L'étude a pour objectif l'amélioration de la fiabilité des assemblages électroniques à travers la mise en œuvre de drains composites aluminium/fibres de carbone. Le travail a consisté à 1) modéliser, par la méthode des éléments finis, l'influence des propriétés thermiques et mécaniques du matériau de semelle sur l'assemblage életronique ; 2) élaborer (par frittage sous charge uniaxiale, frittage flash et extrusion à chaud) des matériaux composites aluminium/fibres de carbone ; et 3) lier les microstructures observées aux paramètres des procédés d'élaboration ainsi qu'aux propriétés thermiques et mécaniques mesurées.

L’utilisation des matériaux à faibles impacts environnementaux devient essentielle dans le secteur du bâtiment à cause de sa forte consommation d’énergie et de ressources naturelles. Cette thèse porte sur les isolants bio-sourcés et spécialement les laines de chanvres possédant des propriétés thermiques et hydriques intéressantes. La laine de chanvre, étant composée essentiellement de fibres végétales, constitue un matériau fibreux anisotrope et fortement poreux, et possède à l’échelle microscopique une structure complexe et aléatoire. D’où l’intérêt de décrire précisément la morphologie de ce type de laine et de caractériser sa structure par analyse d’images tomographiques à rayons X et des images MEB. Puis nous avons mis en place un modèle macroscopique couplé de transfert de chaleur et de masse, permettant de comprendre le comportement thermohydrique de ces laines en utilisant la méthode de changement d’échelle par prise de moyenne. Pour prendre en compte la complexité géométrique de la microstructure nous avons eu recours à un double changement d’échelle. / The use of low environmental impact materials becomes essential in the construction industry due to its high consumption of energy and natural resources. In this thesis it was focused on the bio-based and especially wool hemp insulation with interesting thermal and water properties. Hemp wool, being composed substantially of plant fibers, is an anisotropic, fibrous and highly porous material. At the microscopic level it possesses a complex and random structure, hence the interest of an accurate description to the morphology of this type of wool and to characterize its structure analysis by X-ray tomographic images and SEM images. Then a macroscopic model of coupled heat transfer and mass transport is set up to understand the behavior of these wools using the scaling method average gain. To take into account the geometric complexity of the microstructure a double change of scale was used.

