Ce travail de thèse a permis le développement d'adhésifs conducteurs électrique et thermique pour des applications spatiales. Il commence par la synthèse des nanotubes de carbone double paroi (DWCNTs) par CCVD. Ces DWCNTs ou des MWCNTs commerciaux sont dispersés par voie solvant avec des microparticules d'argent (µAg) dans une matrice époxy (EP). Une caractérisation des composites (EP + µAg + DWCNTs et EP + µAg + MWCNTs) s'ensuit : étude de la microstructure, des conductivités électrique et thermique et des propriétés mécaniques. Deux types d'essais de vieillissement permettent enfin de montrer des propriétés électriques stables dans le temps et des propriétés de tenue mécanique supérieures aux adhésifs conducteurs thermiques actuellement utilisés dans le domaine spatial.

Le groupe Montupet est un spécialiste de la conception et de la production de pièces de fonderie en aluminium usinées pour l’automobile. Les moules métalliques utilisés pour la réalisation de culasses automobiles en aluminium sont protégés par un revêtement appelé le poteyage. La principale fonction du revêtement de poteyage est de protéger l’outillage en acier de la corrosion chimique de l’alliage. Du fait de ses propriétés thermiques, une autre fonction du poteyage est la modulation des échanges thermiques entre le moule et la pièce en cours de solidification dont dépend fortement la microstructure finale de l’alliage. Le procédé utilisé aujourd’hui pour l’application du poteyage sur les parois du moule en acier consiste à projeter manuellement une barbotine au moyen d’un pistolet. Ce procédé ne permet pas d’obtenir la répétabilité des caractéristiques des couches déposées nécessaire au contrôle des gradients de solidification locaux. De plus, les outillages actuels souffrent de l’insuffisance de la protection du poteyage, ce qui conduit à une usure prématurée ayant un coût important et conduisant à des diminutions du rendement de l’outil industriel. Dans le cadre du projet PROOF de robotisation de l’étape de poteyage, les objectifs suivants ont été fixés. Il s’agit de mieux définir ce que devraient être les propriétés physicochimiques du poteyage. L’objectif à long terme est de réaliser une rupture technologique par l’application d’un revêtement permanent ou de longue durée de vie. Dans un premier temps, ces travaux présentent une caractérisation complète de la nature physico-chimique des suspensions des poteyages utilisés actuellement ainsi que l’étude de leur comportement en pulvérisation. Dans un second temps, après que des revêtements aient été produits par projection plasma sous air (APS), il est apparu nécessaire de comparer leurs propriétés thermiques à celles des revêtements de poteyage. Des valeurs de diffusivité thermiques ont été mesurées, les valeurs de conductivités thermiques des revêtements étudiés ont ensuite été calculées puis confirmées expérimentalement. La dernière partie de ces travaux s’attache à présenter les outils mis en place en usine afin de tester les revêtements créés par projection plasma et de vérifier leur adéquation (thermique et chimique notamment) avec la coulée de pièces en alliage d’aluminium. Ces essais en conditions réelles ou semi-réelles permettent la comparaison de l’efficacité de tous les revêtements étudiés. / Montupet is specialized in the manufacture of aluminium foundry components for the automotive industry. The metallic molds used for aluminium cylinder heads are protected by a specific coating called die coating. The main objective of this die coating is to protect the steel tool from chemical corrosion of the liquid alloy. Because of its thermal properties, another of its aims is the adjustment of the thermal exchanges between the mold and the solidifying aluminium, which strongly affects the final microstructure of the alloy. The process used nowadays to coat the die coating on the steel mold walls consists in spraying manually a suspension. However, this process does not allow to obtain reproducible characteristics of the coated layers necessary to control the local solidification gradients. Furthermore, the current tools suffer from the inadequate protection of the die coating, which leads to premature wear resulting in important costs and a decrease of the efficiency of the industrial tool. In the frame of the PROOF project, aiming in the automatisation of the die coating projection, several objectives were set: better know what should be the physico-chemical properties of the die coating and realize a technological jump by creating a long-life or even permanent coating. Firstly, this work shows a complete characterization of the physico-chemical state of the suspensions used nowadays as well as the study of their behavior during spraying. Then, once the coatings were produced by Air Plasma Spraying (APS), it appeared necessary to compare their thermal properties to the ones measured on the die coatings. Hence, thermal diffusivity values have been measured. Afterwards thermal conductivity of the studied coatings have been calculated and finally experimentally checked. Eventually, this work shows the tools developed within the company in order to test the plasma coatings and to check their thermal and chemical compatibility to the process of aluminium casting. These trials in real or semi-real conditions allow the efficiency comparison of the whole studied coatings.

