L'objectif de cette thèse de doctorat est d'étudier expérimentalement et numériquement le comportement thermique des mousses d'aluminium et des matériaux à changement de phase (MCP), présentés sous la forme d’un composite, afin de connaître le phénomène de stockage d’énergie thermique dans ces matériaux. Le procédé de fabrication de la mousse d'aluminium à cellules ouvertes est d’abord analysé numériquement dans le but de réduire les défauts formés durant la fabrication. Les caractéristiques de transfert de chaleur du MCP dans les mousses d'aluminium comportant différentes porosités sont ensuite étudiées en analysant les processus de fusion et la variation de températures dans ces composites. Deux modèles numériques pour la mousse d'aluminium à faible et à haute porosité sont établis afin d’évaluer la performance de stockage d'énergie des composites. Les résultats montrent que la mousse d'aluminium peut améliorer considérablement la performance de transfert de chaleur du MCP en raison de sa conductivité thermique élevée. La performance de stockage d'énergie dépend fortement de la porosité des mousses d'aluminium. Une porosité optimisée met en évidence cette performance et l’amélioration du comportement thermique. La dernière partie de la thèse porte sur une structure améliorée de la mousse par rapport à la structure uniforme: Association de l’ailette métallique et du gradient de porosité de la mousse. Cette nouvelle structure donne ainsi une performance de stockage d'énergie encore meilleure surtout dans le cas d’une source de chaleur isotherme / The objective of this Ph.D. thesis is to study the thermal behavior of the aluminum foam and phase change material (PCM) composite by both experimental and numerical methods in order to know the phenomena of storage of thermal energy in these materials. The manufacturing process of open-cell aluminum foam is firstly analyzed numerically to reduce the manufacturing defects in the samples. The heat transfer characteristics of PCM embedded in aluminum foams with different porosities are then investigated by analyzing the melting processes and the temperature variations in the composites. Two numerical models for low and high porosity aluminum foam are established to evaluate the energy storage performance of the composites. The results show that the aluminum foam can greatly improve the heat transfer performance in PCM due to its high thermal conductivity. The energy storage performance depends strongly on the porosity of the aluminum foam/PCM composite. An optimized porosity highlights this performance and improves the thermal behavior. The last part of this thesis proposes an improved structure of aluminum foam with respect to the uniform structure: Association of the metal fin and the foam with graded porosity. This new structure possesses a better energy storage performance especially in the case of the isothermal heat source

L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'optimiser le processus de fabrication des mousses métalliques et le comportement thermique du matériau de la mousse d'aluminium/matériau de changement de phase (MCP) par des méthodes expérimentales et numériques. Le processus d’élaboration de la mousse d’aluminium à pore ouvert est développé et optimisé pour contrôler précisément les paramètres de fabrication. Deux modèles de mousse d'aluminium à haute porosité (MAHP)/MCP composite et à faible porosité (MALP)/MCP composite sont établis pour la simulation numérique. En simulant le processus de fusion d'un système de stockage d'énergie, les composites MAHP/MCP et MALP/MCP sont comparés numériquement afin d'évaluer la performance de stockage d'énergie thermique. Les résultats montrent que la mousse d'aluminium améliore nettement le processus de transfert de chaleur dans MCP en raison de sa haute conductivité thermique. La porosité des mousses d'aluminium influence non seulement le processus de fusion du composite mais aussi la performance de stockage d'énergie thermique. Grâce à la collaboration avec EPF, une nouvelle méthode d’élaboration des mousses périodiques d'aluminium à pore ouvert est développée dans cette thèse sur la base d’impression 3D. Le comportement thermique des mousses d'aluminium périodiques à pore ouvert/MCP est analysé expérimentalement et numériquement / The objective of this thesis is to study and optimize the manufacturing process of metal foams and the thermal behavior of the aluminum foam/phase change material (PCM) composite by experimental and numerical methods. The manufacturing process of open-cell aluminum foam is developed and optimized to precisely control the parameters of mufacturing. Two pore-scale models of high porosity aluminum foams (HPAF)/PCM composite and low porosity aluminum foams (LPAF)/PCM composite are established for numerical simulation. By simulating the melting process of a layer energy storage system, the HPAF/PCM and LPAFS/PCM composite are compared numerically in order to evaluate the energy storage performance. The results show that aluminum foam improves greatly the heat transfer process in PCM due to its high thermal conductivity. The porosity of aluminum foams could not only influence the melting process of composite but also the energy storage performance. Thanks to the collaboration with EPF, a new manufacturing method of periodic open-cell aluminum foams is developed based on 3D rapid tooling. The thermal behavior of the periodic open-cell aluminum foams/PCM composite is experimentally and numerically analyzed

