En m'appuyant sur des mesures atmosphériques et à l'aide de la modélisation, je propose une nouvelle estimation du bilan du dihydrogène troposphérique (H2). Pendant mon stage de master, j'ai installé un chromatographe en phase gazeuse pour analyser les concentrations de H2 et CO sur les échantillons du réseau RAMCES. L'analyse des mesures in-situ à Gif-sur-Yvette permet d'estimer le dépôt de H2 dans le sol de cette région (0.027 cm s−1) et le ratio H2/CO (0.5) provenant des émissions dues au transport automobile. La haute tour de Trainou située près de la forêt d'Orléans (100 km au sud-ouest de Paris) a été instrumentée en octobre 2008 pour H2 et CO à trois hauteurs de prélèvement (50, 100 et 180 m), en mai 2009 pour 222Rn à 180 m et en avril 2010 pour 222Rn à 50 m. Avec trois hauteurs de prélèvement, les masses d'air locales à régionales sont échantillonnées. L'infl uence du traffi c n'est pas visible mais pendant l'hiver on observe des évènements pendant lesquels les concentrations de H2 et CO sont fortement corrélées. La vitesse moyenne de dépôt estimée avec la même méthode qu'à Gif-sur-Yvette atteint 0.026 cm s−1. Dans la partie modélisation, les mesures de la concentration de H2 au sein des réseaux RAMCES et EUROHYDROS ont été utilisées dans le système LMDz-SACS-PYVAR. Ce système permet d'optimiser l'estimation quantitative du bilan de H2 : le modèle de transport atmosphérique LMDz est couplé avec le système de chimie simpli fiée SACS et intégré dans le système d'inversion PYVAR. Plusieurs scénarios, impliquant la séparation progressive des sources et puits de H2 ont été testés pour optimiser les flux de H2 à l'échelle globale et européenne. La meilleure estimation du dépôt global de H2 atteint 59 ± 5 Tg an−1.

Les procédés d'extrusion de polymères linéaires se trouvent souvent limités en débit de production par l'apparition de défauts de surface qui altèrent la qualité des produits. Des " Polymer Processing Aids " (PPAs) à base de polymères fluorés sont alors utilisés industriellement pour éliminer les défauts de surface, encore appelés " peau de requin ". Trois PPAs sont étudiés en procédé d'extrusion sur un polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL) présentant un important défaut de surface. Pour cela, une filière plate transparente permet le suivi instantané de la pression, de la vitesse dans l'écoulement par vélocimétrie laser Doppler, et l'analyse de la surface de la filière après récupération d'inserts amovibles. Les extrusions de PEBDL avec PPA montrent qu'après un temps de latence, le défaut de peau de requin se met à disparaître et la pression en filière à diminuer de manière simultanée. Des observations par microscopie électronique à balayage (MEB) montrent l'apparition et l'évolution de dépôts micrométriques fluorés à la surface de la filière. L'évolution du profil de vitesse en filière indique que du glissement à la paroi apparaît simultanément à la chute de pression, et dépend de la localisation sur la filière en accord avec les observations du dépôt. L'influence des paramètres d'extrusion (débit, état de surface et nature de la filière) et des paramètres relatifs aux PPAs (concentration, nature, taille des particules) est investiguée de manière à comprendre les mécanismesd'action des PPAs. Nous mettons en évidence une corrélation spatio-temporelle entre la surface de dépôt fluoré et le glissement à la paroi. La question du lien entre les actions multi-échelles des PPAs est alors abordée. Un modèle microscopique expliquant l'apparition du dépôt hétérogène à la paroi de la filière est développé et comparé aux résultats expérimentaux.

