L’objet de cette thèse, effectuée en collaboration avec Saint-Gobain dans le cadre d’un financement CIFRE, est l’étude du transfert thermique à l’interface entre les objets microscopiques constituant les matériaux isolants à base de verre. Nous avons développé deux instruments nouveaux, permettant d’investiguer le transfert thermique entre deux objets microscopiques en verre. Le premier instrument est une sonde locale à balayage utilisant une sonde thermosensible (sonde SThM) permettant d’effectuer une mesure très locale de la température d’un échantillon ou éventuellement de le chauffer lorsqu’elle est en contact avec celui-ci. Nous avons utilisé cette sonde de manière détournée, en collant une bille de verre de 20µm de diamètre à son extrémité, en la plaçant au-dessus d’une surface plane de verre, dont la température est différente de celle de la bille, et en étudiant la température au sommet de cette bille à mesure que la distance bille-plan varie. Les « courbes d’approche » ainsi obtenues et un modèle en résistances équivalentes que nous proposons permettent de donner une première estimation de la résistance thermique de contact dans une géométrie bille-plan. Le deuxième instrument est un dispositif nouveau de thermographie infrarouge. Il s’agit d’une méthode sans contact qui permet à la fois de produire des images dans le moyen infrarouge avec une résolution spatiale meilleure que ce que la limite de diffraction ne permet, mais aussi d’effectuer une mesure dynamique du refroidissement d’un système constitué d’une ou de plusieurs fibres de verre micrométriques(s) suite à un échauffement bref et local par absorption d’un laser ultraviolet impulsionnel. La comparaison de ces courbes de refroidissement enregistrées sur une fibre seule ou sur un croisement de fibres permet d’obtenir une information sur la résistance thermique de contact au croisement des deux fibres. Un modèle semi-analytique que nous avons développé permet de reproduire ces tendances sur une fibre seule. Nous avons également développé un modèle perturbatif exploitant le modèle à une fibre qui permet de reproduire l’évolution spatio-temporelle de la chaleur au sein d’un système de deux fibres en contact. / The aim of this thesis, in collaboration with Saint-Gobain within the framework of a CIFRE funding, is the study of heat transfer at the interface between microscopic objects from which isolation materials are made. During this thesis we developed two new instruments, allowing to investigate the heat transfer between two microscopic glass objects. The first instrument is a scanning probe microscope using a thermosensitive probe (SThM probe) allowing to make a very local temperature measurement or to produce a local heating of a sample in contact with the probe. We used this probe in an unusual way, by gluing a 20µm diameter glass bead on its thermosensitive end, by placing it above a flat glass surface whose temperature is different from that of the bead, and by studying the temperature at the top of this bead as the distance bead-to-plan varies. The "approach curves" obtained in this way and a model using a thermoelectric analogy that we propose allow to give a first estimation of the thermal resistance of contact in a sphere-plane geometry. The second instrument is a new infrared thermography device. It is a contactless method which allows to produce images in the mid-infrared with a spatial resolution better than the diffraction limit, but also to carry out a dynamic measurement of the cooling of a system made of one or more micrometric glass fibers, after a short and local heating by absorption of a pulsed ultraviolet laser. Comparison of these curves recorded on a single fiber or on two crossing fibers makes it possible to obtain an information on the thermal resistance of contact at the crossing of the two fibers. A semi-analytical model that we developed allows us to reproduce these trends on a single fiber, while a perturbative approach exploiting the one-fiber model allows us to reproduce the spatiotemporal evolution of heat within a system of two fibers in contact.