Dans le cadre des applications transports, et plus particulièrement de "l’avion plus électrique", avec une demande toujours plus présente de réduction d’encombrement et de poids, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée des convertisseurs statiques. L’augmentation de leur densité de puissance et celle des contraintes thermiques, induites par l’environnement dans lequel ces structures sont localisées, deviennent de plus en plus critiques. La gestion thermique de ces dispositifs est assurée par des systèmes de refroidissement sur lesquels sont montés les composants semi-conducteurs via un matériau d’interface thermique. Une gestion performante sera obtenue par la diminution de la résistance thermique globale entre les éléments dissipatifs et le milieu ambiant grâce en autre à l’amélioration du système de refroidissement et des propriétés thermiques des matériaux constituant le module. Or cette interface est un point délicat du transfert de chaleur car elle peut représenter plusieurs dizaines de pourcents de la résistance thermique globale. Elle nécessite donc une connaissance approfondie de son comportement aux sollicitations thermiques. Après un état de l’art sur les matériaux d’interfaces thermiques et les méthodes de caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux, nous proposons la mise en œuvre d’outils expérimentaux et mathématiques permettant de suivre l’éventuelle évolution de matériaux d’interfaces utilisés en électronique de puissance au cours d’un vieillissement par cyclage en température. Pour cela, deux méthodes sont présentées. La première repose sur la mesure de la résistance thermique des interfaces en régime stationnaire avec un transfert de chaleur monodimensionnel alors que la seconde, basée sur une caractérisation transitoire thermique d’un système, permet d’en identifier les constantes de temps et le réseau Résistance-Capacité du système testé. Des travaux de simulations numériques ont été menés sur les deux types de bancs expérimentaux, d’un côté pour pouvoir évaluer les pertes thermiques latérales du banc statiques, de l’autre côté pour montrer qu’il est bien possible de détecter une variation de la résistance thermique d’un matériau d’interface par l’analyse de l’impédance thermique. / In the context of transportation applications, and especially the "more electric aircraft", with an ever present demand for space and weight reduction, the trend is to integrate more extensive of static converters. The increase in power density and the thermal stresses induced by the environment in which these structures are located, are becoming increasingly critical. Thermal management of these devices is provided by cooling systems on which are mounted the semiconductor components via a thermal interface material. Effective management will be achieved by reducing the overall thermal resistance between the dissipative elements and the environment by improving the cooling system and thermal properties of the materials constituting the module. However, this interface is a delicate point of heat transfer because it can represent several tens of percent of the circuit total thermal resistance. It therefore requires a thorough knowledge of their behavior in thermal stresses. After a state of the art on the thermal interface materials and methods for characterizing thermophysical properties of materials, we propose the implementation of experimental and mathematical tools to monitor any change of interface materials used in power electronics during aging by temperature cycling. For this, two methods are presented. The first is based on the measurement of the thermal resistance of the interfaces with a steady one-dimensional heat transfer, while the second, based on a characterization of a transient thermal system, allows to identify the time constants and the resistor and capacitor network of the tested system. Numerical simulations were carried out on two types of experimental benches, on one side in order to assess the lateral heat losses from static bench, on the other side to show that it is possible to detect a change in the thermal resistance of a TIM with the analysis of the thermal impedance.