L’élévation de la température est l’un des principaux paramètres limitant la puissance nominale des machines électriques. La température atteinte au niveau des bobinages, peut avoir de graves conséquences sur le système d’isolation des enroulements et peut ainsi réduire la durée de vie des machines électriques. Le travail de recherche effectué dans cette thèse s’attache à l’extraction de modèles thermiques simplifiés permettant la prédiction des niveaux d’échauffement. Nous avons alors mis en place une démarche basée sur une méthode numérique (Finite Intgeration Technique) qui permet une identification naturelle des grandeurs du modèle thermique. Cette démarche nécessite d’homogénéiser le bobinage en le remplaçant par un seul matériau homogène équivalent permettant de reproduire le même comportement thermique du cas réel du bobinage. Pour ce faire, plusieurs techniques d’homogénéisation ont été employées. Nous nous sommes également intéressés aux différentes configurations des conducteurs dans l’encoche en vue d’obtenir une meilleure évacuation de la chaleur dans le bobinage des machines électriques. La démarche proposée dans ce travail a pout objectif d’obtenir des modèles thermiques simplifiés qui peuvent être réduit à un seul nœud pour calculer la température du point chaud. La validité des modèles est évaluée par comparaison aux éléments finis en considérant deux formes géométriques de l’encoche : une encoche simple puis une encoche de géométrie plus complexe que l’on retrouve dans une machine à commutation de flux. / The temperature rise is one of the main parameters limiting the power of electrical machine. In fact in the stator windings the temperature rise decreases the performances of its insulation system and it can reduce the life time of the motors and it may even lead to the motor failure. Appropriate models of the windings are necessary to find the hot spot of the machine. The work proposed in this thesis focuses on the extraction of simplified thermal models in order to evaluate the temperature distribution. An approach based on a numerical method (Finite Integration Technique) has been developed allowing the identification of the thermal model parameters. As a first step the homogenization of the winding is necessary to obtain the thermal model of the stator slot which has a complex heterogeneous structure requiring careful modeling. The objective is then to replace the conductors and the resin by one homogenous material that reproduces a similar thermal behavior. Several homogenization techniques are used to determine the effective thermal conductivity of the composite material. We are also interested to study different configurations or distributions of the conductors in the slot to limit heat dissipation in the windings of electrical machines. The second part of this thesis presents a method, based on the Finite Integration Technique (FIT) for the discretization that gives us an equivalent thermal model allowing the evaluation of transient temperature evolutions in the slot with low calculation cost.