Dans le domaine de la microélectronique de puissance, les progrès de miniaturisation ne cessent de s’accroître. En effet, le nombre de composants par unité de surface a suivie durant de nombreuses années la loi de Moore. Cette évolution implique une augmentation de la densité d’énergie à évacuer sous forme de chaleur, ce qui rend le contrôle de la température de fonctionnement difficile et a pour effet de diminuer la fiabilité des systèmes électroniques.C’est pourquoi, le management thermique des matériaux d’interface thermique est indispensable pour pérenniser le bon fonctionnement des dispositifs de puissance dans leur environnement. L’utilité de ces matériaux est d’améliorer l’évacuation de la chaleur des composants électroniques vers le milieu environnant via un dissipateur thermique (radiateur, fluide caloporteur). Pour tenter de répondre à ces besoins, ce sujet de thèse est basé sur l’utilisation de nanotubes de carbone verticalement alignés, associée à des polymères fonctionnels. Les études se sont portées sur l’ensembledes résistances de contact existantes au sein d’un matériau d’interface thermique, depuis les nanotubes decarbone / Polymère / jusqu’au substrat de cuivre.L’optimisation des interactions est portée sur l’étude de différents polymères ayant la capacité d’engendrer des liaisons covalentes avec les nanotubes de carbone et avec le substrat de cuivre. L’intérêt de ces liaisons covalentes est d’améliorer le transfert de la chaleur via les phonons. Enfin, l’augmentation de la conductivité thermique intrinsèque des polymères est envisagée.Concernant les résultats obtenus, il apparait une nette diminution de chacune des résistances de contact étudiées. Afin de mieux comprendre ces résultats, des études de ces interfaces in-situ ont été réalisées. / With progress in microelectronics, the miniaturization of devices is a current issue and the component density on a device follows Moore’s law. As a consequence the power density reaches levels that challenge device reliability. New heat dissipation strategies are needed to efficiently drain heat.Thermal interface materials (TIMs) are used to transfer heat across interfaces, for example between the device and its packaging. However, to meet microelectronics requirement, commercials TIMs still need to be highly thermally conductive.In order to achieve these requirements, this work is focused on the use of vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) and functional polymers. All thermal contact resistances existing in TIMs, from VACNTs / Polymer / to substrate are studied.Interaction optimizations are based on the study of different polymers which are specially designed to develop covalent bonding with the CNTs sidewalls and/or metallic surface. The interest of these covalent bondings is to improve the thermal transfer by phonons. Finally, the increase of the intrinsic thermal conductivity of the polymer is considered.Regarding the results, a decrease of all thermal contact resistances is shown. In order to have a better understanding of these results, the thermal interfaces obtained are analyzed in situ.

Les réfractaires au contact de laitiers sidérurgiques sont soumis à des sollicitations complexes. Pour identifier les causes de leur dégradation, l'examen de cas industriels permet d'établir un schéma de couplages à trois pôles : imprégnation par les laitiers (IL), thermomécanique (TM) et changements de phases (CP). Les gradients de microstructure et de composition résultant du couplage IL-CP sont caractérisés par des observations au MEB et des analyses chimiques avec une sonde EDS ; un traceur naturel de l'imprégnation est identifié. Le couplage IL-TM est étudié en modélisant le comportement du revêtement soumis à un chargement thermique cyclique dans le cadre de la mécanique des milieux poreux saturés. Les paramètres régissant la localisation et l'amplitude de la pression interstitielle maximale sont exhibés et leurs influences étudiées. L'étude du pôle TM conduit à l'identification d'un modèle de comportement << monophasique >> de type thermoélastoviscoplastique de la bauxite à différents états d'imprégnation. Les simulations numériques indiquent que les contraintes développées lors de la montée en température favorisent l'écaillage, probablement amorcé par une surpression localisée.

Cette habilitation traite des transferts de chaleur et de quantité de mouvement aux courtes échelles d'espace et de temps. Une première partie du travail s'interesse au propriétés du rayonnement thermique en champ proche. Il est montré qu'en présence de matériaux supportant des ondes de surface, le champ électromagnétique d'origine thermique peut voir ses propriétés de cohérence changées entre le champ proche et le champ lointain, en particulier lorsque les matériaux mis en jeu supportent des ondes de surface. Nous montrans que le transfert radiatif en champ proche peut être augmenté de plusieurs ordreds de grandeur en champ proche en présence d'ondes de surface. Les propriétés de cohérence du champ thermique en champ proche peuvent être exploitées pour fabriquer des sources thermiques cohérentes en champ lointain. Ce type de source s'obtient en gravant un réseau à la surface de matériaux.<br />Dans une seconde partie nous avons montré que la force de Casimir qui est un transfert de moment pouvait s'interpéter comme un transfert s'effectuant à certaines longueurs d'ondes correspondant aux modes propres du systèmes. Dans ces deux parties, les calculs ont été effectuées en utilisant une méthode basé sur le théorème de fluctuation dissipation.<br />Dans une troisième partie, nous traitons le problème de la conduction thermique aux courtes échelles de temps et d'espace. Nous montrons que la loi de Fourier cesse d'être valable et nous résolvons pour traiter ces problèmes l'équation de Boltzmann pour les phonons.