De tous temps, les techniques PVD (Physical Vapor Deposition) et projection (Plasma Spraying) ont été considérées comme très différentes l'une de l'autre : la technique PVD s'exerce sous très basses pressions (de l'ordre de 10-1 mbar) avec des vitesses de dépôt très faibles (qq. µm par heure) et permet d'obtenir des dépôts (qq. µm) très minces et en principe très réguliers alors que la technique de projection thermique s'exerce à pression atmosphérique ou sous vide partiel (qq. dizaines de mbars) avec des vitesses de dépôt importantes (qq. centaines µm par minute) et permet d'obtenir des dépôts épais (qq. centaines de µm) avec cependant des rugosités importantes. Il s'agissait durant ce travail de thèse de contribuer au développement d'un nouveau procédé de projection thermique fonctionnant sous basse pression afin d'obtenir des dépôts issus de condensation de vapeurs ou des dépôts mixtes vapeurs-particules. L'idée est de mettre en évidence l'incidence de certains paramètres opératoires sur les propriétés du jet et d'utiliser ensuite ces résultats pour définir les conditions les meilleures pour la réalisation des dépôts. Deux méthodes de diagnostic ont été retenues pour cette étude : la spectroscopie d'émission et la sonde enthalpique. L'enceinte de projection sous vide a donc été instrumentée d'un spectromètre d'émission (Triax 190, Jobin Yvon) et d'un logiciel d'identifications des raies spectrales acquis. Parallèlement, une modification de la sonde enthalpique (ENT-PLC, Tekna) a été effectuée de manière à permettre des mesures de flux sous basses pressions. Les essais de projection ont été réalisés avec deux torches commerciales de faible puissance développées et couramment employées au laboratoire pour la projection VPS (Vacuum Plasma Spraying). Différents paramètres expérimentaux ont été testés à savoir des paramètres de fonctionnement de la torche plasma (Intensité de courant et Débit de gaz hydrogène) et des paramètres environnementaux (Pression dans l'enceinte de projection et distance de détection). Enfin, ces différentes projections ont été couplées à des réalisations de dépôts métalliques dans un premier temps et céramiques dans un deuxième temps. Il a été montré que, sous certaines conditions de projection, les dépôts présentent des microstructures fines comparables à celles qui existent dans les dépôts PVD.

La corrosion des parties métalliques du circuit primaire des centrales REP engendre la formation de produits de corrosion. Ceux-ci peuvent circuler dans le circuit primaire sous forme de particules colloïdales ou d'espèces dissoutes qui peuvent être activées lors de leur passage sous flux puis adhérer sur les parties métalliques des circuits et sur les gaines des assemblages combustible. Le dépôt des particules ou d'ions activés sur les zones hors flux est alors responsable de la contamination surfacique. Afin d'avoir une meilleure maîtrise de la contamination, la caractérisation (surface spécifique, granulométrie, PCN...) des différentes particules présentes dans le circuit primaire ainsi que l'étude des interactions des produits de corrosion entre eux ou avec les parois (adhésion, sorption...) est nécessaire. Les espèces prises en compte dans cette étude sont, pour les particules : les ferrites de cobalt et de nickel ainsi que la magnétite, pour les matériaux du circuit primaire : l'Inconel 690, le Zircaloy 4 et l'acier inoxydable 304L. La sorption du cobalt et du nickel, principaux responsables de la contamination surfacique, sur les différents produits de corrosion a été réalisée expérimentalement et modélisée grâce au code de calcul ECOSAT. L'évolution de leur charge de surface a également été étudiée. Les données obtenues alimenteront, in fine, différents codes permettant la modélisation de la contamination dans les circuits en tenant compte de l'hydraulique. Le phénomène de sorption est en compétition avec celui de précipitation pour des teneurs en ions supérieures à 10-5 M et un pH élevé. Le dépôt des produits de corrosion, ayant subi ou non la sorption, est favorisé sur une large gamme de pH et quelque soit l'épaisseur de la couche d'oxyde à la surface des matériaux métalliques du circuit. La modélisation confirme que l'hydraulique est à prendre en compte lors de l'étude des phénomènes de dépôt.

Le développement de nouveaux convertisseurs énergétiques non polluants et non dépendants des énergies fossiles est un enjeu environnemental, économique et politique crucial auquel les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) pourraient répondre. La démocratisation de ces systèmes passe par l'amélioration de leurs performances, la réduction de leur coût lié essentiellement à l'utilisation de platine et par l'augmentation de leur durée de vie. Ce travail vise à améliorer la compréhension des mécanismes mis en jeu et à apporter une solution aux différents verrous technologiques en utilisant des matériaux modèles tels que les aérogels de carbone comme support de catalyseur dans les couches catalytiques cathodiques de piles à combustible PEM. Pour répondre à ces objectifs, l'impact de la texture du support carboné sur les performances électrochimiques en Assemblage Membrane Electrodes (AME) a été étudié. Puis nous avons analysé l'influence de la composition de la couche catalytique cathodique sur les performances, comparé différentes méthodes de dépôt de platine et enfin étudié le vieillissement des aérogels de carbone en AME sur banc monocellule. Ces études ont montré l'influence de l'architecture du support carboné sur les performances, l'impact positif de l'utilisation de PTFE dans la couche catalytique cathodique ainsi que l'intérêt de valider le protocole de dépôt de platine en fonction des performances au temps t=0 et au cours du vieillissement. Enfin, l'étude de la tenue au vieillissement des aérogels de carbone a montré que des progrès restaient à faire dans ce domaine.

