Les matériaux composites – de par leurs propriétés spécifiques élevées – sont l’une des classes de matériauxpermettant de fabriquer des structures aéronautiques plus légères pour une meilleure performance énergétique des aéronefs etune réduction conséquente des émissions de CO2. Les composites à matrice polymère renforcée par des fibres de carbone(CFRP) sont de plus en plus utilisés dans l’industrie aéronautique civile pour la réalisation de parties structurales, dontrécemment les panneaux de fuselage.L’intégration des CFRPs dans ces structures ne se fait pas sans difficultés : le fuselage – normalement soumis aux charges de lapressurisation – peut être soumis à des chocs/impacts, particulièrement dommageables pour les composites, et exposé àl’agression de l’environnement (température, humidité, liquides de refroidissement, …).Le fuselage est aussi le siège de sollicitations de nature électrique, telles que celles liées au retour de courant à la masse ou aufoudroiement : bien que des réseaux secondaires de câbles électriques et de grillages métalliques soient prévus afin de supporterces charges, l’action de courants de fuite, transitant à travers les jonctions boulonnées et rivetées, et les fortes différences depotentiel électrique dans l’épaisseur du fuselage, conséquences du foudroiement, peuvent activer le couplage thermoélectriqueet conduire à des échauffements localisés de ces structures. Les phénomènes liés à ce type de couplage peuvent êtreparticulièrement marqués dans les CFRPs – les matrices polymères étant électriquement et thermiquement quasi-isolantes, lecomportement thermoélectrique global du composite étant fortement anisotrope – et méritent d’être approfondis. L’intégrationde micro et nano charges – en particulier les nanotubes de carbone (NTCs) – dans les résines polymères ou à l’interfacefibre/matrice peut globalement améliorer ce comportement mais il s’agit d’une solution technologique qui nécessite encored’être explorée en détail.Ce travail est consacré à la caractérisation du comportement thermoélectrique anisotrope de matériaux CFRPs - chargés ou nonchargés en NTCs. Cette caractérisation comprend :· la mesure des valeurs de résistivité/conductivité électrique et de leur évolution avec la température,· la caractérisation des champs de température induits par le passage de courants électriques,· l’identification des paramètres pour la modélisation du comportement thermoélectrique de ces matériaux etpour l’interprétation des essais,· la caractérisation de l’effet d’un vieillissement humide sur les valeurs de résistivité/conductivité électrique ducomposite. / Composite materials – since their high specific properties – are used recently to reduce the weight of aircraftstructures and to improve the performance engine in order to reducing the emissions of CO2. Composites of Carbon FibberReinforced Polymer matrix (CFRPs) are increasingly used in civil aviation industry for the production of structural parts:fuselage panels.Integrating CFRPs in the aeronautical structures has also some difficulties: the fuselage – generally subject to pressure of airflux – would be subjected also to shocks/impacts, particularly will be damaging for exposed to the aggressive environment(temperature, humidity, liquid cooling, ...).The fuselage is the principal structure to support the charge of electric current, such as those related to the electric current returnto ground or lightning : although the secondary networks of electrical cables and wires fences are provided to support thesecharges, the action of leakage currents, probably passer through bolted and riveted joints and because of the high differences ofelectrical potential between the surface of panels thickness, can activate the thermoelectric coupling and lead to localizedheating of these structures. Phenomena related to this type of coupling may be particularly remarkable in CFRPs – since thepolymer matrices is electrically and thermally quasi-insulates, for composite the thermoelectric behaviour is highly anisotropic– and need further research and investigation. The integration of micro and nano fillers – especially carbon nanotubes (CNTs) –in the polymer resin or in interface of fibber/matrix can improve the overall behaviour, but it is a technological solution that stillrequires be explored in detail.The aim of this work is to characterize the anisotropic properties of thermoelectric behaviour of materials CFRPs – charged oruncharged in CNTs. This characterization includes:· measurement of electrical resistivity/conductivity and their evolution with temperature,· characterization of the temperature fields induced by the passage of electric current,· identification of parameters for modeling the behavior of these thermoelectric materials and interpretation oftests,· characterization of the effect of moisture aging on the values of resistivity/conductivity of the composite.

