La mise en place de nouvelles normes, de plus en plus contraignantes, est un défi pour l’élaboration de nouveaux matériaux résistants à haute température. Le premier objectif de l’étude est de mettre au point un panneau – coupe-feu 2h à base de plâtre. Il devra présenter à la fois de bonnes qualités d’isolant thermique et des propriétés mécaniques suffisantes pour maintenir l’intégrité d’un ouvrage d’art. Le second objectif est de comprendre, d’une part, l’influence de divers paramètres sur le phénomène de prise du plâtre et d’autre part, de déterminer les propriétés thermomécaniques du composite. Ce type de matériau est obtenu par l’association d’eau, d’une matrice céramique composée essentiellement de sulfate de calcium dihydraté et de charges utilisées en tant que renforts thermiques et/ou mécaniques.Dans une première partie, l’étude porte essentiellement sur la matrice pour laquelle une granulométrie permettant d’optimiser les propriétés mécaniques est déterminée. La matrice est ensuite caractérisée chimiquement. Une étude par calorimétrie isotherme de la réaction d’hydratation du sulfate de calcium semihydraté (plâtre) est réalisée afin de comprendre le mécanisme de prise du plâtre et de maîtriser les temps de prise. Pour cela, on étudie l’influence de la taille des grains, de la quantité d’eau, de la composition chimique du plâtre et de la présence ou non d’adjuvants sur la cinétique d’hydratation du plâtre.Dans une seconde partie, les renforts nécessaires à l’élaboration du composite sont sélectionnés. Les relations entre les quantités de charges et les propriétés thermomécaniques (conductivité thermique, module d’Young, dureté Shore C) du système sont étudiées. Ainsi, une modélisation du comportement du composite sous sollicitations thermique et mécanique est proposée. Cette étude a permis de définir une formulation de panneau présentant de très bonnes propriétés thermiques et des propriétés mécaniques suffisantes pour assurer l’intégrité d’un ouvrage d’art en cas d’incendie. La formulation mise au point a fait l’objet d’un dépôt de brevet (n° BIP207506FR00 en décembre 2010). Cette formulation est actuellement commercialisée par la société EXTHA sous forme de plaques. / The increase of prevention and the introduction of more and more restrictive standards are challenges for the development of new materials resistant to high temperatures. The aim of the study is to develop a fire panel with both good properties of thermal insulator (low thermal conductivity, fumes tightness) and mechanical properties sufficient to maintain a structure integrity in case of fire.That kind of material is composed of an inorganic matrix mainly composed of calcium sulfate dihydrate and of additives used as thermal and mechanical reinforcements. The first part of the study is focused on the matrix, especially on the determination of a particle size distribution for which the mechanical properties are optimized. Then, the matrix is chemically characterized. A study by isothermal calorimetry of the hydration reaction of the calcium sulfate hemihydrate (plaster) is conducted to understand the mechanism of hydration and to control setting times. For this, the influence of the grain size, of the quantity of water, of the chemical composition of plaster, of additives on the kinetics of hydration of the plaster is studied. The second part of this work resumes the different steps of the selection of additives. After that, the relation between the microstructure and thermo - mechanicals properties (thermal conductivity, Young modulus, Shore C hardness) of the system is studied.This study has permitted to establish a panel formulation having very good thermal and mechanical properties to ensure building integrity in case of fire. The formulation has been patented in December 2010 (No BIP207506FR00) and it is currently marketed as panels by Extha.