L'alumine est un matériau réputé pour ses propriétés d'isolation électrique. Elle est utilisée dans les sondes géologiques qui mesurent la résistivité des roches. Le contexte pétrolier incite les sociétés telles que Schlumberger à développer de nouvelles générations de revêtement dont certains en alumine. Ils sont obtenus par le procédé de projection plasma qui génère dans la structure des fissures et des pores interconnectés. Ce réseau caractérise la porosité de la céramique et dégrade plus ou moins les propriétés des revêtements. Ce travail de thèse propose l'étude d'une gamme de revêtements d'alumine réalisés par projection plasma. Il définit le revêtement d'alumine comme un composite présentant deux phases : la matrice céramique et la porosité. Tout d'abord, une analyse bidimensionnelle classique (employant la microscopie électronique à balayage) a été comparée à une analyse tridimensionnelle (employant la microtomographie) pour déterminer la nature, l'orientation et la répartition des phases : -l'analyse 2D de la microstructure des dépôts a permis de différencier les matériaux en fonction de leur méthode d'élaboration. Nous avons élaboré des composites « alumine-défauts » avec différentes densités surfaciques de pores et de fissures. Pour la co-projection, des composites présentant une matrice d'alumineverre ont été élaborés. Un post-traitement par laser à excimère a généré des matériaux possédant des propriétés de surface différentes. Enfin, les techniques d'imprégnation ont produit des composites présentant une matrice d'alumine, une porosité remplie de résine ou de phosphate d'aluminium et une porosité non remplie. -l'analyse par microtomographie synchrotron a permis uniquement de caractériser les pores dans les composites. L'étude a montré leur orientation parallèle à la direction de projection et leur morphologie plutôt filaire dans les revêtements d'alumine. De plus, cette technique a mis en évidence les changements de morphologie et de répartition des pores dans une matrice d'alumine-verre ayant subi des traitements thermiques ou bien dans les surfaces traitées par laser. Toutes ces informations complémentaires ont permis de mettre en place une simulation des propriétés mécaniques et électriques fonction des caractéristiques microstructurales. Les mesures d'impédance en milieu liquide ont défini les microstructures composites par des schémas électriques équivalents. Cette mesure s'est révélée être une méthode expérimentale propre à définir les connexions de la porosité. Elle a permis de comparer les composites. Enfin, à partir des images 2D et 3D, une simulation numérique par éléments finis de microstructures réelles a permis de calculer les propriétés élastiques et diélectriques des composites. Ces simulations ont permis d'établir le lien entre microstructures et propriétés des dépôts. Elles semblent très prometteuses pour établir les conditions d'élaboration des revêtements en fonction des propriétés souhaitées.