Les matériaux tétraédrites de formule chimique [(Cu,Ag)10(Zn,Fe)2(Sb,As)4S13] sont des roches naturelles particulièrement abondantes sur Terre appartenant à la famille des sels sulfurés. Longtemps étudiées du point de vue structural et pour leur composition, ce n’est que récemment qu’ils ont suscité un intérêt pour la thermoélectricité en raison de leur très faible conductivité thermique. Afin d’étudier les performances de ces matériaux en terme de conversion d’énergie, les travaux de cette thèse ont consisté à les synthétiser par métallurgie des poudres puis à mesurer leurs propriétés thermoélectriques aussi bien à basse température (2 – 300 K) pour identifier les mécanismes microscopiques qui gouvernent les propriétés de transport qu’à haute température (300 – 700 K) pour déterminer leur domaine d’application optimal. L’étude de leur homogénéité chimique et de leur stabilité thermique a permis de confirmer l’existence d’une transition structurale pour certaines compositions menant à la séparation de phases lors du refroidissement, mécanisme connu en minéralogie et en géologie sous le terme d’exsolution. Celui-ci peut être responsable d’une modification des propriétés de transport et notamment d’une diminution de la conductivité thermique de l’ordre de 50%. De nombreuses substitutions ont été entreprises afin de tenter d’optimiser les performances de ces composés. Les matériaux tétraédrites présentent un caractère métallique qui évolue vers un état semi-conducteur selon la nature de l’élément en substitution et de sa concentration. D’autre part, une étude détaillée des propriétés thermiques de ces matériaux par diffusion inélastique des neutrons a permis de déterminer l’origine microscopique des très faibles valeurs de conductivité thermique observées dans ces matériaux / Tetrahedrite with general chemical formula [(Cu,Ag)10(Zn,Fe)2(Sb,As)4S13] are a family of natural minerals, widely spread on Earth, which belongs to the sulfosalt class of compounds. Discovered in the 19th century and extensively studied by mineralogists over the last 60 years from both structural and chemical points of view, it is not until recently however that they have focused attention in thermoelectricity due to their very low thermal conductivity. In order to study the performance of these materials in terms of energy conversion by thermoelectric effect, this thesis consisted in synthesizing tetrahedrite materials by powder metallurgy method and in determining their transport properties both at low (2-300 K) and high temperatures (300-700 K). This wide temperature range enabled us to identify the microscopic mechanisms that govern the transport properties and to assess their thermoelectric performances. The study of their chemical homogeneity and thermal stability has confirmed the existence of a structural transition for certain compositions leading to phase separation upon cooling, a mechanism known in mineralogy and geology as an exsolution process. This mechanism is responsible for a modification of the transport properties and especially an impressive decrease in the thermal conductivity of the order of 50%. Numerous substitutions have been undertaken in an attempt to optimize the thermoelectric performances of these compounds. Tetrahedrite materials exhibit a metallic character that evolves into a semiconductor state depending on the chemical nature of the substituting element and on its concentration. Moreover, a detailed study of the thermal properties of these materials by inelastic neutron scattering has unveiled the microscopic origin of the very low thermal conductivity values observed in these materials

Des mesures de l'effet Nernst dans la phase pseudogap des cuprates YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indice inférieur y] (YBCO) et ceux de la famille de La[indice inférieur 2]-[indice inférieur x]Sr[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] (LSCO) révèlent la sensibilité de cette sonde à l'apparition du pseudogap à la température T*. Ces mesures d'effet Nernst montrent aussi l'étendue restreinte en température des fluctuations supraconductrices par rapport à la contribution des quasiparticules normales. Ces deux observations permettent l'établissement d'un diagramme de phase dopage-température pour ces matériaux indiquant clairement les limites du pseudogap et des fluctuations supraconductrices. Ces mêmes mesures sur des cristaux d'YBCO et de Nd-LSCO démaclés et orientés dans les deux directions de la structure cristalline orthorhombique, a et b, montrent une importante anisotropie de l'effet Nernst indiquant une brisure de symétrie de rotation apparaissant justement à T*. Une compréhension plus approfondie de cette brisure de symétrie pointe vers une étude complète de l'anisotropie des coefficients de transport électrique et thermoélectrique d'YBCO et du test des relations de réciprocité d'Onsager. L'étude montre que la conductivité de Hall est isotrope et ne viole donc pas la relation d'Onsager en champ magnétique. L'observation d'une anisotropie des coefficients thermoélectriques longitudinaux et transverses indique tout d'abord la présence d'une forte nématicité, ensuite une violation de la relation de Mott. Il est suggéré que le pseudogap des cuprates consiste en une phase nématique de fluctuations d'ordre de charge se stabilisant à basse température et reconstruisant la grande surface de Fermi de trous en une surface anisotrope comportant des poches d'électrons et de trous.