De nos jours, l’apport de la miniaturisation a permis d’innombrables progrès scientifiques et techniques : de la microélectronique à la microfluidique et dernièrement les nanotechnologies. Autant de domaines où les enjeux économiques de suivi de qualité ou d’optimisation de production peuvent nécessiter une étape de caractérisation des propriétés intrinsèques des constituants. Parmi ces propriétés, les données thermophysiques permettent notamment de définir la capacité à stocker ou diffuser la chaleur (conductivité, effusivité ou conductivité thermique par exemple). Une manière d’estimer ces propriétés passe par la connaissance du champ de température. Aux échelles microscopiques, seules des mesures de températures sans contact sont plus adaptées. Les travaux de cette thèse rentrent dans cette catégorie en présentant une méthode de caractérisation de propriétés thermophysiques aux échelles microscopiques par le biais de la thermographie infrarouge. En prenant exemple sur les méthodes hétérodynes développées pour la thermoréflectance, nous avons mis au point un stroboscope électronique dédiée à la thermographie infrarouge et permettant de suivre des excitations thermiques locales et périodiques de fréquences caractéristiques de l’ordre du kilohertz avec fréquence d’acquisition caméra de 25 Hz. En couplant cette méthode, que nous qualifierons de méthode d’Hétérodynage, avec une observation microscopique nous pouvons ainsi observer des phénomènes de diffusion longitudinale localisée à la surface d’échantillons diffusifs tels que les métaux et impossible à obtenir avec les applications standard de thermographie infrarouge. A partir de ces données expérimentales, nous montrons sur deux échantillons la manière de remonter à des valeurs de diffusivité dans le plan et dans l'épaisseur. De ces résultats, nous discuterons sur les limitations des estimations notamment dues à l'effet filtre passe bas du temps d'intégration de la caméra prépondérant lorsque l'excitation devient haute fréquence ou à la présence d'une couche émissive (dépôt de spray de peinture noire pour augmenter le contraste thermique) qui peut empêcher la propagation des ondes thermiques de la source au sein du matériau à caractériser dés que la fréquence d'excitation dépasse un seuil dépendant des propriétés thermiques du bicouche étudié. D'une autre manière, nous montrerons que des estimations de diffusivité thermique dans le plan ou transverse peuvent également être possible par une méthode d'hétérodynage en flash périodique. A titre d'applications futures, nous présenterons une première approche académique de modèle de diffusion avec transport sur un disque tournant pour des futures applications d'écoulement en goutes pour la microfluidique, une extension des estimations de diffusivité dans le plan pour obtenir des cartographies en scannant la zone étudiée et des résultats d'hétérodynage en régime périodique transitoire qui pourraient s'assimiler à une réponse de température en échelon. / Nowadays, the contribution of the miniaturization has led to countless advances in science and technology: microelectronics, microfluidics, nanotechnologies... All areas where the economics of quality monitoring and the optimization of production may require a step of characterizing the intrinsic properties of these constituents. Among these porperties, the thermophysical datas can defined the ability to store or distribute the heat (thermal conductivity, effusivity, diffusivity for example). A way to estimate these properties needs the knowledge of the temperature field. At microscale, the measurement temperature without contact is well adapted. The work of this thesis fall into this category by offering a method to characterize the thermophysical properties at microscopic scales by means of infrared thermography. With the help of the heterodyne methods developed for the Thermoreflectance, an electronic stroboscope has been developped. This method is dedied to the infrared thermography and allowing to follow thermal local and periodical excitations with a characteristic frequency around with a frame camera frequency of . By coupling this heterodyne method with microscope lens, it is possible to observe thermal diffusion phenomena longitudinal and transverse localized to the surface of the diffusive sample like metals and impossible to obtain with standard infrared thermography. From experimental data, the values of in-plane or transverse thermal diffusivity are obtained on two samples. Depending of these results, a debate is organized about the limitation of these estimations as the lowpass filter effect of the intregation time of the infrared camera which becomes important with high frequency excitation or the presence of an emissive of thin layer on the surface of the sample (dark spray coating for enhancing the thermal contrast) which can stopped the thermal waves propagation into the layer sample to characterize soon as the excitation frequency exceeds a threshold dependent on the thermal properties of the sample studied. In another way, the estimation of thermal in-plane or transverse diffusivity with an heterodyne method with repeated flash is shown in first results. For future applications, a first academic approach of thermal diffusion model with transport on rotating disk, an extension of the thermal in-plane diffusivity estimation to obtain cartography by scanning the sample area and few heterodyne results in transient periodic regime which are assilimated to a response level were shown.

Le sujet de l'étude concerne la caractérisation thermique à hautes températures de matériaux anisotropes dont la diffusivité thermique varie selon la direction considérée. Cette mesure de la diffusivité est permise par l'observation des variations transitoires de température d'un matériau soumis à un flux de chaleur de type impulsionnel. L’excitation provient d’un Laser et la mesure de température est réalisée par thermographie infrarouge sur la face opposée à l'excitation thermique. Le champ de température ainsi obtenu permet de déterminer les trois diffusivités du matériau selon ses directions d'anisotropie. En effet, grâce à des transformations intégrales du champ de température, il est possible d'obtenir un modèle théorique décrivant les variations de température au sein du matériau. Les estimations des diffusivités s'obtiennent alors par la minimisation de la somme des écarts quadratiques entre les modèles théoriques et leurs équivalents expérimentaux. Il s'agit de problèmes d'optimisation non linéaire et les estimations sont réalisées dans le domaine des fréquences spatiales et dans le temps grâce à une inversion numérique de Laplace. Basée sur des dispositifs optiques, cette méthode est non intrusive et grâce aux modèles analytiques les mesures sont rapides et précises même à haute température. La méthode ainsi que le nouveau banc expérimental mis en place rendent possible la mesure des trois diffusivités en une unique expérience pour des excitations de forme quelconque en espace et non nécessairement Dirac en temps / The study concerns the thermal characterization at high temperatures of anisotropic materials whose thermal diffusivity varies according to the direction considered. This measurement of diffusivity is allowed by the observation of the transient variations of temperature of a material subjected to a heat pulse source. The excitation is performed by a Laser and the temperature measurement is carried out by infrared thermography on the opposite face of the thermal excitation. The temperature field thus obtained makes it possible to determine the three diffusivities of the material according to its directions of anisotropy. Indeed, thanks to integral transforms of the temperature field, it is possible to obtain a theoretical model describing the temperature variations within the material. The estimates of diffusivities are then obtained by the minimization of the sum of squared residuals between the theoretical models and their experimental equivalents. These are problems of nonlinear optimization and the estimations are carried out in the spatial frequency domain and in time thanks to a numerical inversion of Laplace. Based on optical devices this method is non-intrusive and thanks to the use of analytical models the estimations are fast and accurate even at high temperatures. The method and the new experimental facility make it possible to estimate the three thermal diffusivities in a single experiment and this for excitations of any shape in space and not necessarily Dirac’s delta function in time