Au cours des 30 dernières années, l'intérêt fut très marqué pour la recherche dans le domaine des couches minces dures et résistant à l'usure. Des matériaux ont été développés sous forme de couches minces céramiques pour des applications industrielles telles que des outils de coupe, des pièces automobiles et différents composants de machine. Les matériaux en jeu étaient, TiN, TiAlN, TiC, SiC, WC et carbone adamantin (DLC) par exemple. Cependant, les besoins technologiques et industriels d'aujourd'hui nécessitent l'utilisation des couches minces avec des propriétés plus évoluées. Pour cela, le système ternaire B-C-N avec ses phases ultra-dures a attiré beaucoup l'attention ces dernières années. Le carbure de bore (B4C) en particulier, avec sa haute dureté et son module d'Young élevé en plus de ses autres propriétés intéressantes, est l'un des matériaux les plus prometteurs. Une autre possibilité repose sur le carbonitrure de bore (BCN) qui présente des propriétés différentes en raison de la combinaison possible de plusieurs phases telles que le diamant, le nitrure de bore cubique (c-BN) et le nitrure de bore hexagonal (h-BN). Une recherche bibliographique détaillée indique le fait que ces deux matériaux n'ont pas été suffisamment étudiés quand sous forme de couches minces. Le carbure de bore est l'un des matériaux les moins étudiés dans le cas de techniques de dépôt en phase vapeur telles que la pulvérisation cathodique. C'est également le composé le moins étudié dans le diagramme ternaire B-C-N. D'autre part, dans la bibliographie, presque tout l'effort a porté sur le dépôt du nitrure de bore cubique. Il existe très peu d'études centrées sur l'effet de l'incorporation d'azote dans la structure de carbure de bore et les différentes phases qui pourraient être obtenues. Le but de ce travail est d'étudier, en premier, l'effet de différents paramètres de pulvérisation sur les propriétés des couches minces de carbure de bore et d'établir des relations entre paramètres de dépôt, croissance des couches de carbure de bore et propriétés mécaniques et d'usure-frottement. Le deuxième objectif est d'étudier l'effet de l'incorporation d'azote dans la structure de carbure de bore pour établir une couche de carbonitrure de bore avec une dureté et une ténacité optimales ainsi qu'une résistance à l'usure élevée. Trois types de couches de carbure de bore bien adhérentes et homogènes ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron classique à courant continu (DC), pulvérisation cathodique magnétron DC assisté par plasma et pulvérisation cathodique radiofréquence (RF). Les couches minces de carbonitrure de bore déposées par pulvérisation cathodique magnétron a courant continu en mode réactif avec addition d'azote dans la composition du gaz plasmagène ont été également étudiées. La conception de multicouches fonctionnelles a permis de déposer des couches de carbure et carbonitrure de bore plus épaisses et adhérentes. Une cible de carbure de bore conductrice, produite par pressage à chaud de poudres de carbure de bore et une cible de carbure de bore commerciale ont été utilisées pour les dépôts par décharge à courant continu et RF respectivement. L'effet des paramètres de dépôt sur les différentes propriétés des couches a été évalué par plusieurs techniques de caractérisation. La composition élémentaire des dépôts a été déterminée par microsonde électronique de Castaing (EPMA). La microscopie à balayage électronique haute résolution avec un canon à émission de champ (FE-SEM) a servi à examiner la microstructure et la topographie des couches. Les profils de profondeur élémentaires des dépôts ont été obtenus par spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) et les propriétés nanomécaniques ont mesurées par nanoindentation. Le comportement tribologique des dépôts a été étudié en utilisant un tribomètre « pion-disque ». Les liaisons chimiques ont été identifiées par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). La nanostructure et la cristallinité des couches ont été caractérisées grâce à des observations par microscopie électronique en transmission (TEM). Les résultats ont démontré que les couches de carbure de bore constituent de bons revêtements à dureté élevée pour résister à l'usure. Grâce au contrôle des paramètres de pulvérisation, différentes microstructures correspondants à différentes propriétés ont pu être obtenues. Grâce à l'incorporation de l'azote dans la structure de carbure de bore, des couches présentant une dureté optimale et une résistance à l'usure élevée ont été développées, donnant ainsi la possibilité d'élargir la gamme d'applications pour ces dépôts. On a aussi constaté que la conception en multicouche fonctionnelle était une façon d'empêcher le décollement des couches et éviter des problèmes liés aux contraintes résiduelles pour les dépôts durs et résistants à l'usure. Des couches plus épaisses de carbure de bore et de carbonitrure de bore pour plusieurs applications industrielles, peuvent donc efficacement être déposées grâce a une conception appropriée des différentes sous-couches.

Les cellules solaires photovoltaïques organiques et les micro-accumulateurs au lithium sont constitués d'éléments sensibles à l'atmosphère. Afin de leur assurer une durée de vie raisonnable à l'air, il faut les protéger avec des matériaux barrières, ayant des perméabilités à la vapeur d'eau et à l'oxygène très faibles. La solution envisagée pour obtenir de tels matériaux a été le développement de couches minces, tels que l'oxyde et le nitrure de silicium, déposées par PECVD. Dans une première partie, deux méthodes de caractérisation des propriétés barrières ont été mises en place spécialement pour la caractérisation de faibles taux de perméation : le « test lithium » et la mesure de perméation à partir d'un perméamètre à haute sensibilité. Dans une seconde partie, une étude des matériaux en monocouche et en multicouche a été effectuée. Un système performant a été obtenu par l'empilement multicouche d'un même matériau SiOx, où un traitement plasma après chacune des couches permet de créer des interfaces. L'étude de ce post-traitement a permis la compréhension des phénomènes d'interfaces et l'influence de ceux-ci sur la perméation. Cette étude a également permis de proposer un modèle de diffusion des molécules de gaz à travers un empilement multicouche.

