Les matériaux à structures complexes (anisotropes, multicouches et hétérogènes comme poreux) sont de plus en plus utilisés dans de nombreuses applications (ex. automobile,aéronautique, industrie chimique, génie civil et biomédical), notamment en raison de leur amélioration des propriétés mécaniques et physiques. L’identification des propriétés thermophysiques de ces matériaux devient un enjeu incontournable dans plusieurs applications afin de prédire correctement l’évolution de la température au sein de ces structures et d’assurer le contrôle et la modélisation des transferts de chaleur au cours des processus. Dans ce contexte,l’identification des propriétés thermophysiques de tels matériaux, suscitent depuis de nombreuses années une préoccupation importante et croissante. La principale caractéristique de cette thèse concerne la mise en œuvre d’une méthode d’identification directe et simultanée des diffusivités thermiques de matériaux monocouches ou multicouches à l’aide d’un modèle3D transitoire analytique et d’une expérience unique et non intrusive. La méthode proposée est d’abord validée sur un matériau monocouche opaque et isotrope, puis appliquée et vérifiée sur un matériau orthotrope. La méthode d’identification est basée sur l’expérience bien connue de la méthode flash, qui utilise l’évolution de la température sur la face avant ou arrière de l’échantillon, enregistrée via une caméra infrarouge, pour identifier les paramètres inconnus. Compte tenu de la complexité et de la non-linéarité du problème inverse, un algorithme d’optimisation hybride couplant un algorithme stochastique (Optimisation par essaims particulaires) et un déterministe (de type gradient), a été choisi. L’estimation repose sur la minimisation de l’écart entre les mesures et la réponse d’un modèle semi-analytique inspiré de l’approche des quadripôles thermiques qui prédit l’évolution de la température sur la face avant ou la face arrière. L’excitation thermique, générée par un laser CO2, est représentée par un flux de chaleur localisé imposé qui peut être de type Dirac ou créneau. Les estimations sont comparées aux valeurs trouvées dans la littérature et aux résultats obtenus en utilisant d’autres méthodes bien établies. Enfin, quelques améliorations de la méthode sont étudiées, en termes de temps de calcul et de précision, avec une optimisation des conditions expérimentales241RÉSUMÉ(durée et intensité des créneaux, face de mesure. . . ). La méthode est ensuite généralisée aux matériaux multicouches, puis appliquée expérimentalement à un matériau bicouche. Cette stratégie, qui peut être considérée comme une tâche difficile, est motivée par l’impossibilité,dans certains cas, de séparer les 2 couches, en particulier pour les revêtements déposés sur des substrats, qui sera la dernière application investiguée dans ce travail. Une analyse de sensibilité est souvent effectuée afin de tester la faisabilité de l’estimation et de la comparaison,pour les matériaux à deux couches et multicouches, de plusieurs configurations possibles en termes de faces d’excitation/de mesures. La pré-évaluation des méthodes d’identification et les études paramétriques sont effectuées à l’aide de données synthétiques bruitées et obtenues à l’aide du modèle ou d’un code numérique d’éléments finis (pseudo-expérience) afin de vérifier la faisabilité et la robustesse des approches. L’une des caractéristiques les plus distinctes de cette approche est que l’estimation peut être réalisée, et avec succès, sans aucune connaissance préalable de la forme ou de l’intensité de l’excitation. En effet, outre l’estimation simultanée des diffusivités thermiques, la méthode peut prédire la quantité de chaleur absorbée parle matériau ainsi que la distribution spatiale de l’excitation thermique. / Advanced materials with complex structures (anisotropic, multilayers and heterogeneous like porous) are increasingly used in many applications, (e.g. automotive, aeronautics, chemical industry, civil and biomedical engineering) due to their advantages, in terms of mechanical and physical properties enhancements. Estimating thermophysical properties of such materials becomes a crucial issue in several applications in order to correctly predict temperature evolution inside these structures and to ensure the control and the modelling of heat transfers through the processes. In this context, the identification of such materials thermophysical properties, has taken from many years, a significant and increasing concern. The main feature of this thesis relies on the devolvement of a direct and simultaneous identification method of the thermal diffusivities of monolayer or multilayer materials using an analytical 3D transient model and a unique and non-intrusive experiment. The proposed method is firstly validated on an isotropic opaque monolayermaterial, then applied and verified on an orthotropic one. The identificationmethod is based on the well-known flash-method experiment whose temperature evolution on the front or rear face on the sample, recorded via an IR camera, is used to identify the unknown parameters. Considering the complexity, and the non-linearity of the inverse problem, a hybrid optimization algorithm combining a stochastic algorithm (Particles Swarm Optimization) and a deterministic one (gradient based), has been chosen. This minimization procedure is applied to fit the observation to the output of a pseudo- analytical model inspired from the thermal quadrupoles approach that predicts the temperature evolution on the front or rear face. The thermal excitation, generated by a CO2 laser, is mimicked by an imposed localized heat flux that may be of Dirac or pulse type. The estimations are compared with values from literature and results obtain from well-established methods. Finally, some improvement of the method are investigated, in terms of time consumption and accuracy, with an optimization of the experiment design (pulse time and intensity, measurement face). The method is then generalised to multi-layer materials, then applied experimentally to a two-layer material. This strategy, which can be considered as a challenging task, is motivated by the impossibility, in some cases, to separate the 2 layers, especially for coatings deposited on substrates which is the last application investigated in this work. A sensitivity analysis is often conducted in order to test the feasibility of the estimation and compare, for two-layer and multilayers materials, several possible configurations in terms of excitation/measurements faces. Pre-evaluation of the overall identification methods and parametric studies are performed using synthetic noisy data generated using the model or a numerical finite element code(pseudo-experiment) to verify the approaches feasibility and robustness. One of the most distinctive features of our approach is that the estimation may be successfully achieved without any a priori knowledge about the shape or the intensity of the excitation. Indeed, besides the simultaneous estimation of the thermal diffusivities, the method predicts the total amount of heat absorbed by the material as well as the space shape of the thermal excitation.

