Dans le domaine des piles SOFC, un des principaux objectifs actuels est la réduction de latempérature de fonctionnement des cellules en deçà de 700°C, afin de garantir une plusgrande durabilité des systèmes électrochimiques et des matériaux de cellules. En outre, leprocédé d'élaboration d'une cellule complète comprend actuellement deux voire trois étapesde frittage; une seule opération de frittage pourrait conduire à une diminution conséquente ducoût de production de la cellule. Le but de ce travail de thèse est d'apporter une contribution àces deux problématiques en proposant un procédé d'élaboration d'une cellule de pile àcombustible SOFC en une seule opération dite de cofrittage et avec une sélection dematériaux à hautes performances électrochimiques.Cette thèse a été abordée selon trois thématiques principales : mécanique, microstructurale etélectrochimique.Après la caractérisation du comportement en frittage des matériaux retenus pour l'étude, uncycle de frittage conduisant à une microstructure d'électrolyte acceptable (porosité fermée) aété sélectionné. Le cofrittage a ensuite été étudié selon un aspect mécanique. Les phénomènesde courbure engendrés par le cofrittage ont été expliquées à l'aide d'une modélisationanalytique et confrontées à des observations in situ. Le travail s'est ensuite orienté dans uneapproche microstructurale avec l'optimisation de la microstructure de la cathode en utilisantune modélisation numérique basée sur la méthode des éléments discrets. Les composants de lacellule complète ont finalement été caractérisés par spectroscopie d'impédanceélectrochimique afin d'optimiser leurs performances. Enfin, une cellule complète exempt defissure a été réalisée par cofrittage et ses performances électrochimiques ont été estimées.

Dans le domaine des piles SOFC, un des principaux objectifs actuels est la réduction de latempérature de fonctionnement des cellules en deçà de 700°C, afin de garantir une plusgrande durabilité des systèmes électrochimiques et des matériaux de cellules. En outre, leprocédé d’élaboration d’une cellule complète comprend actuellement deux voire trois étapesde frittage; une seule opération de frittage pourrait conduire à une diminution conséquente ducoût de production de la cellule. Le but de ce travail de thèse est d’apporter une contribution àces deux problématiques en proposant un procédé d’élaboration d’une cellule de pile àcombustible SOFC en une seule opération dite de cofrittage et avec une sélection dematériaux à hautes performances électrochimiques.Cette thèse a été abordée selon trois thématiques principales : mécanique, microstructurale etélectrochimique.Après la caractérisation du comportement en frittage des matériaux retenus pour l’étude, uncycle de frittage conduisant à une microstructure d’électrolyte acceptable (porosité fermée) aété sélectionné. Le cofrittage a ensuite été étudié selon un aspect mécanique. Les phénomènesde courbure engendrés par le cofrittage ont été expliquées à l’aide d’une modélisationanalytique et confrontées à des observations in situ. Le travail s’est ensuite orienté dans uneapproche microstructurale avec l’optimisation de la microstructure de la cathode en utilisantune modélisation numérique basée sur la méthode des éléments discrets. Les composants de lacellule complète ont finalement été caractérisés par spectroscopie d’impédanceélectrochimique afin d’optimiser leurs performances. Enfin, une cellule complète exempt defissure a été réalisée par cofrittage et ses performances électrochimiques ont été estimées. / In the field of SOFCs, a major objective is the reduction of the cell operating temperaturebelow 700°C, in order to ensure greater durability of electrochemical systems and cellmaterials. In addition, the fabrication process of a complete cell currently includes two orthree stages of sintering. Thus one sintering process could lead to a consequent decrease in theproduction cost of the cell. The purpose of this thesis is to contribute to these two issues byproposing a method for manufacturing a SOFC fuel cell in a single operation called cofiringand with a selection of high electrochemical performance materials.This thesis is addressed in three main areas: mechanical, microstructural and electrochemical.After sintering behavior characterization of the selected materials, a sintering cycle leading toan acceptable electrolyte microstructure (closed porosity) was selected. The cofiring was thenapproached by a mechanical aspect. The curvature Phenomena caused by of cofiring wereexplained using an analytical model and compared with in situ observations. The work is thencontinued with a microstructural approach. The optimization of the cathode microstructurewas done using a numerical modeling based on the discrete element method. Cell componentswere finally characterized by electrochemical impedance spectroscopy to optimize theirperformances. Finally, a free crack complete cell was obtained by co-sintering process and herelectrochemical performance was estimated.