Les pompes à chaleur thermoélectriques (PACTE) présentent différents avantages par rapport aux pompes à chaleur thermodynamiques classiques. Plus particulièrement, les performances des PACTE sont intéressantes lorsque les écarts de température entre sources sont modestes, ce qui est par exemple le cas du chauffage aéraulique des bâtiments basse consommation (BBC) à partir d'une Ventilation Mécanique Double Flux (VMC DF). L'objectif de l'étude est donc de développer un démonstrateur de pompe à chaleur thermoélectrique réversible capable d'assurer la puissance de chauffage/refroidissement nécessaire à un logement de type BBC. Ce travail repose sur différents modèles analytiques et numériques validés expérimentalement. Cette étude vise à concevoir un système de pompe à chaleur thermoélectrique performant, l'objectif étant l'amélioration du coefficient de performance (COP) de la PACTE. Les transferts de chaleur à la surface des éléments thermoélectriques sont intensifiés par la technique du jet impactant, et le dimensionnement du système est optimisé en fonction des conditions d'utilisation. Avec le démonstrateur de résultats précédents de la PACTE, le COP saisonnier a été déterminé. Après couplage au bâtiment, cela a permis de montrer une nette amélioration des performances du système. / As house heating tends to be more efficient, Thermoelectric Heat Pump (THP) is an interesting alternative to classic thermodynamic system (with mechanical vapor compression system). In particular, THP becomes favorable as soon as the sources temperature difference is small, which is the case in energy efficient buildings with an exhaust/supply mechanical ventilation system (ESMVS). The objective of the study is to develop a reversible THP prototype capable of supplying the heating / cooling power needed in an energy efficient building. This work is based on different analytical and numerical models validated experimentally. This study aims to develop an efficient thermoelectric heat pump system and to improve its coefficient of performance (COP) by increasing heat transfer on the surface of the thermoelectric elements with impinging jet, and optimizing the THP by dimensioning the system based on operating conditions. With the results obtained with the THP prototype, the seasonal COP is determined. After coupling the THP system to the building, we show an improvement in system performance.

Dans ce mémoire sera présentée une nouvelle méthode numérique envisagée dans le but d’obtenir le pouvoir thermoélectrique à température finie. Une méthode d’entropie maximale est utilisée, ce qui était une caractéristique requise des équations dérivées. Toutes les équations nécessaires y sont présentées, ainsi que certaines astuces reliées au prolongement analytique de quantités bruitées ou de fonctions dont la convergence est lente etc. De plus, les trois fonctions de corrélation d’intérêt y sont calculées de trois façons différentes, avec les détails et les explications nécessaires. On y présente le cas de la conductivité électrique, du pouvoir thermoélectrique ainsi que la fonction de corrélation courant de chaleur-courant de chaleur. L’implémentation numérique finale s’est butée à des difficultés qui sont expliquées dans ce mémoire.