Dans le domaine de l'électronique souple, les substrats flexibles à base de polymères sont de plus en plus utilisés. Si dans les prochaines années, les structures de propagation mises en œuvre sur ce type de substrat véhiculent une puissance, alors la connaissance de la conductivité thermique de ces matériaux est essentielle. Dans ce travail, nous mesurons la conductivité thermique de matériaux de type polymère en utilisant la méthode 3 omégas. Des mesures ont été effectuées sur du polydiméthylsiloxane (PDMS). Un procédé technologique particulier est utilisé pour la fabrication des échantillons de PDMS. De ce fait, les conducteurs métalliques sont encapsulés dans le polymère et non en surface de ce dernier. Mais cela est sans conséquence sur les valeurs de conductivité thermique mesurées. Les procédés photolithographiques utilisés traditionnellement pour réaliser les lignes métalliques sont coûteux et longs. Par conséquent, nous proposons pour ce type de matériaux une méthode alternative pour la réalisation des lignes conductrices grâce à la technologie d'impression par jet d'encre. Les conductivités thermiques du polyimide et polyétheréthercétone ont été mesurées en utilisant la méthode 3omega combinée à la technologie d'impression par jet d'encre.Des simulations numériques basées sur la méthode des éléments finis ont été développées au cours de la thèse. Les mesures expérimentales obtenues sont comparées aux résultats obtenus par une solution analytique et par notre modélisation numérique.Ainsi durant cette thèse nous montrons avec succès la possibilité d'utiliser la technologie d'impression jet d'encre pour mesurer la conductivité thermique d'un substrat souple. / The characterization of polymers is gaining a great attention as they are one of the main constituents of future flexible or organic electronics. Given the fact that thermal management is an important issue in the frame work of flexible electronics, the knowledge of the thermal conductivity of polymer materials is needed. In this work, we propose the measurement of polymer material thermal conductivity using the three omega method. This method requires heating a metallic line conductor placed on the surface of the material under test by an alternating current source. The first measurements were done on polydimethyl siloxane (PDMS) polymer material for which a special procedure that consists in embedding the metallic line conductors near the surface has been applied.In addition to the well-known limitations of photolithography process which are the cost and the process duration, a particular concern lies in the fabrication of the metallic conductors by such process which might be destructive in case of polymer materials. Consequently, we propose an alternative method for this kind of materials based on inkjet printing technology. The thermal conductivities of polyimide and polyetherether ketone have been successfully measured using the three omega method combined with inkjet printing technology for sample preparation. Numerical simulations using finite element method (FEM) are also performed. Finally, experimental measurements are compared to Cahill’s analytical solution and FEM modelling. The overall results demonstrate that the inkjet printing technology is a good candidate for the characterization of flexible materials in terms of thermal conductivity.

La mise en place de nouvelles normes, de plus en plus contraignantes, est un défi pour l'élaboration de nouveaux matériaux résistants à haute température. Le premier objectif de l'étude est de mettre au point un panneau - coupe-feu 2h à base de plâtre. Il devra présenter à la fois de bonnes qualités d'isolant thermique et des propriétés mécaniques suffisantes pour maintenir l'intégrité d'un ouvrage d'art. Le second objectif est de comprendre, d'une part, l'influence de divers paramètres sur le phénomène de prise du plâtre et d'autre part, de déterminer les propriétés thermomécaniques du composite. Ce type de matériau est obtenu par l'association d'eau, d'une matrice céramique composée essentiellement de sulfate de calcium dihydraté et de charges utilisées en tant que renforts thermiques et/ou mécaniques.Dans une première partie, l'étude porte essentiellement sur la matrice pour laquelle une granulométrie permettant d'optimiser les propriétés mécaniques est déterminée. La matrice est ensuite caractérisée chimiquement. Une étude par calorimétrie isotherme de la réaction d'hydratation du sulfate de calcium semihydraté (plâtre) est réalisée afin de comprendre le mécanisme de prise du plâtre et de maîtriser les temps de prise. Pour cela, on étudie l'influence de la taille des grains, de la quantité d'eau, de la composition chimique du plâtre et de la présence ou non d'adjuvants sur la cinétique d'hydratation du plâtre.Dans une seconde partie, les renforts nécessaires à l'élaboration du composite sont sélectionnés. Les relations entre les quantités de charges et les propriétés thermomécaniques (conductivité thermique, module d'Young, dureté Shore C) du système sont étudiées. Ainsi, une modélisation du comportement du composite sous sollicitations thermique et mécanique est proposée. Cette étude a permis de définir une formulation de panneau présentant de très bonnes propriétés thermiques et des propriétés mécaniques suffisantes pour assurer l'intégrité d'un ouvrage d'art en cas d'incendie. La formulation mise au point a fait l'objet d'un dépôt de brevet (n° BIP207506FR00 en décembre 2010). Cette formulation est actuellement commercialisée par la société EXTHA sous forme de plaques.

