Cette étude concerne la physique des écoulements convectifs résultant d'une instabilité d'évaporation de fluides binaires. Ce problème a de nombreuses applications, l'enrobage par centrifugation, le dépôt de films, les caloducs, etc, pour lesquels le changement de phase et la convection jouent un rôle prépondérant dans la conception et la qualité des procédés. Le système physique étudié est un mélange liquide sous sa propre vapeur, confiné par deux plaques conductrices de chaleur et des bords latéraux isolants. Les plaques sont utilisées pour appliquer un gradient thermique. Aucun gradient de concentration n'est imposé au système. Ces gradients sont induits par les différentes vitesses d'évaporation des composés. Dans ce système, il est important de comprendre comment la dynamique des fluides et les transferts de masse et de chaleur entrent en compétition pour la formation de structures. Le principal objectif de ce travail est d'identifier les conditions pour que le système évolue d'un état conductif vers un état de convection lorsque le gradient vertical de température dépasse une certaine valeur critique.Dans le système, la convection s'installe par trois mécanismes distincts : évaporation, gradients de densité et gradients de tension interfaciale. Trois forces convectives s'opposent aux effets de diffusion qui tendent à garder le système en état conductif. Le seuil d'apparition de la convection dépend de quelques variables, comme les dimensions du contenant, les propriétés thermophysiques des phases liquide et vapeur, la fraction massique, et les caractéristiques de perturbations. L'effet de chacune de ces variables sur le seuil est étudié en présence ou non de gravité.Pour représenter la physique, un modèle mathématique non linéaire complet est développé, basé sur les conservations de quantité de mouvement, d'énergie et de masse dans chaque phase avec les conditions aux limites appropriées. Le fluide binaire est composé de deux alcools légers comme l'éthanol et le sec-butanol. Dans les équations du modèle, la masse volumique ainsi que la tension interfaciale sont fonctions à le fois de la température et de la concentration. Pour la recherche du seuil de transition, les équations sont linéarisées autour d'un état de base connu. Dans notre cas, il s'agit de l'état conductif. Le système d'équations linéaires résultant est résolu par une méthode de collocation spectrale Chebyshev.Nous obtenons quatre résultats principaux. Premièrement, dans un système multi-composants sans gravitation, une instabilité n'apparaît que lorsque le système est chauffé du côté de la phase vapeur contrairement à un système mono-composant. Cela implique que, si on souhaite éviter les instabilités, il vaut mieux un apport de chaleur par la phase liquide en cas de processus d'évaporation en couches minces ou en micro-gravité.Deuxièmement, en présence de gravité, un système multi-composants peut devenir instable quelle que soit la direction du chauffage. Si la convection thermique est négligeable, alors nous montrons que le chauffage par la phase vapeur est la configuration la plus instable. Sinon, les deux modes de chauffage sont à même de produire une instabilité. Ce résultat implique que le gradient thermique appliqué doit être inférieur à une valeur seuil pour éviter les instabilités quelle que soit la direction du chauffage.Troisièmement, lorsque l'instabilité apparaît en absence de gravité, des structures n'apparaitront pas dans le cas de fluide pur mais apparaitront dans le cas d'un fluide multi-composants. De même, des structures apparaitront en présence de gravité en fonction du facteur d'aspect du confinement. Les facteurs d'aspect peuvent être choisis pour éviter des structures multi-cellulaires même en cas d'apparition d'instabilités durant l'évaporation.Enfin, des structures oscillantes ne sont pas prédites de façon générale malgré les effets opposés des convections solutale et thermique dans le problème d'évaporation.