Dans le domaine de la microélectronique de puissance, les progrès de miniaturisation ne cessent de s’accroître. En effet, le nombre de composants par unité de surface a suivie durant de nombreuses années la loi de Moore. Cette évolution implique une augmentation de la densité d’énergie à évacuer sous forme de chaleur, ce qui rend le contrôle de la température de fonctionnement difficile et a pour effet de diminuer la fiabilité des systèmes électroniques.C’est pourquoi, le management thermique des matériaux d’interface thermique est indispensable pour pérenniser le bon fonctionnement des dispositifs de puissance dans leur environnement. L’utilité de ces matériaux est d’améliorer l’évacuation de la chaleur des composants électroniques vers le milieu environnant via un dissipateur thermique (radiateur, fluide caloporteur). Pour tenter de répondre à ces besoins, ce sujet de thèse est basé sur l’utilisation de nanotubes de carbone verticalement alignés, associée à des polymères fonctionnels. Les études se sont portées sur l’ensembledes résistances de contact existantes au sein d’un matériau d’interface thermique, depuis les nanotubes decarbone / Polymère / jusqu’au substrat de cuivre.L’optimisation des interactions est portée sur l’étude de différents polymères ayant la capacité d’engendrer des liaisons covalentes avec les nanotubes de carbone et avec le substrat de cuivre. L’intérêt de ces liaisons covalentes est d’améliorer le transfert de la chaleur via les phonons. Enfin, l’augmentation de la conductivité thermique intrinsèque des polymères est envisagée.Concernant les résultats obtenus, il apparait une nette diminution de chacune des résistances de contact étudiées. Afin de mieux comprendre ces résultats, des études de ces interfaces in-situ ont été réalisées. / With progress in microelectronics, the miniaturization of devices is a current issue and the component density on a device follows Moore’s law. As a consequence the power density reaches levels that challenge device reliability. New heat dissipation strategies are needed to efficiently drain heat.Thermal interface materials (TIMs) are used to transfer heat across interfaces, for example between the device and its packaging. However, to meet microelectronics requirement, commercials TIMs still need to be highly thermally conductive.In order to achieve these requirements, this work is focused on the use of vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) and functional polymers. All thermal contact resistances existing in TIMs, from VACNTs / Polymer / to substrate are studied.Interaction optimizations are based on the study of different polymers which are specially designed to develop covalent bonding with the CNTs sidewalls and/or metallic surface. The interest of these covalent bondings is to improve the thermal transfer by phonons. Finally, the increase of the intrinsic thermal conductivity of the polymer is considered.Regarding the results, a decrease of all thermal contact resistances is shown. In order to have a better understanding of these results, the thermal interfaces obtained are analyzed in situ.

Dans le domaine de l’isolation thermique du bâtiment, les évolutions réglementaires (RT2012)et normatives (NF BPE : Béton à Propriétés Thermiques, septembre 2016) incitent à évoluer vers des bétons isolants et structurels (BIS). La maîtrise de leur conductivité thermique est primordiale. Il est possible, en plus de faire appel à un squelette granulaire léger, de jouer sur la nature de la pâte en utilisant des inclusions qui apporteraient un pouvoir isolant supplémentaire : les cénosphères. Dans un contexte de facilité de mise en oeuvre, à ces propriétés est rajouté le critère auto plaçant des bétons. On parle alors de Bétons Isolants Structurels Autoplaçants (BISAP). La maitrise et la validation de ces nouvelles formules dans le respect d’une approche prescriptive a nécessité la caractérisation des matériaux à différentes échelles (de l’inclusion à l’échelle de l’ouvrage) en développant des approches expérimentales et numériques. Leur comportement à l’état frais et à l’état durci a été analysé. Les conductivités thermiques mesurées placent ces nouveaux bétons dans la catégorie Bétons Isolants Structurels au sens du nouveau référentiel. Le modèle numérique développé permet d’approcher correctement les valeurs expérimentales. D’autre part, la sensibilité des BISAP incorporant des cénosphères à plusieurs indicateurs de durabilité (porosité accessible à l’eau, perméabilité,carbonatation et retrait) a également été étudiée. L’influence des microsphères est plus ou moins notable en fonction du mécanisme abordé. / In the field of building thermal insulation, regulatory (RT2012) and standards (NF BPE: Béton à Propriétés Thermiques, September 2016) evolutions are encouraging the use of insulating structural concrete (BIS). The control of their thermal conductivity is essential. It is possible, in addition to using lightweight aggregates, to modify the composition of the cement paste by using hollow inclusions (fly ash cenospheres) to bring an additional thermal insulating potential. In a context of improved workability, to these properties is added the criterion of self-compacting concrete. The validation of these new formulas required the characterization of materials at different scales (from inclusion scale to building scale) by implementing experimental and numerical approaches. Their properties at fresh and hardened state were analyzed. The measured thermal conductivities place these new concretes in the Category of Structural Insulating Concrete in the sense of the new standard. The developed numerical model allowed approaching the experimental measurements correctly. The effect of cenospheres’ incorporation into cement paste on several durability indicators was also characterized.