La thèse vise à identifier, développer et tester des matériaux isolants à partir de déchets textiles, le rôle de l'isolation thermique des tuyaux. Visant à accroître la performance énergétique de chauffage et avec un impact environnemental réduit. Etude théorique était d'identifier les propriétés matériau d'isolation thermique, la classification sur le marché utilisé dans l'isolation thermique des méthodes de test national et international. Pour tester les propriétes thermiques ont été menées deux installations de laboratoire. Dans un premier temps l'installation, afin de déterminer la conductivité thermique, le flux thermique de la chaleur est produite par une résistance électrique. Ont été réalisés et testés structurellement différents des matériaux de densité (coton, la laine et le tissu non tissé) de la température maximale de 90C dans la canalisation. Le rôle de ces essais était de déterminer la densité et le comportement optimal à des températures différentes. Une deuxième installation est effectuée sur un cas réel (une tuyauterie isolée thermique avec a) la flux thermique de la chaleur est générée par le fluide (de l'eau). Un conducteur testé dans trois situations : tuyaux non isolés, tuyau isolé et le tuyau PUR isolé non tissé. Tous les tests étaient en faveur de la non tissé. L'analyse statistique a montré que la température et la densité sont des facteurs importants qui influent sur la conductibilité thermique des tissus. / The thesis aims at identifying, developing and testing of insulation materials from waste textiles, the role in thermal insulation of pipes. Aiming at increasing the energy performance of heating and with a reduced environmental impact. Theoretical study was to identify thermal insulating material properties, classification on the market used in thermal insulation of national and international and the testing methods. To test the thermal properties were conducted two laboratory facilities. At first installation, to determine the thermal conductivity, the thermal flow of heat flux is generated by electrical resistance. Were made and tested structurally different density materials (cotton, wool and non-woven fabric) with maximum temperature of 90C in the pipeline. The role of these tests was to identify the optimum density and behavior at different temperatures. A second installation is performed on a real case (an installation with a thermal insulated pipe) the thermal flow of heat is generated by the fluid (water). A conductive tested in three situations: non-insulated pipes, insulated pipe and pipe PUR insulated non-woven fabric. All tests were in favor of non-woven fabric. The statistical analysis showed that the temperature and density are significant factors that influence the thermal conductivity of fabrics.

La maîtrise des techniques de fabrication de matériaux nanostructurés a fait émerger ces dernières années de nouvelles problématiques relatives aux transferts thermiques à très courtes échelles d'espace et de temps. L'étude thermique s'effectue alors à partir de l'équation de transport de Boltzmann (ETB) pour les phonons qui sont les principaux porteurs de chaleur dans les semi-conducteurs. Ce travail résout l’ETB par une méthode statistique de type Monte Carlo en suivant le déplacement des phonons dans une nanostructure cristalline (de type nanofilm ou nanofil). On s’intéresse en particulier aux structures poreuses homogènes et avec gradient de porosité, ainsi qu’aux nanofils modulés en diamètre qui offrent des perspectives intéressantes en terme de réduction de conductivité / Since the past decades, progresses in nanomaterials engineering raise new questions about heat transport processes at very short time and space scales. Thermal properties of nanoscaled devices are determined from the resolution of the Boltzmann Transport Equation (BTE) for phonons, which are the main heat carriers in semiconductors. In this study, BTE is solved with a numerical tool based on a statistical method (Monte Carlo) which tracks phonons’ motion in two kinds of nanostructures: nanofilms and nanowires. We focus on the effect of homogeneous and heterogeneous porous materials as well as nanowires with varying diameters. All these devices present interesting prospects regarding thermal conductivity reduction

La perméabilité intrinsèque et la conductivité thermique de la neige sont deux paramètres essentiels pour effectuer l'analyse numérique du comportement thermique de milieux poreux. Plusieurs mesures de ces paramètres ont été effectuées successivement sur des échantillons de neiges compactées recueillis à l'Université Laval. La mesure de la conductivité thermique a été effectuée selon la méthode du fil chaud. Pour la perméabilité intrinsèque, un perméamètre à air à double mur fût conçu pour des expériences en laboratoire. La perméabilité intrinsèque et la conductivité thermique variaient respectivement de 1.1 x 10-8 à 8.0 x 10-11 m2 et de 0.09 à 0.48 W/mK pour des échantillons de neige ayant des porosités s'étalant entre 0.32 et 0.75. Les résultats se comparent bien avec ceux trouvés dans la littérature. Des modèles de prédiction des propriétés ont été examinés pour chacune des propriétés avec la porosité et le diamètre des grains.