La thèse porte sur les effets d'anisotropie induits par croissance d'interface rugueuse en solidification directionnelle. Ceux-ci se manifestent notamment par des directions de croissance variables des structures et des phénomènes morphologiques associés importants : dissymétrie, long cortège de branchements, instabilités. Cette étude est menée dans un premier temps sur des structures homogènes avant d'être étendue à des situations inhomogènes. Lorsque la vitesse de croissance augmente, la direction de croissance des dendrites s'oriente depuis une direction macroscopique donnée par le gradient thermique jusqu'à une direction microscopique fixée par les symétries cristallines. Leur étude expérimentale exhaustive a fourni ici un grand nombre de données dont le traitement a révélé une symétrie interne. Celle-ci conduit à la sélection d'une loi d'orientation fonction du nombre de Péclet et de l'écart entre les directions fixes macroscopique et microscopique du problème. Une nouvelle définition de la taille caractéristique des structures a cependant permis d'exprimer l'orientation relative des dendrites en fonction du seul nombre de Péclet par une courbe devenue indépendante de l'angle entre les deux directions fixes. La nouvelle loi ainsi obtenue est universelle car elle est indépendante de l'intensité du gradient thermique, des caractéristiques d'anisotropie et même de la nature de l'alliage solidifié. Enfin, l'application locale aux fronts inhomogènes des résultats obtenus sur les fronts homogènes permettent de comprendre la dynamique propre engendrée par des variations de taille de structures, d'orientation et d'intensité du gradient thermique.

La présente étude se fonde sur la méthode du volume de fluide (en anglais VOF pour Volume-of-Fluid), proposée à l'origine par Hirt et Nicols. L'objectif de la première partie de ce travail est l'étude hydrodynamique de la cavitation isotherme dans les grands nuages de bulles. Cette étude s'inscrit plus généralement dans un large effort de recherche en micro--écaillage mené par le CEA. Une méthode capable de traiter la présence de cavités de vapeur de volume variable ou encore de pores a été formulée et implémentée dans un code existant, PARIS. L'écoulement est idéalisé en supposant un liquide parfait, des effets thermiques négligeables et une pression de vapeur nulle. Une étude innovante est présentée, traitant de l'interaction du nuage de bulles dans un liquide en expansion par simulation numérique directe. Les résultats des simulations révèlent l'existence d'un concours de cavités dans un certain régime caractérisé par le nombre de Weber.Dans la deuxième partie de l'étude, le système d'équations à résoudre est modifié et généralisé afin de décrire l'écoulement incompressible d'un fluide diphasique tout en incluant la possibilité d'un changement de phase à l'interface. Une nouvelle méthode VOF est proposée, dans laquelle une nouvelle technique d'advection de la fonction VOF permet de traiter à la fois la conservation de la masse et de l'énergie sous une forme conservative. Les expériences numériques démontrent la précision, la robustesse et la généralité de la méthode proposée, et témoignent d'un développement fondamental important pour l'application des méthodes VOF à la modélisation des changements de phase. / Direct numerical simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies [54, 81]. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols [30]. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface [14, 89]. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling [61], conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS . The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using direct or detailed numerical simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change [79]. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change.