Résumé / Abstract

L’industrie aéronautique et aérospatiale fait appel à des technologies de plus en plus avancées. Plus concrètement, dans certains matériaux tels que les panneaux de satellites, la dissipation de chaleur est une réelle problématique pour les ingénieurs, pour éviter une dégradation prématurée des matériaux. En d’autres termes, l’amélioration de la conductivité thermique de certains matériaux composites constituant un satellite est devenue un enjeu majeur. Ce travail de thèse a notamment permis d’étudier et de comprendre un peu plus en détails, les mécanismes de transfert thermiques par conduction. Plus précisément, certains paramètres, telle que l’influence des interfaces, la distance moyenne inter-particulaire ou toute modification dans la régularité d’une structure cristalline, se sont révélés être particulièrement préjudiciables pour améliorer la conductivité thermique. L’état de dispersion, la fonctionnalisation des charges ou les nanoparticules n’entraînent pas nécessairement une augmentation de la conductivité thermique, mais peuvent éventuellement impacter sur d’autres propriétés, telle que la conductivité électrique. En revanche, certains paramètres intrinsèques à la charge, telle que la taille des particules, le facteur de forme, la surface spécifique, la cristallinité ou la morphologie, sont essentiels pour améliorer la conductivité thermique d’un matériau à matrice polymère. Ce travail a également permis d’illustrer la complexité du mécanisme de conduction thermique, par l’intermédiaire des résultats obtenus et hypothèses formulées dans la suite de ce mémoire. Par ailleurs, dans le cadre de cette thèse, les matériaux considérés sont des composites à base de polymères époxy, très utilisés dans les applications spatiales. L’objectif de cette thèse est, avant tout, d’améliorer la conductivité thermique des résines époxy par incorporation de charges conductrices. Nous proposons également une étude originale, basée sur l’alignement et la structuration de charges conductrices, pour mettre en évidence l’importance de l’anisotropie sur la conductivité thermique. Plusieurs charges ont été étudiées, révélant le graphite et le graphène comme les charges les plus intéressantes. L’objectif industriel de cette thèse a ainsi été largement atteint, grâce à une étude approfondie de ces charges / Aerospace and Aeronautics applications require more and more high-performance technology. More specifically, in some advanced materials such as radiator panels in satellites, the heat dissipation is a real concern for engineers, in order to avoid any premature degradation or any other negative behavior of the material. Hence, improving the thermal conductivity of some satellite’s components has become an important issue. This PhD work helped us studying and understanding in details the heat transfer mechanisms by conduction. More precisely, some parameters, such as the influence of interfaces, the mean inter-particle distance or any modification in the linearity of a crystalline structure, were revealed to be pretty detrimental for improving the thermal conductivity. The dispersion state, fillers functionalizations or nanoparticles did not necessarily show an enhancement of the thermal conductivity, but could eventually impact on other properties, such as electrical conductivity. However, some intrinsic parameters of the filler, such as the particle’s size, the aspect ratio, the specific surface area, the crystallinity or the morphology of the filler, are essential to enhance the thermal conductivity of an epoxy-based material. This work allowed us to illustrate the complexity of the thermal conduction mechanisms, through the results obtained and the assumptions made in the following manuscript. Besides, in the context of this PhD work, the materials considered here are epoxy-based composites, widely used in satellites applications. The main objective of this work is therefore to improve the thermal conductivity of epoxy resins by incorporating thermally-conductive fillers. An original study is also proposed here, based on structured and aligned thermally-conductive fillers, in order to highlight the importance of the anisotropic aspect of thermal conductivity. Several fillers were then studied, revealing graphite and graphene as most interesting particles. The industrial objective of this PhD work has been amply achieved, through a thorough study of these particles