Les phénomènes thermoélectriques sont un moyen de convertir directement l’énergie thermique en énergie électrique ; ils sont à ce titre au cœur de nombreuses recherches dans le domaine de l’énergétique. Au-delà de l’optimisation des matériaux constituants les générateurs thermoélectriques, il est également nécessaire de mener une réflexion sur la manière dont ces générateurs sont utilisés. La contribution des contacts thermiques entre le générateur et les réservoirs thermiques est un facteur qui va modifier les conditions de fonctionnement optimales du générateur. En utilisant la notion de courant thermique convectif, développée par Thomson il y a plus de 150 ans, nous généralisons les expressions classiques du fonctionnement à puissance maximum pour le générateur pour ce cas de figure. Nous constatons toutefois que ces conditions se réduisent à une adaptation d’impédance, à la fois thermique et électrique Outre son intérêt pratique, le générateur thermoélectrique est également un système modèle de choix pour étudier la théorie du transport couplé et des phénomènes irréversibles. En utilisant la description donnée par Ioffe de ce système, nous montrons que l’efficacité à maximum de puissance, un coefficient de performance au cœur de la thermodynamique à temps fini, s’exprime comme une fonction relativement simple des paramètres du système. La nouveauté de ce travail repose sur une prise en compte appropriée des dissipations internes associées au processus de conversion d’énergie. Les résultats sont généralisés enfin aux cas d’autres machines thermiques telle que la roue à rochet de Feynman. / Thermoelectric phenomena are a way to directly convert thermal energy into electrical energy; they thus are at the heart of several researches in the field of energy conversion. The optimization of the thermoelectric generators includes materials improvement but a reflection on their working conditions is also mandatory. The contribution of the thermal contacts between the generator and the heat reservoirs is a factor that will change the optimum operating conditions of the generator. Using the concept of convective heat flow, developed by Thomson more than 150 years ago, we generalize the classical expression of maximum power conditions. Moreover, we note that these conditions may be reduced to impedance matching conditions, both thermal and electrical. In addition to its practical interest, the thermoelectric generator is also an ideal model system to study the theory of coupled transport and of irreversible phenomena. Using the description of this system given by Ioffe, we show that the maximum power efficiency, a coefficient of performance at the heart of finite time thermodynamics, expressed as a simple function of the system parameters. The novelty of this work is based on a proper consideration of internal dissipation associated with the energy conversion process. The results are then generalized to other thermal engines such as the Feynman ratchet.

L’amélioration de la figure de mérite ZT des matériaux thermoélectriques (TE) est actuellement entreprise via des procédés de métallurgie, tels que la nanostructuration et l’introduction contrôlée de dislocations. De tels niveaux de complexité de microstructure soulèvent la problématique du comportement mécanique associé. En effet, malgré les valeurs de dureté et module d’élasticité connues pour la plupart des matériaux TE, rares sont les données sur les mécanismes de déformation. Portant sur le Half-Heusler Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2 de type p, notre étude multi-échelle propose de caractériser les mécanismes de déformation de cet alliage. Les expérimentations menées aux échelles macroscopique, mésoscopique, et microscopique sont pensées pour déclencher puis examiner les mécanismes de plasticité. Les tests en compression sur échantillons massifs dans un environnement de pression de confinement et température ont aboutis à une rupture exclusivement fragile. Les mécanismes de rupture sont identifiés comme associés une propagation de fissure intra- et inter granulaire, dépendant de la taille de grain rencontrée par le front de fissure. La méthode « indentation toughness » à l’échelle mésoscopique permet l’insertion de fissures, où les analyses MET en front de fissure confirment une abscence d’activité de dislocations, également confirmé par 3D-EBSD. À l’échelle microscopique, les données de compression de micro-pilliers ainsi que les observations de faciès de fracture sont comparable avec les échantillons massifs. Ces résultats peuvent être utilisés comme guide pour produire des matériaux TE plus résistants à la fissuration. / Increasing the figure of merit ZT of thermoelectric (TE) alloys is a challenge that is currently attempted through various metallurgy methods, including nanostructuring and dislocation engineering. Microstructures with such level of complexity raises questions about the mechanical reliability of these new materials. Indeed, despite the values of hardness and elastic modulus known for the clear majority of TE materials, the data on deformation mechanisms are still rare. Focusing on the nanostructured p-type half-Heusler Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2, our multi-scale study aims to analyze the deformation mechanisms. Experiments conducted at macro-, meso- and micro-scale are designed to trigger and assess plasticity mechanisms. Compression testing on bulk samples subject to a confining pressure environment and temperature leads to an exclusive brittle failure. The mixed-mode failure mechanisms involve switching between intra- and inter-granular crack propagation, depending on the grain size met by the crack tip. Indentation toughness at meso-scale generates cracks, while TEM analysis of the crack tip area confirms no dislocation activity and 3D-EBSD technique confirms the mixed crack propagation behavior. At micro-scale, micro-pillar compression stress-strain curves and failure mechanisms are comparable with bulk samples testing analysis. These results can be used to provide design guidelines for more crack-resistant TE alloys.