Les caractéristiques physiques des environnements circumstellaires des étoiles évoluées sont telles que l'infrarouge thermique est le plus adapté à leur étude. La résolution angulaire minimale nécessite des diamètres de télescope de l'ordre de quelques dizaines de mètres à ces longueurs d'onde ; l'utilisation d'interféromètres est donc obligatoire. Le fond thermique est un problème spécifique de ces bandes, et les estimateurs de visibilité classiques de l'interférométrie optique doivent être adaptés. Ce travail dresse le bilan des contraintes qui s'imposent sur l'estimation du fond en interférométrie optique, puis propose de nouvelles méthodes de soustraction ou de correction partielle adaptées aux estimateurs prévus pour l'instrument 10 µm MIDI sur le VLTI. Un exemple pratique d'application de ces techniques est donné, avec les résultats d'observations réalisées en bande L avec l'instrument TISIS sur l'interféromètre IOTA, concernant plusieurs étoiles de type Mira et semi-régulières.

Ce travail met la lumière sur les performances d'une technique d'isolation de l'enveloppe du bâtiment par produits minces réfléchissants (PMR). Cette technique regroupe la performance isolante d'un matériau ainsi que celle d'une lame d'air fermée à la réduction des transferts radiatifs en utilisant une barrière à faible émissivité thermique. Le marché de ces produits s'est développé rapidement alors qu'ils ne sont pas certifiés et qu'il existe une controverse sur les performances effectives qu'ils peuvent atteindre une fois intégrés dans le bâtiment. L'objectif principal a donc été de réaliser une caractérisation complète de ces produits intégrés dans les parois verticales du bâtiment et les combles, par modélisation et par étude expérimentale, pour obtenir une meilleure connaissance des phénomènes physiques induits par ce type de produits d'isolation. Un modèle thermique de paroi complexe intégrant un PMR a été réalisé. Une étude numérique préliminaire a permis de caractériser l'échange convectif à l'intérieur des lames d'air non ventilées. Les résultats de performances thermiques ont été validés par une étude expérimentale basée sur le principe de la boîte chaude. Un modèle de rampant de toiture intégrant un PMR a été également réalisé. Pour la période estivale, la lame d'air ventilée conçue entre les tuiles et le produit réfléchissant a été étudiée par une modélisation numérique et des mesures par PIV. Le facteur de transmission solaire du complexe de rampant a été déterminé en variant plusieurs paramètres. Pour la période hivernale, les performances thermiques ont été calculées en prenant en compte l'effet du vent et la perméabilité des tuiles sur la lame d'air ventilée. Les résultats ont montré que ces produits, utilisés comme isolation unique, ne répondent pas aux exigences règlementaires. Installés en complément, ils ont l'avantage d'augmenter le confort d'été au niveau des combles aménagés en période ensoleillée.

Au cours des dernières années, l'essor spectaculaire des microsystèmes (ou MEMS), qui touche tous les domaines industriels, est à l'origine de nombreux et nouveaux progrès technologiques. Néanmoins, dans ce contexte prometteur de large envergure, la fiabilité des MEMS s'avère être la problématique à améliorer pour franchir la phase d'industrialisation à grande échelle. C'est dans le cadre de cette thématique de fiabilité des microsystèmes, que s'inscrit ce travail.La température étant un paramètre majeur entrant dans de nombreux mécanismes d'endommagement des MEMS, notre étude présente la conception et la réalisation d'un banc de thermographie infrarouge de haute résolution (2 µm), associé à la mise en œuvre d'une méthodologie d'analyse et de traitement des mesures infrarouges.Ce dispositif innovant permet un diagnostic in-situ, sans contact et rapide des défaillances des MEMS par mesures locales et quantitatives des pertes thermiques associées. Cet outil constitue une avancée importante pour détecter, mesurer et comprendre les mécanismes d'endommagement des MEMS. Il nous permet de reconstituer des images thermiques de tout type de microsystème en cours de fonctionnement ou soumis à des tests de vieillissement accéléré, et ceci afin de réaliser une analyse fine et rapide de leur fiabilité.Ce travail apporte de nouveaux résultats en ce qui concerne la détection des mécanismes de défaillance de différents types de MEMS-RF et tout particulièrement des MEMS-RF avec contact électrique.