Les matériaux à changement de phase (PCM) sont utilisés pour la réalisation de mémoire non volatile. Ces matériaux possèdent la particularité de passer d’un état cristallin à un état amorphe à l’aide d’une impulsion de chaleur, créant ainsi un processus propre au stockage de l’information. Les PCMs sont généralement basés sur des composés ternaires de type Ge-Sb-Te (GST) avec une température de transition de l’ordre de 125°C, rendent ces matériaux inutilisable dans le domaine de l’automobile et pour des applications militaires. Pour contourner cette limitation, le GST est remplacé par le composé In-Sb-Te (IST) possèdent une température de transition plus élevé et un temps de transition beaucoup plus rapide (nanoseconde). Les propriétés thermiques de l’IST et de ses interfaces au sein de la cellule PCM peuvent influencer la température de transition. C’est pourquoi la mesure de la conductivité thermique nous donnera une estimation de la valeur de cette transition.Différentes techniques ont été misent en oeuvre pour mesurer la conductivité thermique des couches minces d’IST en fonction de la concentration en Te, à savoir ; la radiométrie photo-thermique modulée (MPTR) et la méthode 3ω dans une gamme de température allant de l’ambiant jusqu'à 550°C.Les résultats obtenus par les deux techniques de caractérisation thermiques démontrent que la conductivité thermique de l'IST diminue lorsque l'on augmente la teneur en Te. L'augmentation de la teneur en Te pourrait donc conduire à un alliage thermiquement plus résistif, qui est censé apporter l'avantage d'un flux de chaleur plus confiné et limiter la cross-talk thermique dans le dispositif de mémoire à changement de phase. / Phase change memories (PCM) are typically based on compounds of the Ge-Sb-Te (GST) ternary system. Nevertheless, a major drawback of PCM devices is the failure to fulfill automotive-level or military-grade requirements (125°C continuous operation), due to the low crystallization temperature of GST. To overcome this limitation, alloys belonging to the In-Sb-Te (IST) system have been proposed, which have demonstrated high crystallization temperature, and fast switching. Thermal properties of the chalcogenide alloy and of its interfaces within the PCM cell can influence the programming current, reliability and optimized scaling of PCM devices. The two methods, namely: 3ω and Modulated Photothermal Radiometry (MPTR) technique was implemented to measure the thermal conductivity of IST thin films as well as the thermal boundary resistance at the interface with other surrounding materials (a metal and a dielectric). The experiment was carried outin situ from room temperature up to 550oC in order to investigate the intrinsic thermal properties at different temperatures and the significant structural rearrangement upon the phase transition.The results obtained from the two thermal characterization techniques demonstrate that the thermal conductivity of IST decreases when increasing the Te content. Increasing the Te content could thus lead to a more thermally resistive alloy, which is expected to bring the advantage of a more confined heat flow and limiting the thermal cross-talk in the phase change memory device.

Cette thèse traite l'interaction d'ordres en compétition dans les cuprates supraconducteurs dopés en trous; il sera question de supraconductivité et d'ordre de charge. Dans une première étude, la conductivité thermique $\kappa_{\rm xx}$ sous forts champs magnétiques du cuprate YBCO est utilisée pour mesurer le champ critique $H_{\rm c2}$. Cette expérience révèle la forte compétition entre la supraconductivité et l'ordre de charge dans ces matériaux dopés en trous. Ce résultat représente la première mesure directe de champ critique $H_{\rm c2}$ dans cette famille de supraconducteurs et démontre l'absence de liquide de vortex à température nulle. Dans une deuxième étude, la combinaison de l'effet Hall thermique $\kappa_{\rm xy}$ et de mesures électriques sous forts champs magnétiques permet l'exploration de la loi de Wiedemann-Franz dans le cuprate YBCO. En démontrant que cette loi est satisfaite au-dessus du champ magnétique critique $H_{\rm c2}$ déterminé lors du premier projet, cette expérience montre qu'il ne reste pas de supraconductivité au-dessus du champ magnétique critique et que l'état normal des cuprates sous-dopés est métallique. Dans une troisième étude, l'effet Hall thermique $\kappa_{\rm xy}$ est utilisé pour sonder la surface de Fermi d'un matériau dans sa phase supraconductrice. Pour les cuprates sous-dopés en trous, ce projet révèle qu'il n'y a pas de reconstruction de la surface de Fermi en champ nul par l'ordre de charge à courte portée. Cette expérience pionnière représente ainsi le trait d'union manquant entre de nombreux résultats qui pourtant parurent contradictoires au premier abord.