L’hyperthermie guidée par IRM permet l’ablation thermique des tumeurs, l’activation de l’expression d’un transgène sous contrôle d’un promoteur thermo-sensible ainsi que le dépôt local de médicaments à l’aide de nanovéhicules sensibles à la température ou à la pression locale. L’imagerie de température par IRM, basée sur la technique du décalage de la fréquence de résonance du proton permet le monitorage des interventions d’hyperthermie. Les procèdes interventionnels guides par IRM sur cible mobile requièrent des séquences d’imagerie rapides afin d’obtenir des images de phases ayant une résolution spatio-temporelle élevée. Nous avons démontré l’efficacité de l’association des méthodes adaptatives d’imagerie parallèle telles que TSENSE et TGRAPPA et de la méthode multi-référence de l’atlas de mouvement afin de compenser les variations du champ magnétique induites par les organes en mouvement. Les procédés interventionnels guides par IRM sont basés sur des séquences d’imagerie rapides capables de fournir des images en temps-réel ayant une relation précise entre la position de la cible représentée dans l’image et sa vraie position spatiale. Les séquences écho-planar sont très rapides mais possèdent des distorsions géométriques. Nous avons proposé une méthode de correction des distorsions des images EPI. Cette technique est basée sur des approches existantes utilisant l’acquisition de deux images EPI ayant deux temps d’écho différents. L’efficacité de la méthode proposée a été démontrée pour une expérience de thermométrie par IRM. La rapidité du traitement des données, associée à une faible diminution de la rapidité d’acquisition, rend cette méthode particulièrement adaptée pour les procédés interventionnels guides par IRM. La perfusion sanguine, la diffusion thermique ainsi que le coefficient d’absorption des ondes acoustiques ou électromagnétiques déterminent la distribution de la température durant les procédés interventionnels. Certaines tumeurs ont des taux de perfusion élevés conduisant à une évacuation importante de la chaleur et par conséquent, un refroidissement rapide de la cible. Cet effet réduit la température maximale atteinte pour une puissance donne et peut conduire à des zones d’ablation plus petites réduisant ainsi l’efficacité de l’intervention. La connaissance précise des paramètres thermiques du tissu peut aider à la planification des procédés interventionnels. Dans ce but, nous avons proposé une méthode permettant la détermination précise des paramètres cités précédemment. / MR-guided HIFU-induced hyperthermia allows for thermal ablation of tumors, for gene therapy by thermal induction of transgenic expression (based on a thermo-sensitive promoter) and for local drug delivery using thermo-sensitive liposomes. These applications require accurate temperature measurement during the therapeutic intervention. Dynamic MR-temperature imaging based on the proton resonance frequency shift technique allows monitoring the local temperature evolution during hyperthermia. MR-guided thermotherapy on moving organs requires imaging sequences providing phase images with high temporal and spatial resolution. We demonstrated the feasibility of combining adaptive parallel imaging techniques such as TSENSE or TGRAPPA with the atlas-based multi-baseline method for compensating the magnetic field variations produced by moving organs during the respiratory cycle. Many MR-guided interventional procedures rely on real-time imaging sequences for providing precise relations between the target position in the image and the true position in the scanner. Although echo-planar imaging (EPI) sequences are very fast, they are prone to geometric distortions. For correcting these distortions, we proposed a real-time correction method by applying existing approaches based on a dual EPI acquisition with varying echo times. It is demonstrated that this method works well in combination with MR-thermometry for guiding thermal therapies. Short data-processing times as well as a small penalty in acquisition speed make this method well-adapted for MR-guided interventions. Local blood perfusion, thermal conductivity and the absorption coefficient of acoustic or electro-magnetic waves determine the temperature distribution in living tissue. Some tumors have high perfusion rates resulting in considerable heat evacuation. This effect reduces the maximal temperature increase achievable for a given deposited energy and produces smaller ablation zones, which can impair the efficiency of the therapeutic procedure. A method for accurately estimating the above mentioned tissue parameters, was presented. This method could thus be useful in quantifying the influence of perfusion during thermal interventions.