Le matériau composite Cu/NFC (Nano Fibre de Carbone) peut être utilisé en tant que drain thermique par les industriels de l'électronique de puissance. En remplacement du cuivre, il doit combiner une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique adapté à celui de la céramique du circuit imprimé (alumine ou nitrure d'aluminium). Après avoir étudié les propriétés de la matrice cuivre et des NFC, plusieurs méthodes de synthèse du composite Cu/NFC ont été développées. Le composite a tout d'abord été élaboré par métallurgie des poudres. Puis, dans le but d'améliorer l'homogénéité, il a été envisagé de revêtir individuellement chaque NFC par du cuivre déposé par voie chimique electroless ainsi que par une méthode originale de décomposition d'un sel métallique. Des mesures de densité et de propriétés thermiques (conductivité et dilatation) ainsi que les caractérisations microstructurales de ces matériaux montrent la complexité de l'élaboration d'un tel composite. En effet, la dispersion des nanofibres, la nature des interfaces fibres/matrice et surtout les phénomènes thermiques à l'échelle nanométrique sont autant de paramètres à contrôler afin d'obtenir les propriétés recherchées. La simulation numérique et analytique, qui a été mise en oeuvre en parallèle a été corrélée aux résultats expérimentaux, afin de prédire les propriétés finales de nos matériaux.

Les propriétés électro-thermo-mécaniques remarquables qui peuvent apparaître dans les nanofils de silicium font l'objet d'un nombre croissant de travaux de recherche. Ces travaux de thèse de nature fortement expérimentale, visent à donner une meilleure connaissance de ces propriétés dans le cas de nanofils, en silicium monocristallin, fabriqués par approche descendante. Pour caractériser la piézorésistivité, deux méthodes de chargement mécaniques ont été développées : la flexion 4 points de puce et la traction/compression in situ avec un actionneur MEMS. La méthode 3ω a été choisie pour des mesures de conductivité thermiques. Ces propriétés ont été étudiées en fonction de la température et la contrainte dans une station sous pointes cryogénique.Les résultats montrent que les nanofils fabriqués à partir de substrats SOI amincis peuvent, de manière inattendue, être fortement contraints en compression après fabrication. Les nanofils de type p présentent, même en régime de mesure dynamique, des coefficients piézorésistifs élevés qui décroissent fortement avec la température et permettent une détection intégrée de mouvement de MEMS avec une limite de détection inférieure à l'Angström. Les mesures thermiques confirment l'effet d'échelle attendu de la conductivité thermique, la décroissance avec la température est compatible avec les résultats théoriques et expérimentaux précédemment publiés.

Ce travail se place dans le cadre de la recherche de céramiques susceptibles de fonctionner à plus hautes température que la zircone yttriée, le système le plus employé actuellement pour constituer la couche isolante des barrières thermiques de turbines, aéronautiques ou terrestres. Une analyse des critères auxquels doit répondre une telle céramique a conduit à choisir la famille des perovskites, et, en conclusion de calculs de conductivité thermique par dynamique moléculaire, à sélectionner BaMg1/3Ta2/3O3 (BMT), un composé dont le point de fusion est supérieur à 2900°C. Un mode d'élaboration par voie solide a été développé pour obtenir cet oxyde sous forme dense. En guise de référence, des matériaux denses de zircones yttriées complètement stabilisées ont également été élaborés. Ces deux oxydes ont ensuite été caractérisées expérimentalement : structure par diffraction de rayons X, conductivité thermique jusqu'à 1200°C à partir de la mesure de la diffusivité thermiques par méthode flash laser, coefficient de dilatation entre 200 et 1200°C. Une étu de du gravage thermique de joints de grains, avec suivi par microscopie à force atomique du profil de joints après traitements entre 1100°C et 1400°C, a permis dans certains cas de déterminer le coefficient de diffusion en surface. Il ressort de cette étude que, si la perovskite BMT possède un ensemble de propriétés intéressantes pour constituer une barrière thermique : stabilité structurale, conductivité thermique à 1200°C du même ordre que celle de la zircone yttriée (autour de 2 W.m-1.K-1), coefficient de dilatation élevé (11.10-5 /K entre 200 et 1200°C), des phénomènes de sublima tion sont susceptibles de perturber la stabilité de couches à très hautes températures.