Résumé : Les propriétés thermiques des matériaux utilisées pour la construction des murs latéraux d’une cuve d’électrolyse de l’aluminium captent l’attention depuis les deux dernières décennies. Une bonne prédiction du comportement thermique dynamique des cellues Hall-Heroult, y compris une estimation précise des pertes d'énergie et de l'emplacement du gel sur le coté, est rendue possible lorsque les matériaux de coté sont bien caractérisés en fonction de la température. L'objectif de ce travail consiste à mesurer la diffusivité thermique, la capacité calorifique et la conductivité thermique du carbure de silicium, des matériaux carbones du coté (graphitique et graphitise) et de la cryolite à l’aide de techniques de caractérisation transitoires. La diffusivité thermique et la capacité de calorifique sont mesurées en utilisant respectivement un diffusivimètre thermique et un calorimètre à balayage différentiel. La conductivité thermique est calculée en supposant une masse volumique constante. La marge d'erreur sur la precision de chaque propriété thermique a également été calculée pour un nombre fini d'ensembles de données. Une conflation empirique a été élaborée pour chacune des propriétés pour décrire la relation avec la température en termes mathématiques. La caractérisation thermique de la chaleur latente dégagée lors de la fonte de la gelée de coté est également effectuée. Enfin, sur la base des calculs effectués avec un modele 2-D numérique, l'effet des erreurs de mesure entachant les différentes propriétés thermiques des matériaux du coté sur le comportement dynamique d'un réacteur à changement de phase de type laboratoire est également présenté. Les résultats obtenus montrent l’intérêt de nouvelles études sur les propriétés thermiques des matériaux utilisés dans les cellules d’électrolyse de l'aluminium pour découvrir l’influence de l'environnement thermique intérieur de la cellule, pour estimer les pertes de chaleur et l'effet des additifs sur l’emplacement du front de solidification. // Abstract : The thermal properties of the sidewall lining materials are capturing attention since the last two decades. Good prediction of the dynamic thermal behaviour of Hall Heroult cells, including precise estimation of energy losses and location of the side ledge formed by the solidification of electrolytic bath, is made possible when the sidelining materials are well characterized in function of temperature. The present work aim at measuring the thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity of silicon carbide (SiC), graphitic and graphitized carbon materials and cryolite (NasAlFe) based on transient characterization techniques. The thermal diffusivity and the heat capacity are measured by using state-of-the-art transient laser flash analyzer and differential scanning calorimeter respectively. The thermal conductivity is calculated by assuming a constant density. The range of precision error for each thermal property is also calculated for a finite number of data sets. Empirical correlation has been drawn for each of the properties to describe the relation with temperature in mathematical terms. Thermal characterization of the latent heat evolved during the melting of ledge is also carried out. Finally, based on the calculations conducted with a 2-D numerical model, the effect of the precision errors of temperature varying thermal properties of the sidewall materials and ledge on the dynamic behaviour of a laboratory scale phase change reactor is also presented. The results, so obtained, encourage further studies on the thermal properties of materials used in the aluminium reduction cell to find out the thermal environment inside the cell, heat loss estimation and effect of the additives on the location of ledge.

L'objet de ces travaux est de se doter d'outils de modélisation qui constituent aujourd'hui un passage incontournable pour maîtriser le procédé R.T.M. Ces outils reposent sur la prédiction de grandeurs macroscopiques caractérisant les renforts. La représentation fidèle du renfort à l'échelle microscopique dans une cellule élémentaire est la clé de voûte de notre travail. Une méthode d'initialisation de fonction caractéristique a ainsi été mise au point permettant de déterminer fidèlement les interfaces entre la résine et les renforts. Cette méthode possède la particularité d'être applicable à des renforts à structure périodique mais aussi aléatoire. La simulation de l'écoulement 3D de la résine dans les pores entre les fibres permet de déterminer la perméabilité de la structure représentée. Le passage de l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique est réalisé en homogénéisant les champs de vitesse et de pression obtenus numériquement dans la cellule élémentaire.Une démarche similaire a été développée pour étudier les phénomènes thermiques dans les milieux poreux. Cette approche permet de déterminer des valeurs de conductivité thermique équivalente en considérant dans un premier temps, le fluide au repos et ensuite en couplant les phénomènes thermiques à l'écoulement engendrant des fluctuations thermiques à l'échelle microscopique. Ce phénomène est important et modifie grandement les résultats. Sa prise en compte introduit des termes non linéaires couplant la conductivité thermique équivalente à la vitesse d'écoulement du fluide au travers du renfort.La connaissance précise de ces paramètres permet la réalisation de simulations 3D réalistes du procédé R.T.M.