Les mémoires à changement de phase sont l'un des candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération de mémoires non-volatiles. Un intense effort de recherche est requis pour optimiser les matériaux à changement de phase (PC) utilisés dans ces mémoires. En particulier, il a été démontré que le dopage améliore les propriétés de rétention des dispositifs. Par ailleurs, l'étude des effets de réduction de taille et des effets des matériaux d'interface sur les propriétés des matériaux à changement de phase est encore un sujet de recherche ouvert. Dans ce contexte, la première partie de la thèse est dédiée à l'investigation de la structure locale de GeTe amorphe dopé avec C ou N. L'effet du dopage sur la structure a été observé expérimentalement via l'apparition d'un nouveau pic dans la fonction de distribution de paires de GeTe dopé, ce qui montre la formation d'une nouvelle liaison interatomique absente dans le matériau non dopé. La présence de nouvelles configurations incluant le carbone et l'azote a été confirmée par des simulations ab initio. L'objet de la deuxième partie de la thèse est l'influence de la réduction de taille sur la cristallisation de Ge2Sb2Te5 (GST). Des agrégats nanométriques de GST ont été fabriqués par pulvérisation puis déposés et étudiés par diffraction des rayons X en utilisant le rayonnement synchrotron. Dans l'état cristallisé une très forte déformation positive des agrégats est observée et attribuée à la matrice d'Al2O3 qui entoure les agrégats. La température de cristallisation des agrégats est de 25°C plus élevée que celle d'un film de GST de 10 nm déposé dans les mêmes conditions. Ce résultat est encourageant pour les futurs développements des mémoires à changement de phase car il montre que l'effet de réduction de taille sur la température de cristallisation peut-être faible. La troisième et dernière partie de la thèse est dédiée à l'investigation des effets des matériaux d'interface sur la température de cristallisation de films minces de GeTe et GST par des mesures de réflectivité et de diffraction des rayons X. Pour les deux matériaux, la température de cristallisation de films de 100 nm est plus grande pour une interface avec du Ta que pour une interface avec du TiN ou du SiO2. Une différence aussi marquée n'était jamais montré auparavant. Les résultats suggèrent que l'interface SiO2/GeTe est énergétiquement favorable pour la nucléation et la croissance de grains avec une orientation préférentielle et que les mécanismes de nucléation et croissance sont différents pour différents matériaux d'interface. / Phase Change Memories (PCM) are one of the best candidates for the next generation of non volatile memories. A great research effort is still needed in order to optimize the properties of phase change (PC) materials which are used in PCM devices. In particular, doping has been demonstrated to improve retention in devices. Moreover, a study of the effect of scaling and interface material on PC materials properties is still an open research field. In this context, the first part of the thesis is dedicated to investigate the local structure of C or N doped amorphous GeTe. The impact of doping is observed experimentally with the appearance of a new peak in the pair distribution function of doped GeTe, indicating the formation of a bond at a new distance that is absent in the undoped amorphous material. The presence of new environments involving carbon and nitrogen is confirmed through ab initio simulations. The subject of the second part of this thesis is the impact of confinement on Ge2Sb2Te5 (GST) crystallization mechanism. Nano-sized clusters of GST have been made by sputtering, deposited and then studied through X-ray diffraction using synchrotron radiation. The crystalline clusters experience a tensile strain that can be ascribed to the effect of the embedding Al2O3 matrix. Their crystallization temperature has been found to be only 25°C higher than the one observed for a thin film of GST of 10 nm deposited under the same conditions. This result is positive for the future development PCM because it indicates that the scaling effect on the crystallization temperature in phase change material can be small. The third and last part of the thesis is dedicated to the investigation of the interface material effect on the crystallization temperature of GeTe and GST thin films through reflectivity and X-ray diffraction measurements. In both GeTe and GST film 100 nm thick interfaced with Ta the crystallization temperature is higher than in the case of TiN or SiO2 interface. Such an interface effect on relatively thick films was never reported before. The results suggest that the SiO2/GeTe interface is energetically favourable for the nucleation and growth of grains with a preferred orientation and that nucleation and growth mechanisms are different for different interface materials.