Les systèmes multicouches à base de LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) et d’or sont largement utilisés dans l’élaboration de composants multi-matériaux pour applications radiofréquences civiles et militaires. Cette technologie présente un fort potentiel de développement car elle constitue une solution de packaging des puces électroniques. Lors du processus d’élaboration de ces composants multi-matériaux (céramique-métal), la phase de co-frittage est une étape clé et critique, car elle est source d’endommagement du fait des potentiels différentiels de coefficients de dilatation et de cinétiques de retrait. Ainsi, ce travail vise le développement d’un modèle numérique simulant fidèlement le comportement thermomécanique des composants au cours de l’étape de co-frittage. A cet effet, les comportements thermomécanique et au frittage des matériaux céramiques et métalliques sélectionnés ont été finement caractérisés. Les lois de comportement ainsi identifiées ont été implémentées dans le code de calcul par éléments finis Comsol Multiphysics. La robustesse du modèle développé a été analysée par confrontation à des essais expérimentaux conduits grâce à la mise en place d’un dispositif original de suivi in situ de la déformation par ombroscopie. Ainsi, les cambrures générées lors du frittage contraint d’un bicouche à base de LTCC et lors du co-frittage d’un bicouche LTCC-or ont été caractérisées et comparées aux simulations numériques. / LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) and gold multilayers systems are extensively used in the development of multi-materials components for civil and military radio-frequency applications. This technology presents a high potential of development because it provides a packaging solution for electronic chips. During the process of drafting of these multi-materials components (ceramic metal), the co-sintering step is a key and critical one, indeed it leads to damages because of potential thermal expansion coefficients and shrinkage kinetics differentials. Thus, the aim of this work is to develop a numerical model able to faithfully simulate the components thermomechanical behavior during the co-sintering stage. To achieve this, the sintering and thermomechanical behavior of the selected ceramic and metal materials have been carefully characterized. The behavior laws so identified have been implemented in the software based on the finite elements method Comsol Multiphysics. The developed model robustness has been analyzed by confrontation with experimental tests driven by the establishment of an original shadowscopy apparatus which allows the in situ strain recording. Thus, the generated curvatures during the constrained sintering of a LTCC bilayer and during a gold-LTCC bilayer co-sintering have been characterized and compared with the numerical simulations.

La densification et l'évolution microstructurale de bimatériaux copréssés alumine (Al2O3) – zircone (Y-ZrO2) and alumine – spinelle (MgAl2O4) ont été étudiées. Avant les études de co-frittage, les comportements en frittage des poudres submicroniques d'alumine, de spinelle et de zircone mises en oeuvre ont été étudiés par dilatométrie verticale Les effets de traitements de pré coalescence et de frittage en deux étapes sur la densification et la microstructure des céramiques spinelle ont été caractérisés. Le développement de couches interfaciales entre la spinelle et l'alumine a été étudié lors de traitements thermiques dans la gamme de température 1400-1500°C. Des liaisons sans fissures ont été observées dans des bimatériaux spinelle – alumine mis en forme par UP + CIP. Une intercouche de grains colonnaires de spinelle a été mise en évidence. Il a été montré que la croissance de cette intercouche à partir de la partie spinelle au détriment de la partie alumine suivait une loi cinétique parabolique. Les essais de couples de diffusion de matériaux prédensifiés ont montrés le développement de grains colonnaires de spinelle avec la même cinétique que dans les bimatériaux cofrittés