Nous avons étudié la chimie de surface de carbones poreux fonctionnalisés avec des oximes et amidoximes d’une part, et avec de la guanidine d’autre part. Nous avons axé ces travaux sur la compréhension et la quantification de ces fonctionnalisations par analyse thermique et plus particulièrement par thermo-désorption programmée en température couplée à la spectroscopie de masse (TPD-MS). Par la suite, nous avons évalué l’intérêt de la fonctionnalisation par la guanidine des carbones mésoporeux pour deux applications : le piégeage du CO2 et la capacité à synthétiser et stabiliser des nanoparticules métallique. Pour la première application, des tests d’adsorption du CO2 à 0°C et 20°C à 1 bar ont été réalisés sur un carbone mésoporeux oxydé sous air en présence ou non de guanidine. L’intensité des interactions (physisorption versus chimisorption) a été sondée par des calculs de chaleurs isostériques d’adsorption. Pour la seconde applications, nous avons utilisé des carbones mésoporeux oxydés en présence ou non de guanidine pour synthétiser des nanoparticules d’argent de taille inférieure à 2 nm et relativement monodisperses en taille. Des particules bimétalliques d’AgCu ont également été obtenues au sein de ces matrices carbonées mésoporeuses imprégnées par la guanidine. On a pu mettre ici en évidence un rôle bénéfique de la guanidine sur le taux de cuivre réduit. Des suivis thermiques par MET in situ ont également été réalisés afin d’évaluer la stabilité thermique de ces nanoparticules et de mieux appréhender l’intérêt de la fonctionnalisation sur les phénomènes de frittage de ces nanoparticules. Finalement, des tests catalytiques pour l’époxydation sélective du styrène ont aussi été effectués sur le matériau Ag/C. Les résultats préliminaires sont très prometteurs pour un procédé de préparation de catalyseur très simple à mettre en œuvre. / In this work, we studied the surface chemistry of porous carbons functionalized firstly with oximes and amidoximes and then with guanidine. We focused this work on the understanding and quantification of these functionalization with thermal analysis and more particularly by Temperature Programmed Desorption/Mass Spectrometry (TPD-MS). Subsequently, we evaluated the interest of guanidine functionalization of mesoporous carbons for two applications : the capture of CO2 and the ability to synthesize and stabilize metal nanoparticles. For the first application, CO2 adsorption tests at 0 ° C. and 20 ° C. at 1 bar were carried out on a mesoporous carbon oxidized under air in the presence or absence of guanidine. The intensity of interactions (physisorption versus chemisorption) was probed by isosteric adsorption heat calculations. For the second applications, we used oxidized mesoporous carbons with or without guanidine to synthesize silver nanoparticles less than 2 nm in size and relatively monodisperse in size. Bimetallic AgCu particles were also obtained from these mesoporous carbon matrices impregnated with guanidine. A beneficial role of guanidine on the reduced copper content has been shown here. In situ TEM has also been carried out in order to evaluate the thermal stability of these nanoparticles and to understand the interest of the functionalization on the sintering of these nanoparticles. Finally, catalytic tests for the selective epoxidation of styrene were also performed on these materials. The preliminary results are very promising for a catalyst preparation process and very simple to implement.

Ce travail présente l'application de concepts modernes du génie logiciel au développement d'un environnement de simulation modulaire de systèmes thermiques complexes. Une application stricte des idées de la Conception Orientée Objet permet la réalisation d'un environnement modulaire, souple et efficace. Une analyse hiérarchique du système à étudier nous fournit un graphe de dépendance entre les composants du système. Chaque composant est confiné dans un objet informatique et a son propre modèle de calcul. Le travail essentiel du simulateur est la résolution des conditions de connexion entre les composants. La structure hiérarchique est conservée et exploitée pour une parallélisation des calculs pendant la simulation numérique. Pour une meilleure capitalisation des modèles développés, nous nous reposons sur une « modélothèque » à partir de laquelle l'utilisateur peut récupérer des modèles pour construire son propre système de simulation. Des exemples d'application de notre environnement de simulation pour des problèmes thermiques de bâtiment sont présentés.