L’étude a pour objectif l’amélioration de la fiabilité des assemblages électroniques à travers la mise en œuvre de drains composites aluminium/fibres de carbone. Le travail a consisté à 1) modéliser, par la méthode des éléments finis, l’influence des propriétés thermiques et mécaniques du matériau de semelle sur l’assemblage életronique ; 2) élaborer (par frittage sous charge uniaxiale, frittage flash et extrusion à chaud) des matériaux composites aluminium/fibres de carbone ; et 3) lier les microstructures observées aux paramètres des procédés d’élaboration ainsi qu’aux propriétés thermiques et mécaniques mesurées. / This study has been done in order to improve power electronic devices reliability using aluminium/carbon fibres composites. This work has consisted in 1) determining, using finite elements method, the thermal and mechanical influence of the electronic base plate material; 2) elaborating (using hot pressing, spark plasma sintering and hot extrusion) aluminium/carbon fibres composites; and 3) linking the microstructures observed to the elaboration parameters and to the thermomechanical properties measured.

L'objectif de nos études est d’appliquer la technique de radiométrie photothermique modulée, technique non intrusive et applicable à distance, pour d’une part, mesurer l'épaisseur et la diffusivité thermique d'une plaque, et d’autre part, caractériser une couche sur un substrat. Un modèle thermique du chauffage 3D a été développé avec prise en compte de l’échange thermique par convection dans le cas d'une plaque, et de la résistance thermique de l'interface dans le cas d'une couche sur un substrat. Une analyse de sensibilité des paramètres sur le déphasage et des études multiparamétriques ont été réalisées à l'aide d'un code de calcul développé sous Matlab. Des formules simples ont ainsi été déterminées pour mesurer l'épaisseur et la diffusivité thermique d'une plaque ainsi que le rapport des effusivités thermiques dans le cas d'une couche sur un substrat. Les formules établies pour les plaques ont été validées expérimentalement sur des plaques d’épaisseur variant de 100μm à 500μm pour différents métaux : inox 304L, nickel, titane, tungstène, molybdène, zinc et fer. L’incertitude de ces déterminations est inférieure à 10% pour l'épaisseur et inférieure à 15% pour la diffusivité thermique. La technique a ensuite été appliquée à des gaines de Zircaloy-4, qui représentent une application très intéressante dans le domaine du nucléaire : les résultats montrent que la présence de la couche d'oxyde, d’épaisseur quelques μm, n'a que très peu d’influence sur les déterminations de l'épaisseur et de la diffusivité thermique du Zircaloy-4. Le comportement du déphasage à hautes fréquences (> 1 kHz) ouvre de plus de nouvelles perspectives, avec la possibilité d’étendre le domaine d’application de la méthode aux couches semi-transparentes et aux couches très minces (inférieures au μm). / Modulated photothermal radiometry, a remote non-intrusive technique, was used to measure the thickness and the thermal diffusivity of a metal plate and to characterize a layer on a substrate. A thermal model of 3D heating was developed with considering the thermal exchange by convection for a plate and the thermal resistance of the interface for a layer on a substrate. The sensibility analysis and the multi-parameter studies on the phase shift were performed by the code developed with the Matlab software. Simple formulas were obtained to determine the thickness and the thermal diffusivity of a plate and the ratio of the thermal effusivities for a layer on a substrate. The obtained formulas were experimentally validated for 100 μm - 500 μm plate thickness of various metals (stainless steel 304L, nickel, titanium, tungsten, molybdenum, zinc and iron). The uncertainty of the measurements was lower than 10 % for thickness and lower than 15 % for thermal diffusivity determination. The same technique was applied in the study on Zircaloy-4 cladding that may be of particular interest for the nuclear industry. It was found that the presence of the oxide layer of some μm thickness had practically no effect on the thickness and the thermal diffusivity measurements of Zircaloy-4 cladding. However, the observed effect of a phase shift on high frequency (> 1kHz) may open new perspectives and widen the field of the method application for semi-transparent layers and for very thin layers (of less than μm thickness).

