aux procédés conventionnels. D'année en année, le frittage dans un environnement micro-ondes est étudié par un nombre croissant de chercheurs. Cependant, les raisons de l’effet bénéfique de ce type de frittage ne sont pas clairement identifiées.Dans ce contexte, l’objectif de ce travail a été de vérifier l’influence d’un champ électromagnétique à la fréquence de 2,45 GHz sur la densification de matériaux céramiques. Cet objectif passe donc par une étude comparative du frittage dans une enceinte micro-ondes et dans un four conventionnel. Cependant, la présence du champ électromagnétique dans un four micro-ondes ne permet pas l’utilisation des méthodes conventionnelles pour suivre le frittage. Ainsi, pour comparer les résultats, un dispositif expérimental original contenant un dilatomètre sans contact de haute résolution a été spécifiquement développé. Ce dispositif, permet aussi un suivi de la distribution de température à la surface de la pièce.Pour des cycles thermiques identiques, obtenus en frittage conventionnel et par micro-ondes, l’évolution de la densification de matériaux aux propriétés différentes a été comparée. Ces matériaux sont : l’alumine pure et dopée par 800ppm d’oxyde de magnésium, l’oxyde de zinc et l’hydroxyapatite silicatée. Pour chacun de ces matériaux, le couplage avec les micro-ondes et la répartition du chauffage à la surface de l’échantillon sont aussi discutés. Un effet bénéfique des micro-ondes sur l’évolution de la densification a été mis en évidence pour l’alumine avec ajout de MgO et de manière plus prononcée pour l’oxyde de zinc. / Microwave sintering is known to be a promising sintering technology. Indeed, this method has advantages such as reducing the duration of heat treatment and a significant energy saving compared with conventional processes. Year after year, sintering in a microwave environment is studied by a growing number of researchers. However, the reasons for the beneficial effect of this type of sintering are not clearly identified.In this context, the objective of this work was to verify the influence of an electromagnetic field at a frequency of 2.45 GHz on the densification of ceramic materials. This objective therefore involves a comparative study of sintering in a microwave chamber and in a conventional oven. However, the presence of electromagnetic field in a microwave oven does not allow the use of conventional methods to monitor the sintering. Thus, to compare the results, an experimental system containing a high resolution contactless dilatometer has been specifically developed. This system also allows monitoring of the temperature distribution on the sample surface.For identical thermal cycles, obtained by conventional and microwave sintering, the densification evolution of materials with different properties was compared. These materials are: pure alumina and doped with 800ppm magnesium oxide, zinc oxide and silicon-substituted hydroxyapatite. For each material, the coupling with the microwaves and the temperature distribution on the surface sample are also discussed. A beneficial effect of microwaves on the evolution of densification has been identified for alumina with addition of MgO and more pronounced for zinc oxide.

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes d'endommagement et de rupture des matériaux métalliques sous sollicitation dynamique. Pour de grandes vitesses de déformation, il apparaît une localisation de la déformation sous forme de fines bandes appelées bandes de cisaillement adiabatique (BCA). Comme la durée de sollicitation est très courte, la dissipation de l'énergie mécanique sous forme de chaleur génère de fortes hétérogénéités de température. Pour étudier les mécanismes d'amorçage et de propagation d'une BCA lors d'un essai de torsion dynamique, nous avons développé un dispositif de mesure par pyrométrie : pour les "basses températures" comprises entre 50°C et 300°C, nous utilisons une barrette de 32 détecteurs infrarouges InSb afin d'étudier les hétérogénéités de température pendant l'amorçage de la BCA. La fréquence d'acquisition est de 1MHz et la résolution spatiale de 43µm. Pour les "hautes températures" comprises entre 800°C et 1600°C, nous utilisons une caméra intensifiée sensible dans le visible. La résolution spatiale est de 2µm et le temps d'ouverture est de 10µs. Ce dispositif a montré que la température pouvait dépasser 1100°C avec hétérogénéité au sein même de la bande. Pour interpréter ces résultats, nous avons développé un modèle thermomécanique bidimensionnel de l'éprouvette de torsion. Un défaut de rugosité a été inséré au centre de l'éprouvette et une loi de comportement élasto-thermoviscoplastique a été choisie. Les paramètres de la loi d'écoulement plastique de type Johnson-Cook ont été identifiés à partir d'essais statiques et dynamiques à différentes températures. La solution obtenue avec le code de calcul éléments finis Abaqus permet de simuler l'amorçage et la propagation de la BCA. La confrontation entre l'expérience et le modèle nous a permis de proposer un mécanisme d'amorçage de multiples BCA suivi d'interactions et d'annihilations des BCA entre elles.