Pour mettre au point le système de contrôle thermique dun engin spatial (satellite, sonde ou véhicule habité), lingénieur thermicien utilise des logiciels adaptés, tels quESARAD et ESATAN, commercialisés par ALSTOM. Comme la composante radiative peut jouer un rôle prédominant, les logiciels utilisés contiennent fréquemment un algorithme de lancer de rayons pour calculer les facteurs de vue et facteurs déchange radiatif entre des surfaces de dimensions finies, supposées isothermes. Les flux externes (solaires, albédo et infrarouge terrestres) sont également calculés par lancer de rayons. Enfin, les couplages conductifs sont habituellement encodés manuellement par lutilisateur. Comme le lancer de rayons est basé sur un processus aléatoire, la précision atteinte est déterminée par le nombre de rayons lancés. En général, le choix de ce nombre de rayons est laissé à la discrétion de lingénieur, ce qui peut conduire à des erreurs. Un autre inconvénient du lancer de rayons est sa faible convergence. Une méthode daccélération du lancer de rayons est nécessaire. Dans le cadre de la thèse, nous avons développé une méthode de lancer de rayons plus performante, que nous avons appelée hémisphère stratifié, caractérisée par une meilleure convergence. Un contrôle statistique derreur a été développé : lutilisateur spécifie la précision souhaitée (définie par une erreur relative maximale et un intervalle de confiance) et lalgorithme adapte automatiquement le nombre de rayons en fonction de la configuration géométrique. Sur base de cette erreur géométrique, un système déquations adjointes est utilisé pour obtenir une erreur énergétique, caractérisant les transferts de chaleur entre les surfaces. Lhémisphère stratifié est étendu de manière à inclure des fonctions de réflexion plus complexes. Lapplication des relations de réciprocité et de fermeture est également considérée. La méthode matricielle de Gebhart, qui permet de dériver les facteurs déchange radiatifs des facteurs de vue, est étendue de manière à inclure des surfaces non-diffuses et non-isothermes. Pour accélérer le lancer de rayons, les intersections rayons-surfaces ont été soigneusement étudiées. Nous avons également développé une méthode qui combine les primitives géométriques avec des maillages éléments finis. La représentation tri-dimensionnelle du modèle géométrique est plus adaptée au calcul de la composante radiative du transfert thermique tandis que les maillages éléments finis sont plus adaptés au calcul de la conduction. Cette méthode fournit également une accélération du lancer de rayons. De plus, le lancer de rayons est effectué sur la géométrie exacte, ce qui est nécessaire si des réflexions spéculaires sont modélisées. Nous expliquons comment le lancer de rayons peut être effectué sur la géométrie exacte et comment les facteurs de vue résultants peuvent être projetés sur les éléments finis. Nous définissons la notion de facteur de vue élément fini en calculant les facteurs de vue aux noeuds et en les interpolant sur lélément fini au moyen des fonctions de forme. Ces facteurs de vue élément fini sont utilisés pour lier radiativement les noeuds du modèle. Comme le champ de température est projeté sur les fonctions de forme, nous obtenons des éléments non-isothermes, contrairement aux résultats de la méthode Thermal Lumped Parameter (différences finies) utilisée habituellement en thermique spatiale. Les liens conductifs sont calculés automatiquement sur base du maillage éléments finis. Toutes ces améliorations résultent dans un algorithme plus rapide que le programme de référence ESARAD (pour une précision équivalente) et qui fonctionne avec un petit nombre de paramètres définis par lutilisateur. Pour valider lalgorithme proposé, le modèle du vaisseau XEUS, de lESA, a été implémenté. Des comparaisons ont été effectuées avec ESARAD et le code éléments finis SAMCEF.

La présence d'inhomogéneités chimiques (phases secondaires telles que BaCuO2, CuO, carbonates...) dans les céramiques YBa2Cu3O7-x non texturées pourrait expliquer en partie leurs limitations en transport de courant. Nous montrons que ces impuretés influent sur tout le cycle d'élaboration du matériau, depuis la synthèse de la poudre jusqu' a la céramique. La régéneration d'une poudre dégradée en milieu atmosphérique est analysée et discutée. Puis, une voie de synthèse originale utilisant le nitrate de baryum comme précurseur est développée. Le comportement magnétique en champ faible de céramiques issues de deux types de poudres, l' une contenant des carbonates, l'autre synthetisée par la voie oxy-nitrate a été déterminée en relation avec l'oxygène. Enfin, nous présentons une technique originale pouvant conduire a un matériau pur: l'analyse thermique a vitesse de transformation controlée.