Le secteur du bâtiment représente 35% des la consommations énergétiques dans les pays membres de l’agence international de l’énergie en 2010 et 39,8% aux Etats-Unis en 2015. Plus de 50% de cette consommation a été utilisée pour la production de chaleur et de froid. Néanmoins cette consommation peut être réduite par l'amélioration la performance énergétique du bâtiment. La performance thermique de l'enveloppe du bâtiment joue un rôle primordial. Par conséquent, le diagnostic thermique de l'enveloppe du bâtiment est nécessaire pour, par exemple, la réception de nouvelles constructions, l'amélioration de la performance énergétique des anciens bâtiments, ainsi que la vente et la location des logements. Pourtant, il existe très peu de méthodes quantitatives pour la caractérisation des parois épaisses. L'objectif de cette étude est d'explorer des méthodes quantitatives innovantes de diagnostic thermique de l'enveloppe du bâtiment. Des mesures expérimentales ont été réalisées en laboratoire (à l’IFSTTAR à Nantes) et in situ (à l’IUT de Bordeaux). Différents capteurs et méthodes d'instrumentation ont été étudiés pour mesurer la densité de flux et la température de surfaces des parois, afin de procurer des recommandations pour le choix des capteurs ainsi que des protocoles de traitement de données. A partir des données mesurées (température et densité de flux des surfaces de l'enveloppe), trois approches numériques ont été proposées pour estimer des paramètres thermiques des parois multicouches épaisses : par méthode inverse, par réponse à un échelon et par réponse impulsionnelle. En outre, une méthode innovante non-destructive utilisant la rayonnement térahertz a été étudiée. Les mesures ont été effectuées au sein du laboratoire I2M. Cette méthode permet de caractériser le coefficient d'absorption des matériaux constructifs ordinaires comme isolation, plâtre, béton, bois… Elle pourrait postérieurement être combinée avec une méthode thermique pour apporter des informations complémentaires. / Buildings represent a large share in terms of energy consumption, such as 35% in the member countries of IEA (2010) and 39.8% in U.S. (2015). Climate controlling (space heating and space cooling) occupies more than half of the consumption. While this consumption can be reduced by improving the building energy efficiency, in which the thermal performance of building envelope plays a critical role. Therefore, the thermal diagnosis of building envelope is of great important, for example, in the case of new building accreditation, retrofitting energy efficiency of old building and the building resale and renting. However, very few diagnostic methods exist for the characterization of thick walls. The present measurement standards that based on steady state heat transfer regime need a long time (several days). The classical transient technologies, such as flash method, are difficult to implement on the walls because of the large thickness of walls and the complex conditions in situ. This thesis aims to explore innovative methodologies for thermal quantitative diagnosis of building envelope. Two experimental cases were carried out: one is in laboratory (IFSTTAR, Nantes) and the other is in situ (IUT, Bordeaux). Different sensors and instruments were studied to measure the wall heat flux and surface temperature, and provided some guidelines for the choice of sensors and data processing protocols as well. Using these measured data, three estimation approaches were proposed to estimate the thermal parameters of the multilayer thick wall: pulse response curve method, step response curve method and inverse method, which can be applied for different diagnostic situations. In addition, an innovative NDE (non-destructive evaluation) method using terahertz (THz) radiation was also investigated. Measurements were carried out in I2M laboratory to characterize the absorption coefficient of standard building materials (insulation, plaster, concrete, wood ...). This THz method can be combined with a previous thermal method to provide some complementary information.