Ce mémoire fait la synthèse de travaux que j'ai menés depuis près de 30 ans dans les domaines de la thermique des enceintes habitables et des applications de l'énergie solaire.<br /> La thermique des enceintes habitables (habitacles automobiles, bâtiments ...) a pour principales caractéristiques des grands volumes aux formes parfois complexes, un couplage fort des trois modes de transfert de chaleur et des conditions aux limites en constante évolution. Nous présentons ici une méthode numérique originale pour construire des simulateurs performants du comportement thermique des telles enceintes soumises à un environnement météorologique réel. Les équations sont écrites sous une forme algébro différentielle, en se basant sur une méthode nodale de découpage des volumes et des surfaces. La résolution est effectuée par un solveur commercial. Quelques exemples d'application, avec des validations expérimentales, illustrent les bons résultats obtenus par cette méthodologie. Cette méthodologie a été aussi appliquée au domaine des piles à combustible, et à d'autres applications industrielles où la thermique tient un rôle important. Les actions menées dans le cadre des recherches sur les applications solaires thermiques couvrent tous les niveaux de température. À basse température, nous présentons les travaux concernant la prise en compte des apports solaires dans les bâtiments, ainsi que la problématique du chauffage des locaux et de l'eau sanitaire. À haute température, obtenue par concentration du rayonnement solaire, nous faisons un résumé des résultats obtenus au cours de l'évaluation scientifique de la Centrale THEMIS, et décrivons les travaux de recherche en cours menés pour l'amélioration des performances des procédés solaires à concentration.

Th. 3e cycle--Phys. nucl.--Grenoble 1, 1978. N°: 18.

L'utilisation de la réfrigération secondaire permet de réduire l'impact environnemental des systèmes frigorifiques grâce à une réduction de l'utilisation de gaz à effet de serre, néanmoins un tel procédé abaisse l'efficacité des systèmes. Afin de rendre ce procédé plus efficace et viable, l'utilisation de fluide à forte densité énergétique ainsi qu'un couplage avec un dispositif de stockage thermique a été envisagé comme réponse à une problématique industrielle de distribution de froid (climatisation, procédés de refroidissement). Un montage expérimental constitué d'une boucle de circulation et d'un réacteur de formation a été utilisé afin d'évaluer les caractéristiques de charge et décharge d'un réseau utilisant des fluides diphasiques. Cette étude a également permis l'élaboration et la validation de modèles prédictifs (réservoir de stockage, échangeur de chaleur, écoulement) de dynamique de stockage et déstockage pour différents matériaux. Ces modèles ont ensuite été appliqués au cas d'un réseau industriel afin d'étudier l'impact du matériau de stockage choisi sur le dimensionnement du système, sur la consommation énergétique mais aussi sur sa viabilité économique. Ainsi, les résultats ont d'abord montré que l'utilisation d'un dispositif améliorait l'efficacité d'un système et que le retour sur investissement dépendait des scénarios de stockage envisagés. Enfin, une forte dépendance sur le choix du matériau a également été soulevée. / The use of secondary refrigeration can reduce cooling system impact on environment by greenhouse gas reduction, nevertheless this kind of technology reduce the system efficiency. The use of high energetic density and thermal energy storage was considered to improve system efficiency and to answer to industrial cooling process issue (air-conditioning, cooling process or temperature preservation). An experimental set-up composed by a stired tank reactor and circulation loop was used in order to evaluate the charging and discharging dynamic of a cooling district using phase change slurry. This experimental study offers the opportunity to elaborate and validate further models (stirred tank reactor, heat exchanger, flow behavior) to predict the charging and discharging behaviors for various storage materials. Then, these models were used in the case of an industrial system to observe the impact of the storage material or system sizing, energy consumption and economic sustainability. Thus, results show that the impact of the storage device on system energy efficiency and the return on investment depends on storage scenarios. Finally the impact of the chosen material on system efficiency was pointed out.