La plupart des peintures pariétales du Paléolithique supérieur sont rouges (hématite naturelle pure ou en mélange avec des argiles) ou noirs (charbon ou oxyde de manganèse). Ces pigments ont été préparés par broyage, mélange et peut-être chauffage. Les analyses physico-chimiques permettent de déterminer la nature du matériau, son mode de préparation et éventuellement sa provenance.<br />Les diverses phases d'oxyde de manganèse se distinguent par leur composition chimique, leur structure et l'état de valence de l'ion Mn (II, III, IV). La transformation structurale des oxydes lors d'un traitement thermique a été suivie par MET. Ce travail nous a conduit à déterminer des stigmates caractéristiques d'un chauffage, comme des pores dans la bixbyite (Mn2O3).<br />L'analyse d'échantillons archéologiques provenant de France et d'Espagne a permis d'évaluer le niveau technique des Préhistoriques. La matière picturale est constituée de pigment brut ou mélangé. Cependant aucun pigment noir chauffé n'a été identifié dans les prélèvements analysés.

Dans le cadre de la nouvelle réglementation sur l'environnement, un objectif d'allègement de 20% des véhicules automobiles doit être atteint afin de répondre aux impératifs de réduction des émissions de CO2. Le développement d'une nouvelle génération d'aciers sous forme de composites à matrice acier Fe-TiB2 est d'un grand intérêt industriel et pourrait être une réponse prometteuse car il permet d'améliorer la rigidité de l'acier tout en diminuant sa densité. L'élaboration de tels produits nécessite une très bonne connaissance de la thermodynamique des équilibres de phases dans les systèmes concernés. Ce mémoire est consacré à l'étude thermodynamique de cette nouvelle famille de composite à matrice acier Fe-TiB2 et plus particulièrement à l'établissement des équilibres de phases liquide/solide et solide/solide dans le système ternaire Fe-Ti-B du côté riche en fer ainsi qu'à la définition du domaine de stabilité du diborure de titane dans les solutions Fe-Ti-B. La démarche employée est une approche couplée d'expériences ciblées (séparation électromagnétique de phases, analyse thermique différentielle, équilibre de phases) et modélisation thermodynamique des équilibres de phases. / To answer the imperatives of reduction of CO2 emissions, an objective of 20% weight lightening of automotive vehicles must be reached. Developing such innovative Fe-TiB2 composites of a great industrial interest could be a promising answer because it allows to improving the rigidity of the steel while decreasing its density. The development of such products requires a good knowledge of the thermodynamics of phase equilibria in the studied systems. This thesis is devoted to thermodynamic study of this new family of steel matrix composite Fe-TiB2 and particularly to the establishment of liquid/solid and solid/solid phase equilibria in the iron richer side of the ternary Fe-Ti-B system as well as to the definition of the stability domain of the titanium diboride in the Fe-Ti-B solutions. This task was performed by a coupled approach consisting in specific experiments (electromagnetic separation of phases, differential thermal analysis, phase equilibria) and thermodynamic modeling of phase equilibria.