Le self-induced ion plating (S.I.I.P.) est un procédé hybride entre l’évaporation sous vide et la pulvérisation cathodique magnétron. L’ionisation d’un gaz rare (argon) est obtenue grâce à la différence de potentiel appliquée entre une cathode d’étain (matériau à évaporer) et un substrat (tôle d’acier à revêtir) relié à la masse. Les ions positifs Ar+ sont accélérés vers la cible par le champ électrique et bombardent celle-ci avec une énergie importante. Ce bombardement ionique de la surface de la cible et l’isolation thermique du système induisent l’échauffement de la cible, sa fusion et enfin son évaporation. Afin de garantir un bon rendement au procédé, un magnétron d’aimants permanents est placé sous la cible à évaporer (phénomène de confinement magnétique). Le gaz métallique évaporé se solidifie au contact du substrat formant la couche de dépôt souhaitée. L’objectif de cette thèse revêt deux aspects : la mise en évidence des phénomènes physiques présents au sein du système et la simulation numérique de ceux-ci afin de déterminer l’épaisseur de dépôt obtenue sur la largeur du substrat. Le modèle de simulation du S.I.I.P. est scindé en quatre étapes. La première étape consiste à calculer le champ magnétique produit par le magnétron. Ce champ magnétique dicte le comportement des électrons qui sont à l’origine de l’ionisation de l’argon et de ce fait, il est une donnée indispensable à la deuxième étape à savoir, la modélisation du bombardement ionique et la détermination de la distribution du flux de chaleur transmis à la cible par celui-ci. Dans cette deuxième étape nous utilisons un modèle de suivi de particules basé sur une méthode statistique connue sous le nom de méthode de Monte-Carlo. Le phénomène du bombardement ionique modélisé, au cours de la troisième étape, nous calculons les échanges thermiques qui ont lieu dans le S.I.I.P. Les modes de transfert considérés sont : la conduction, le rayonnement et la convection (convection naturelle, convection électromagnétique et convection Marangoni). Enfin, le champ de température obtenu par la modélisation thermique, couplé à la théorie de l'évaporation, nous permet de déterminer le flux de matière évaporé et déposé sur le substrat suite à son passage au-dessus du système de dépôt. L’étude du S.I.I.P. a mis en évidence la complexité et la multidisciplinarité des phénomènes physiques mis en jeu dans les procédés PVD. De plus les résultats obtenus, validés à partir des mesures, nous ont permis de mettre en évidence l’importance significative du phénomène de convection Marangoni.

En raison des forts gradients de dose générés par les interactions des particules avec la matière, les traitements par hadronthérapie nécessitent un contrôle très précis de la dose délivrée au patient. Les codes Monte Carlo représentent des outils indispensables dans la validation des systèmes de planification de traitement utilisé en clinique. Nous nous intéressons dans cette thèse au calcul de la dose physique à l'aide des simulations Monte Carlo Geant4/Gate. Nous étudions l'ajustement de plusieurs paramètres qui peuvent influencer la précision du calcul de dose requise en clinique (2%, 2mm) pour un faisceau d'ions carbone de 300 MeV/u dans l'eau. Ces paramètres sont : le seuil de production des particules secondaires et la taille maximale d'un segment de la trace de particule. Les critères de tolérance sur la valeur et la localisation de la dose sont fixés de manière à avoir le meilleur compromis en termes de distribution spatiale et de temps de calcul. Nous proposons ici des paramètres permettant d'atteindre ces critères de précision. Dans la deuxième partie du travail, nous étudions la réponse des films radiochromiques MDv2-55 pour le contrôle qualité des faisceaux d'ions carbone et protons. Nous avons en particulier observé et étudié l'effet de saturation de ces films dosimétriques pour les irradiations à TEL élevés (≥ 20 KeV/µm) dans des milieux homogènes et hétérogènes. Cet effet est dû à la forte densité d'ionisation autour de la trace de particule. Nous avons proposé et développé un modèle appelé " RADIS RAdiochromic films Dosimetry for Ions using Simulations " qui permet de prédire la réponse de ces films avec la prise en compte de cet effet de saturation. Ce modèle est basé sur la réponse des films en photons et la saturation des films à des dépôts d'énergies linéïques élevés calculée par Monte Carlo. Plusieurs types de faisceaux ont été étudiés : ions carbone, protons et photons à différentes énergies. Ces expérimentations ont été menées au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), au Centre de protonthérapie d'Orsay (CPO), au Centre A. Lacassagne (CAL) et au Centre Léon Bérard (CLB). A l'aide du modèle, nous pouvons ainsi reproduire la densité optique des films le long du profil de Bragg pour tous les faisceaux avec une précision meilleure que 2%.