Le caloduc oscillant est étudié depuis plus d'une vingtaine d'années, mais n'est utilisé, pour l'instant,que pour le refroidissement de composants électroniques. Il y a actuellement un engouement pour élargir l'utilisation de cette technologie au refroidissement d'équipements dissipatifs embarqués. Toutefois, malgré de nombreuses études expérimentales et numériques, Je comportement chaotique d'un caloduc oscillant rend difficile la prévision de son fonctionnement dans des conditions encore jamais rencontrées. Avant de pouvoir l'implémenter dans une application liée au transport, il est nécessaire de s'intéresser aux conditions sévères qu'un caloduc oscillant pourrait rencontrer dans un tel contexte.La présente étude porte sur la validation expérimentale de l'utilisation d'un caloduc oscillant sous diverses conditions sévères. Pour cela, un premier dispositif permet l'observation du comportement du caloduc oscillant lors de variations temporelles des conditions opératoires observées durant un trajet aérien type, ou durant La présence de vibrations mécaniques. Le caloduc oscillant prouve ainsi son utilisation possible dans ce contexte. Deux autres dispositifs permettent l'analyse des performances et limites de fonctionnement pour des puissances (8,4 kW) et densités de puissances thermiques (53 W/cm2) bien supérieures à ce qui est observé classiquement dans la littérature. L'eau s'est montrée le fluide. le plus propice à ces niveaux de puissances,comparée au pentane et au méthanol. Ces deux dispositifs permettent également l'observation du comportement lors d'une répartition uniforme ou non de la puissance thermique injectée sur différentes sources chaudes. Des études paramétriques ont été menées sur les différents dispositifs pour les trois fluides de travail, couplées à des visualisations infrarouges, et permettent d'approfondir la compréhension de l'influence des conditions opératoires: le taux de remplissage, la répartition de la puissance et la température de source froide influencent de façon importante non seulement les performances, mais aussi la limite d'assèchement du caloduc oscillant. / The pulsating heat pipe has been studied for more than twenty years, but is, for the time being, only used for the cooling of electronic components. Tbere is currently a keen interest in expanding the use of this technology to the cooling of embedded dissipative equipment. However, despite numerous experimental and numerical studies, the chaotic behavior of an pulsating heat pipe makes it difficult to predict its functioning under conditions never before encountered. Before being able to implement it in a transport-related application,it is necessary to consider the severe conditions that a pulsating heat pipe could encounter in such a context.The present study deals with the experimental validation of the use of a pulsating heat pipe under various severe conditions. For this purpose, a first device is made to observe the behavior of the pulsating heat pipe during temporal variations of the operating conditions observed during a typical flight or during the presence of mechanical vibrations. The pulsating heat pipe thus proves its possible use in this context. Two other devices serve the analysis of performance and operating limits for powers (8.4 kW) and heat flux densities(53 W/cm2) much higher than conventionally observed in the literature. Water is the most favorable fluid at these power levels, compared to pentane and methanol. These two devices also make it possible to observe the behavior during a uniform or non-uniform distribution of the injected thermal power on various hot sources. Parametric studies have been carried out on the various devices for the three working fluids, coupled with infrared visualizations, to deepen the understanding of the influence of the operating conditions: the filling ratio,power distribution and cold source temperature not only significantly influence performance but also the drying limit of the pulsating heat pipe.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d'études théoriques ayant pour but l’établissement de la structure des chalcogénures binaires et ternaires sous différentes conditions thermodynamiques. Des techniques de modélisation numérique ab-initio ont été employées. En particulier, nous avons utilisé la dynamique moléculaire par premiers principes selon l’approche de Car et Parrinello ainsi que sa version dite "deuxième génération". La première partie est consacrée à l’étude des chalcogénures binaires, notamment les verres GeSe2 et GeSe4 sous pression ainsi qu'à l’étude des effets des forces de van der Waals et des fonctionnelles d’échange et corrélation DFT sur la structure de l’amorphe GeTe4. Dans la deuxième partie, l’intérêt a été porté à l’étude d'un matériau à changement de phase récemment proposé par les expérimentateurs comme un bon candidat pour le stockage de données, le ternaire Ga4Sb6Te3. / This thesis reflects efforts toward an accurate understanding of the atomic scale structure of chalcogenide glasses. These compounds have an impact on electronics, optoelectronics and memory devices. I resorted to the most advanced first-principles molecular dynamics simulations such as the standard Car-Parrinello method as well as its second generation version. In the first part of this thesis we provide a detailed study of the topological changes undergone under pressure by glassy GeSe2 and by glassy GeSe4. Structural transition and bonding features are described and compared to the results of neutron and X-ray diffraction experiments. Furthermore, in the case of glassy GeTe4 we demonstrated that the inclusion of van der Waals forces leads to substantial improvements in the description of the structure. In the second part of this thesis, we established the atomic-scale organization of a promising candidate for phase change memory applications, glassy Ge4Sb6Te3.