Les EPDM (Ethylène Propylène Diène Monomère) sont employés comme isolants des câbles électriques des centrales nucléaires. En raison de l’environnement radioactif, ils se dégradent plus rapidement qu’en environnement classique. La détermination de leur durée de vie est donc un enjeu industriel important. Pour y parvenir, ce travail a d’abord consisté à déterminer l’influence de la composition des EPDM sur leurs cinétiques de dégradation. Ainsi, deux EPDM de composition chimique différente ont été irradiés sous rayonnement en présence d’oxygène. Les suivis de la fraction soluble et de la densité de chaines actives en fonction de la dose, ont permis de mettre en évidence une dégradation par réticulation et coupures de chaines. A partir de modèles statistiques, les cinétiques de ces deux processus ont pu être estimées : la réticulation dépend de la proportion en ENB résiduels tandis que les coupures de chaines sont indépendantes de la composition chimique et du degré de réticulation initial. De plus, au - delà d’une certaine dose, les nœuds de réticulation semblent progressivement détruits. Nous nous sommes ensuite intéressés aux conséquences de l’irradiation sur les propriétés mécaniques et ce, d’abord à 80°C, pour s’affranchir de la présence de cristallites. Si dans tous les cas, l’irradiation conduit à une décroissance de la contrainte à la rupture, nos matériaux montrent une déformation à rupture qui augmente avec la dose contrairement aux matériaux de Planès et al. Pour s’affranchir du rôle des hétérogénéités sur l’initiation de fissure, les propriétés mécaniques d’éprouvettes entaillées ont ensuite été étudiées. L’énergie de déchirement est corrélée à l’énergie de rupture des matériaux entaillés et peut être décrite par le modèle de Lake et Thomas, à condition de prendre en compte la longueur réelle entre nœuds de réticulation des matériaux irradiés. Aussi, les propriétés en rupture de tous les matériaux sont améliorées quand ils sont étudiés à 25°C et la présence de cristallites masque les conséquences de la dégradation ; cet effet est ici très marqué en raison d’une importante chimie - cristallisation. Des EPDM chargés ATH ont alors été étudiés. Nos résultats confirment une accélération de la dégradation par les ATH, dépendant de la surface spécifique des charges. La compréhension des propriétés en rupture des composites s’avère complexe car la rupture peut être entrainée par divers processus en compétition. L’évolution des propriétés mécaniques des composites testés à 25°C est, comme pour la matrice pure, dépendante de l’évolution de la cristallinité et des propriétés de la phase amorphe. Enfin, ce travail remet en cause la pertinence des critères de durée de vie actuellement utilisés dans l’industrie. Les énergies de rupture étant plus directement corrélées aux paramètres microstructuraux, ne faudrait-il pas plutôt considérer ce paramètre comme critère? / EPDM (EThylene Propylene Diene Monomer) are used as insulation for electrical cables in nuclear plants. Because of the radiative environment, the degradation of these cables is accelerated and a strong industrial challenge consists in the prediction of the cables lifetime. To address this crucial industrial concern, we first looked into the influence of the chemical composition of EPDM on their kinetics of degradation. To do so, two EPDM with different chemical compositions have been irradiated under radiations and in the presence of oxygen. The soluble fraction and the active chain density have been monitored as a function of the irradiation dose, and revealed the degradation by cross-linking and chain scissions. Furthermore, the kinetics of these mechanisms have been estimated based on statistical models: the cross-linking kinetics depends on the residual ENB content while the chain scission kinetics vary neither with the chemical composition nor the initial cross-linking degree. Moreover, beyond an irradiation dose, the cross-links are progressively broken. The mechanical performances were then studied at 80°C to prevent crystallinity. If the irradiation induces a decrease of the stress at break, the materials show an increase of the strain at break conversely to the EPDM systems studied by Planès et al. The mechanical properties of notched samples have then been employed in order prevent heterogeneities driven crack initiation. The tearing energy measured was correlated with the failure energy of notched samples andcan be described by the Lake and Thomas model with account for the real length between cross-links. The same study has then been performed at 25°C where the properties at break are seen to improve. Such improvements despite irradiation confirm that crystallites attenuate the degradation. This effect is more pronounced for the current set of materials because of a strong chemi-crystallisation. The addition of ATH fillers has been studied as well, showing an acceleration of the matrix degradation with the specific surface of the fillers. The understanding of the mechanical properties at break of filled materials seems complex because the failure can be obtained by various competing processes. Nevertheless, the matrix chemical nature can be mentioned as an important factor since the difference between the matrix mechanical properties and the matrix-filler interface properties will trigger the creation of macro-defects at the origin of failure. As for the neat matrix, the evolution of the composites mechanical properties tested at 25°C depends on the evolutions of both the crystallinity and the amorphous phase. More generally, this work questions the relevance of the actual lifetime criterion used in the industry. The energies at break are more directly correlated to the microstructural parameters and thus could correspond to a relevant criteria for predicting these systems lifetime.