Durant cette thèse, les difficultés rencontrées pour la mesure de température de surface des composants métalliques face au plasma dans les tokamaks sont présentés. Les méthodes de thermographie infrarouge nécessitent de connaitre l'émissivité du matériau et la contribution de l'environnent pour les matériaux de faible émissivité. Des méthodes ont été développées afin de s'affranchir de ces difficultés mais elles répondent à des configurations particulières et aucune n'est adaptée pour une mesure de température de surface de matériaux métalliques dans un tokamak.La méthode de pyrométrie active présentée dans cette étude réalise des mesures de température de surface indépendamment du flux réfléchi et de l'émissivité en utilisant l'effet photothermique. La validation de cette technique en laboratoire sur des matériaux métalliques avec un flux réfléchi pour les régimes impulsionnel et modulé s'est accompagnée d'une modélisation de la variation de température induite par l'effet photothermique et de l'évolution temporelle des signaux obtenus pour optimiser les paramètres de la source et de la chaine d'acquisition. Les résultats expérimentaux ont déterminé les domaines d'application en température et en longueur d'onde de détection.Le dimensionnement d'une installation de pyrométrie active sur tokamak avec une caméra infrarouge bicolore a été réalisé pour une mesure de température sans contact.La méthode de pyrométrie active est une technique complémentaire des méthodes classiques utilisées dans le cadre de la thermographie en environnement tokamak qui permet de réaliser des mesures de température de surface locale et 2D indépendantes du flux réfléchi et de l'émissivité. / During this PhD, the challenges on the non-intrusive surface temperature measurements of metallic plasma facing components in tokamaks are reported. Indeed, a precise material emissivity value is needed for classical infrared methods and the environment contribution has to be known particularly for low emissivities materials. Although methods have been developed to overcome these issues, they have been implemented solely for dedicated experiments. In any case, none of these methods are suitable for surface temperature measurement in tokamaks.The active pyrometry introduced in this study allows surface temperature measurements independently of reflected flux and emissivities using pulsed and modulated photothermal effect. This method has been validated in laboratory on metallic materials with reflected fluxes for pulsed and modulated modes. This experimental validation is coupled with a surface temperature variation induced by photothermal effect and temporal signal evolvement modelling in order to optimize both the heating source characteristics and the data acquisition and treatment. The experimental results have been used to determine the application range in temperature and detection wavelengths.In this context, the design of an active pyrometry system on tokamak has been completed, based on a bicolor camera for a thermography application in metallic (or low emissivity) environment.The active pyrometry method introduced in this study is a complementary technique of classical infrared methods used for thermography in tokamak environment which allows performing local and 2D surface temperature measurements independently of reflected fluxes and emissivities.