Au Québec, les alumineries sont de grandes consommatrices d’énergie électrique, soit près de 14% de la puissance installée d’Hydro-Québec. Dans ce contexte, des petits gains en efficacité énergétique des cuves d’électrolyse pourraient avoir un impact important sur la réduction globale de la consommation d’électricité. Le projet de maîtrise décrit dans cette étude répond à la problématique suivante : comment l’optimisation de la géométrie d’un bloc cathodique en vue d’uniformiser la densité de courant peut augmenter l’efficacité énergétique et la durée de vie de la cuve d’aluminium? Le but premier du projet est de modifier la géométrie en vue d’améliorer le comportement thermoélectrique des blocs cathodiques et d’accroître par le fait même l’efficacité énergétique du procédé de production d’aluminium. La mauvaise distribution de la densité de courant dans la cuve est responsable de certains problèmes énergétiques ayant des impacts négatifs sur l’économie et l’environnement. Cette non-uniformité de la distribution du courant induit une usure prématurée de la surface de la cathode et contribue à réduire la stabilité magnétohydrodynamique de la nappe de métal liquide. Afin de quantifier les impacts que peut avoir l’uniformisation de la densité de courant à travers le bloc cathodique, un modèle d’un bloc cathodique d’une cuve de la technologie AP-30 a été conçu et analysé par éléments finis. À partir de son comportement thermoélectrique et de données expérimentales d’une cuve AP-30 tirées de la littérature, une corrélation entre le profil de densité de courant à la surface du bloc et le taux d’érosion local au même endroit a été créée. Cette relation correspond au modèle prédictif de la durée de vie de tout bloc du même matériau à partir de son profil de densité de courant. Ensuite, une programmation a été faite incorporant dans une même fonction coût les impacts économiques de la durée de vie, de la chute de voltage cathodique et de l’utilisation de nouveaux matériaux. Ceci a permis d’évaluer les bénéfices faits à partir d’un bloc modifié par rapport au bloc de référence. Plusieurs paramètres géométriques du bloc sont variables sur un domaine réaliste et l’intégration d’un composant en matériau plus conducteur y a également été étudiée. Utilisant des outils mathématiques d’optimisation, un design de bloc optimal a pu être trouvé. Les résultats démontrent qu’il est possible de générer des économies à partir de la modification du bloc. Il est également prouvé que l’uniformisation de la densité de courant à travers le bloc peut apporter de grands avantages économiques et environnementaux dans le procédé d’électrolyse de l’aluminium. Les résultats de cette étude serviront d’arguments pour les chercheurs dans l’industrie à savoir s’il vaut la peine d’investir ou non dans la fabrication d’un prototype expérimental souvent très coûteux.