Les caméras infrarouges modernes permettent d’accéder à la mesure de champs thermiques et de leur évolution temporelle. Le traitement d’images obtenues permet d’analyser la signature thermique d’objets mobiles ou de fluides en écoulement. Dans ce contexte nous avons fait l’étude de trois expériences différentes. La première consiste à suivre des billes mobiles et à évaluer leurs coefficients d’échanges thermiques avec l’environnement par l’estimation de temps caractéristiques. Dans le deuxième cas, nous faisons une comparaison entre deux fluides qui s’écoulent dans un microcanal, afin de déterminer les variations relatives des propriétés thermiques. La dernière application consiste à réaliser une cartographie de diffusivité thermique avec une source de chaleur mobile. / The modern infrared cameras allow the measurement of thermal fields and their temporal evolution. Infrared images processing is suitable to analyze the thermal signature of moving objects or fluid flows. In this context, we made the study of three different experiments. The first one is relative to infrared tracking of randomly moving balls and then estimate their thermal exchanges with the environment by the estimation of some characteristic time. In the second case we made a comparison between two fluids which flow inside a microchannel in order to determine the relative changes of thermal properties. The last application was to estimate a thermal diffusivity field with a mobile heat source.

La connaissance de la structure thermique interne de la Terre est essentielle pour mieux appréhender les phénomènes géologiques observables à la surface du globe. Cette structure thermique est déterminée par les échanges thermiques conductifs et convectifs au sein du manteau. Ces derniers sont essentiellement contrôlés par les propriétés de transport thermique des roches du manteau. Le travail de thèse propose une étude de ces propriétés par la détermination expérimentale de la diffusivité thermique à haute température et haute pression. Pour cela, des mesures de diffusivité thermique sur monocristaux et agrégats naturels d'olivine (roches) ont été conduites à l'aide de trois méthodes de mesures, dont l'une a été élaborée à Montpellier. Les mesures sur monocristaux montrent une forte anisotropie de la diffusivité thermique et une contribution significative du rayonnement au transport thermique à haute température. Les mesures sur des péridotites déformées naturellement montrent que l'orientation préférentielle des cristaux d'olivine conduit à une anisotropie significative (25%) de la diffusivité thermique, qui se conserve à haute température. La comparaison entre le comportement des monocristaux et des agrégats d'olivine suggère que la contribution des phonons à la diffusivité thermique n'est pas affectée par les joints de grain ou les imperfections de la roche et que bien que diminuée par l'effet des joints de grains, la contribution radiative demeure significative à l'échelle de la roche. La diffusivité thermique résultante dans les conditions du manteau est proche de 1.5 mm2.s-1, et elle est 50% plus élevée que celle déduite des études antérieures. La modélisation des géothermes dans divers contextes géodynamiques montre que des valeurs réalistes de la contribution des phonons, ajoutées à une contribution radiative significative et une anisotropie de la diffusivité thermique peuvent avoir un effet majeur sur la dynamique de la lithosphère et du manteau convectif.

La première partie est consacrée à un rappel théorique des propliétés thermiques des matériaux, à des notions sur les flux et transferts thermiques ainsi qu'à la définition du modèle étu* dié où les variations de température sont des ondes thermiques sinusoïdales et où les transferts se font uniquement par conduction. On étudie ensuite les facteurs influençant les échanges thermiques de ce modèle, et notamment la conductivité et la diffusivité. Dans la deuxième partie, après avoir examiné des exemples de données, on montre la nécessité de les traiter pour parvenir à l'extraction de certains paramètres du modèle choisi. Les outils de traitement sont l'analyse spectrale, globale et par fenêtre mobile, et le filtrage fréquentiel numérique. Quelques méthodes de calcul de la diffusivité, du flux thermique conductif et du stock de chaleur sont alors exposées ainsi que les conditions de leur validité, tant d'un point de vue théorique que lors d'applications numériques sur données réelles et synthétiques. Deux exemples d'application géotechnique sont présentés dans la troisième partie où l'on utilise la température du proche sous-sol. .. Le premier exemple concerne le problème de la fiabilité des données transmises par un câble enterré lors de variations temporelles de la température. Il apparaît alors nécessaire de connaÎtre la diffusivité thermique des terrains rencontrés. Celie-ci est calculée à partir d'enregistrements de température par les méthodes présentées dans la deuxième partie. La différence de comportement thermique entre les terrains est ainsi mise en évidence. ..Dans le deuxième exemple, on cherche à déceler des circulations d'eau dans le proche sous-sol par les anomalies qu'elles sont susceptibles d'y provoquer .