Ce mémoire est constitué de deux parties relativement indépendantes, dont la première partie porte sur les méthodes de mesure de température par méthodes Multi-Spectrales (pyrométrie optique passive), et la seconde sur la Caractérisation Thermique à haute température par transformations intégrales de matériaux orthotropes. Dans chacune de ces deux parties, les méthodes/modèles développés ont été traités du point de vue théorique, numérique, et expérimental. Dans la partie multi-spectrale, une méthode de mesure de température permettant de prendre en compte les variations spectrales de la chaine de mesure globale (incluant l’émissivité) a été présentée. De plus, une méthode de détermination des longueurs d’ondes optimales au sens de la minimisation de l’écart-type sur la température, a été développée. Enfin, il a également été montré que les longueurs d’ondes optimales pour les mesures mono-spectrales et bi-spectrales pouvaient être déterminées à l’aide de lois analogues à la loi de déplacement de Wien. Dans la partie Caractérisation Thermique, différentes méthodes et modèles ont été développés. Les méthodes proposées effectuent l’estimation des diffusivités longitudinales et transversales sur l’ensemble des harmoniques simultanément. De plus, ces méthodes permettent de s’affranchir du couplage thermique dû à la présence d’un porte-échantillon, et/ou d’effectuer des mesures de diffusivités pseudo-locales, en injectant comme conditions aux limites les informations expérimentales obtenues par caméra infrarouge. Enfin, les notions de corrélation entre les paramètres et de durée d’exploitabilité des harmoniques ont également été abordées / This thesis consists of two relatively independent parts, the first part focuses on methods of temperature measurement using Multi-Spectral (passive optical pyrometry) methods, and the second on the Thermal Characterization by integral transforms at high temperature of orthotropic materials. In each of these two parts, methods / models developed were treated from a theoretical point of view, numerical and experimental. In the multi-spectral part, a method of temperature measurement to take into account a spectral variation of the overall measurement chain (including the emissivity) was introduced. Moreover, a method of determining the optimal wavelengths in the sense of minimizing the standard deviation of temperature, has been developed. Finally, it has also been shown that the optimal wavelengths for mono-spectral and bi-spectral measurements could be determined with similar laws to Wien's displacement law. In the Thermal Characterization part, different methods and models have been developed. The proposed methods perform the estimation of longitudinal and transverse diffusivities on all harmonics simultaneously. Furthermore, they allow overcoming the thermal coupling due to the presence of a sample holder, and / or making pseudo-local measurements of diffusivities. Finally, the concepts of correlation between parameters and duration of harmonics exploitability were also discussed.This thesis consists of two relatively independent parts, the first part focuses on methods of temperature measurement using Multi-Spectral (passive optical pyrometry) methods, and the second on the Thermal Characterization by integral transforms at high temperature of orthotropic materials. In each of these two parts, methods / models developed were treated from a theoretical point of view, numerical and experimental. In the multi-spectral part, a method of temperature measurement to take into account a spectral variation of the overall measurement chain (including the emissivity) was introduced. Moreover, a method of determining the optimal wavelengths in the sense of minimizing the standard deviation of temperature, has been developed. Finally, it has also been shown that the optimal wavelengths for mono-spectral and bi-spectral measurements could be determined with similar laws to Wien's displacement law. In the Thermal Characterization part, different methods and models have been developed. The proposed methods perform the estimation of longitudinal and transverse diffusivities on all harmonics simultaneously. Furthermore, they allow overcoming the thermal coupling due to the presence of a sample holder, and / or making pseudo-local measurements of diffusivities. Finally, the concepts of correlation between parameters and duration of harmonics exploitability were also discussed

Les techniques de frittage ultrarapide « naturel » (sans charge) comme le frittage par micro-ondes ou par induction présentent de nombreux avantages. Toutefois, le développement de ces techniques passe par une compréhension et une maitrise des mécanismes mis en jeu. A la fois similaires et complémentaires, ces procédés de chauffage-frittage ont été étudiées par une approche expérimentale afin d’approfondir les connaissances dans le domaine du Frittage Ultrarapide Naturel (FUN). Au cours de cette thèse, l’étude du frittage par micro-ondes de composites céramiques Al2O3-(Y)ZrO2 (3 à 40%vol.) a été menée parallèlement à celle du frittage par induction d’une poudre métallique micronique de nickel. La démarche expérimentale adoptée a consisté à réaliser des expériences de frittage à vitesses de chauffage imposées (de 25 à 1000°C/min) sur ces matériaux modèles et des pièces de petites dimensions, en se référant aux comportements en frittage conventionnel tant au niveau macroscopique qu’au niveau microscopique. / The techniques of ultrafast pressureless sintering as microwave or induction sintering offer manyadvantages. However, the development of these techniques requires an understanding and a control ofthe mechanisms involved. Both similar and complementary, these processes of heating-sintering havebeen studied by an experimental approach to increase knowledge in the field of Ultrafast PressurelessSintering.In this thesis, the study of microwave sintering of Al2O3-(Y)ZrO2 composites has been conductedin parallel with induction sintering of a submicronic nickel powder. The experimental approach usedconsisted in carrying out sintering experiments at imposed heating rates (from 25 to 1000°C/min) onchosen materials and small parts, referring to conventional sintering behavior at the macroscopic andmicroscopic scale.