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de la dynamique d'une bulle de vapeur créée en conditions d'ébullition nucléée dans un milieu sous-refroidi. La section d'essai est chauffée localement par focalisation d'un faisceau laser : les flux thermiques considérés varient entre 1e4 et 1.5e6 W/m2 et la température de l'eau varie entre 100 et 88°C.Trois régimes d'ébullition ont été observés. En conditions de saturation ou de faible sous-refroidissement et avec un faible flux thermique on observe un régime d'ébullition nucléée développée. Pour des sous-refroidissements supérieurs et des flux thermiques pas très élevés on observe un régime d'équilibre entre la masse de liquide évaporée à la base de la bulle et la quantité de vapeur condensée sur sa surface supérieure. Le troisième régime observé correspond à des flux thermiques élevés : sa caractéristique principale est la formation d'une poche de vapeur sur la surface chauffée qui reste attachée à la surface après la phase détachement de la bulle.La phase de condensation commence après le détachement de la bulle. Le rayon de détachement des bulles varie entre 1 et 2.5 mm. La mesure des propriétés des bulles a permis de les caractériser en termes de nombres adimensionnels. L'acquisition d'images à haute fréquence a permis d'observer la propagation d'ondes capillaires à la surface des bulles. Deux effets principaux de la propagation d'ondes capillaires sur la vitesse de condensation de la bulle ont été observés : l'augmentation de la surface d'échange entre les phases liquide et vapeur et la diminution de la vitesse de translation de la bulle, qui serait soumise à une trainée supérieure à cause de sa déformation. / The object of this thesis is an experimental study of vapor bubble dynamics in sub-cooled nucleate boiling. The test section is locally heated by focusing a laser beam: heat fluxes from 1e4 to 1.5e6 W/m2 and water temperature between 100 and 88°C have been considered. Three boiling regimes have been observed. Under saturated conditions and with low heat fluxes a developed nucleate boiling regime has been observed. Under higher sub-cooling and still with low heat fluxes an equilibrium regime has been observed in which the liquid flowrate evaporating at the bubble base is compensated by the vapor condensing flowrate at bubble top. A third regime have been observed at high heat fluxes for all water conditions: it is characterized by the formation of a large dry spot on the heated surface that keeps the nucleation site dry after bubble detachment. The condensation phase starts after bubble detachment. Bubble equivalent radius at detachment varies between 1 and 2.5 mm. Bubble properties have been measured and non-dimensional groups have been used to characterize bubble dynamics. Capillary waves have been observed on the bubble surface thanks to high-speed images acquisition. Two main phenomena have been proposed to explain capillary waves effects on bubble condensation: increasing of the phases interface area and decreasing of vapor bubble translation velocity, because of the increased drag force on the deformed bubble.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019. / Les Matériaux à Changement de Phase (MCP), par stockage de chaleur latente, peuvent améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments. En saison froide, ils peuvent emmagasiner de la chaleur durant le jour pour qu’elle soit relâchée durant la nuit, réduisant le besoin en chauffage. En saison chaude, ils peuvent permettre, moyennant une ventilation nocturne adaptée, de réduire la surchauffe des bâtiments. Afin d’optimiser le bénéfice énergétique, l’intégration de MCP doit être minutieusement réfléchie. Ce travail de thèse présente trois grands axes dédiés à l’étude de matériaux hybrides bois/MCP. Le premier axe traite de la mise en forme et de la caractérisation de panneaux décoratifs intérieurs de haute inertie thermique. Le second axe a pour objectif d’évaluer la performance de ces panneaux à l’aide de deux maisonnettes expérimentales instrumentées et placées sur le campus de l’Université LAVAL. Le troisième axe étudie l’imprégnation de la couche de surface d’une Lame de Plancher d’Ingénierie (LPI) avec des microcapsules de MCP. Dans le premier axe, des panneaux intérieurs décoratifs ont été mis en oeuvre. Ils sont constitués de MDF (Medium Density Fiberboard), HDF (High Density Fiberboard) et de différents MCP biosourcés. Les MCP ont été macroencapsulés dans des sachets de polyéthylène avant d’être placés dans les panneaux. Leur stockage de chaleur latente a été mesuré avec un débitmètre thermique selon la méthode Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA). Les panneaux stockent une chaleur latente maximale de 57.1 J/g, ce qui est comparable à des solutions existantes de panneaux embarquant des MCP. Leur comportement thermique a été comparé