Les pompes à chaleur thermoélectriques (PACTE) présentent différents avantages par rapport aux pompes à chaleur thermodynamiques classiques. Plus particulièrement, les performances des PACTE sont intéressantes lorsque les écarts de température entre sources sont modestes, ce qui est par exemple le cas du chauffage aéraulique des bâtiments basse consommation (BBC) à partir d'une Ventilation Mécanique Double Flux (VMC DF). L'objectif de l'étude est donc de développer un démonstrateur de pompe à chaleur thermoélectrique réversible capable d'assurer la puissance de chauffage/refroidissement nécessaire à un logement de type BBC. Ce travail repose sur différents modèles analytiques et numériques validés expérimentalement. Cette étude vise à concevoir un système de pompe à chaleur thermoélectrique performant, l'objectif étant l'amélioration du coefficient de performance (COP) de la PACTE. Les transferts de chaleur à la surface des éléments thermoélectriques sont intensifiés par la technique du jet impactant, et le dimensionnement du système est optimisé en fonction des conditions d'utilisation. Avec le démonstrateur de résultats précédents de la PACTE, le COP saisonnier a été déterminé. Après couplage au bâtiment, cela a permis de montrer une nette amélioration des performances du système.

L'objet de l'étude menée vise la récupération de micro-énergie renouvelable au moyen des matériaux piézoélectriques, pyroélectriques et thermoélectriques. Cette étude porte sur l'optimisation de trois aspects de la récupération de micro-énergie : (i) le couplage entre le générateur et l'environnement, (ii) l'efficacité de conversion d'énergie par le choix adéquat de matériaux et (iii) l'extraction de l'énergie électrique. Des études expérimentales et théoriques ont été menées en premier lieu dans des conditions de laboratoire pour une meilleure compréhension des phénomènes de récupération de micro-énergie, puis dans des conditions réelles pour vérifier les performances effectives des dispositifs réalisés. Concernant l'effet thermoélectrique, une nouvelle méthode de récupération de micro-énergie ambiante et solaire est présentée. Cette méthode utilise les générateurs thermoélectriques et les effets des chaleurs sensibles et latentes des matériaux à changement de phase pour produire des micro-énergies aussi bien de jour que de nuit. Une puissance maximale de 1Wm-2 avec un matériau thermoélectrique (Bi2Te3) a été obtenue. Concernant l'effet pyroélectrique, l'effet des variations des vitesses du vent au cours du temps est exploité. Une variation temporelle maximale de la température de 16°C/mn est disponible, ce qui a conduit à une puissance moyenne récupérée de 0.6mWm-2. Concernant l'effet piézo-électrique, une structure mécanique de type harmonica a été développée ainsi qu'une estimation des efforts d'interaction fluide-structure. Le prototype développé fonctionne à partir des vitesses du vent de 2ms-1 et génère une production d'énergie électrique de 8.9mWm-2. A titre d'illustration, une application typique a été présenté (refroidissement de panneau photovoltaïque). Elle montre une augmentation de la production d'électricité autour de 10%. L'application met en évidence l'utilisation des micro-énergies renouvelables au service de la production de macro-énergie. / The aim of this study is to investigate ambient energy harvesting with coupling effect of piezoelectric, pyroelectric and thermoelectric materials. Three basic problems lie in an energy harvesting process with these coupling effects: (i) design and optimize a structure which is able to accumulate the micro-power from the energy source and transform it into the favorable loading on the active material, (ii) improve the energy conversion efficiency according to the suitable choice of material properties and (iii) develop an energy harvesting circuit which is able to improve the energy conversion efficiency. The developed approach was experimental and numerical studies at first in laboratory conditions for deep understanding of energy harvesting process and then in outside conditions for verifying actual performance of the realized devices. On the thermoelectric coupling effect, a new method of harvesting solar and ambient energy is presented. The method is based on thermoelectric and both sensitive and latent heat effects for energy harvesting day and night. A maximum power generation of 1Wm-2 is achieved with thermoelectric material (Bi2Te3). On the pyroelectric effect, the inherent fluctuation with time of the natural wind speed was used. A maximum time variation of temperature of 16°C/minute was achieved which corresponds to an average power of 0.6mWm-2. On the piezoelectric effect, a mechanical structure which is enlightened from harmonica was developed and dynamic fluid-structure problems were addressed. The developed prototype begins to work for wind speed around 2ms-1 and a maximum power generation of 8.9mWm-2 was achieved. Ultimately, a typical building application (automatic control of water cooling photovoltaic panel) with the harvested solar thermal energy is introduced. The proposed application highlights an example of using harvested micro-energy to improve macro-energy production (around 10%).