au comportement des MCP purs testés par DSC (Differential Scanning Calorimetry) et des différences significatives ont été observées. Le comportement hygromécanique des panneaux a été évalué et s’est révélé être une question d’importance en vue d’une d’industrialisation. Dans le deuxième axe, deux maisonnettes expérimentales en ossature légère de bois ont été conçues puis placées sur le campus de l’Université LAVAL. Une maisonnette a été équipée de panneaux en bois standards tandis que l’autre contenait les panneaux bois/MCP. Grâce à l’instrumentation embarquée, la performance insitu des panneaux formulés dans le premier axe a pu être étudiée. Les résultats montrent, en saison de chauffe, une réduction de la consommation en chauffage pour la maisonnette équipée de MCP. Cette réduction atteint un maximum de 41 % pour le mois de mai. Pour le confort d’été, les panneaux permettent généralement d’améliorer le confort thermique, en réduisant la surchauffe. Leur efficacité a cependant été révélée limitée par la solidification limitée du MCP pendant la nuit. Malgré une ventilation importante, lors des nuits les plus chaudes, le matériau n’était pas en mesure de se solidifier. Dans le troisième axe, des couches de surface de Lames de Planchers d’Ingénierie (LPI) ont été imprégnés avec des microcapsules de MCP biosourcés. De l’eau distillée a été utilisée comme solvant. Deux essences de bois ont été choisies : le chêne rouge et l’érable à sucre. Le gain de masse thermique s’est révélé significatif pour le chêne rouge mais négligeable pour l’érable à sucre. Pour le chêne rouge, un bénéfice de masse thermique de 77% a été mesuré. Les microcapsules ont été observées dans le bois par microscopie réflective. Elles se sont révélées être principalement présentes, formant des amas, dans les larges vaisseaux du bois initial pour le chêne rouge. Des microcapsules étaient également présentes dans les vaisseaux de l’érable à sucre, en plus petite quantité. Des tests d’adhésion ont été menés sur des lames de planchers vernis et ces tests n’ont révélé aucune influence significative de l’imprégnation sur la tenue d’un vernis. / Phase Change Materials (PCMs) are able to store a high amount of latent heat, which can improve buildings energy efficiency. During the heating season, solar energy can be stored during the day to be released at night, reducing the heating needs. During summer, daily maximum peak temperature can be reduced. In order to maximize the energy benefits, PCMs have to be implemented carefully. This thesis presents three major axes of research about wood/PCMs hybrid materials. The first axis is about manufacturing and characterizing woodbased decorative panels of high thermal mass. The second axis aims to evaluate the performance of such panels with two instrumented wood-frame test huts placed on LAVAL University Campus. The third axis is about impregnating the lamella of Engineering Wood Flooring (EWF) with PCM microcapsules. For the first axis, interior wood-based decorative panels containing PCMs were manufactured. Medium Density Fiberboard (MDF), was used as the main component and High Density Fiberboard (HDF) was used for the inner side of the panel. Several bio-based PCMs were chosen to load the panels. A macroencapsulation of the PCMs was achieved using polyethylene bags. The latent heat storage of the panels was assessed with a thermal flow meter using a Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA) method. A maximum latent heat storage of 57.1 J/g has been measured, which is comparable to existing panels containing PCMs. Thermal behavior of pure PCMs has been assessed by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and then compared to the panels behavior. Significant differences have been revealed. Hygromechanical behavior of the panels has been evaluated, compared to a reference, and has been revealed of importance in case of industrialization. For the second axis, two experimental timber-frame test-huts have been implemented and were placed on the LAVAL University campus. One hut was equipped with standard wood panels whereas the other one was equipped with wood-based panels containing PCMs such as manufactured in the first axis. The in-situ performance of the panels was assessed over several seasons. In winter, the panels induced a reduction of the heating consumption. This reduction reached a maximum of 41% in May. During summer, the panels are generally able to reduce the daily peak temperature. However, their performance was found limited by the solidification of the PCM, which was hard to achieve during hottest nights. For the third axis, lamellas of Engineered Wood Flooring (EWF) have been impregnated with bio-based PCM microcapsules, using water as a solvent. Two wood species were chosen: red oak and sugar. A significant thermal mass enhancement of 77% was measured for the red oak. Impregnation of sugar maple was found harder to achieve and thus its thermal mass enhancement was lower. Reflective microscopy allowed to observe the microcapsules filling red oak initial wood big vessels, forming aggregates. Some microcapsules were also observed in the sugar maple vessels but in lower quantity. Red oak was varnished with a 100 % UV solid wood coating and submitted to pull-off adhesion tests. These tests did not reveal any significant effect of an impregnation on the varnish adherence.

Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF²$) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux / A promising way to enhance thermal inertia of buildings is the use of phase change materials (PCMs). Thanks to their high latent heat, PCMs can be used to store a significant amount of thermal energy in order to reduce energy consumption related to air conditioning. However, their use leads to a decrease in the mechanical strength of the obtained composites. During the last decades, the incorporation of PCMs in concrete has been of great interest leading to many experimental works. However, theoretical and numerical models to predict the behavior of such complex materials are not developed so far, due to the complexity of the phase change behavior, the scale separation and issues associated to the damage which is mainly induced by microcracking at the scale of microstructural heterogeneities. The objective of this thesis is precisely to develop numerical modeling tools to predict the effective thermomechanical behavior of the material with aim of structural calculations. For this purpose, numerical tools based on microstructures at the scale of microencapsulated PCM are developed to simulate heat transfer, mechanical response, cracks propagation as well as leakage of liquid PCM through cracks. After studying the effects of phase changes in the PCM on the effective mechanical response of the composites, a multi-scale approach (FE² method) is proposed to carry out structural calculations taking into account phenomena at micro scale. Thermo-physical experimental characterizations are carried out to show the usefulness of PCMs in building materials and to make comparisons with the developed homogenization tools. Finally, we propose a study to understand and evaluate the effects of PCMs in the degradation of the mechanical properties of these new materials

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la conception, simulation et réalisation des nouvelles structures des commutateurs hyperfréquences basées sur l’intégration des couches minces des matériaux innovants fonctionnels tels que les matériaux à changement de phase (PCM) et les matériaux à transition de phase (PTM). Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur le changement de résistivité présenter par ces matériaux. Nous avons exploité le changement de résistivité réversible du GeTe de la famille des matériaux à changement de phase (PCM) entre les deux états : amorphe à forte résistivité et cristallin à faible résistivité, pour réaliser une nouvelle structure d’un simple commutateur SPST. Ensuite, nous avons intégré ce commutateur dans une nouvelle structure de la matrice de commutation DPDT (Double Port Double Throw) à base de PCM pour l’application dans la charge utile du satellite. Nous avons utilisé la transition isolant-métal présenté par le dioxyde de vanadium (VO2) de la famille des matériaux à transition de phase, pour réaliser une nouvelle structure de commutateur simple à deux terminaux sur une très large bande de fréquence (100 MHz–220 GHz). / The work presented in this manuscript focuses on the design, simulation and realization of new microwave switches structures based on the integration of thin layers of innovative functional materials such as phase change materials (PCM) and phase transition materials. (PTM). The operating principle of these components is based on the change of resistivity present by these materials. We exploited the reversible resistivity change of GeTe of phase change materials family between the two states: amorphous with high resistivity and crystalline with low resistivity to realize a new structure of SPST switch. Then, we have integrated this switch structure on a new structure of DPDT (Double Port Double Throw) switch matrix based on phase change materials for application in satellite payload. We have used the insulatingmetal transition presented by the vanadium dioxide (VO2) of phase transition materials family to realize a new two terminals simple switch structure on a very wide frequency band (100 MHz–220 GHz).