L'objectif principal de cette recherche était d'étudier la variation du taux d'accumulation de pollution sur les isolateurs en fonction de la vitesse du vent sous des conditions hivernales. En particulier, cette recherche visait à accroître la connaissance du processus d'accumulation de pollution sur les isolateurs de haute tension durant l'hiver. Comme il n'existait pas encore de méthodes préétablies pour simuler l'accumulation de pollution hivernale sur les isolateurs, la réalisation de cette étude a nécessité le développement de nouvelles méthodes de simulation. Parmi les trois (3) catégories de méthodes de simulation connues, les développements d'une méthode de simulation numérique par ordinateur et d'une méthode d'accumulation artificielle en laboratoire furent retenus. Le modèle développé pour la simulation numérique par ordinateur est une adaptation d'un modèle en 2D d'accumulation de glace sur un câble. En tenant compte de certaines restrictions, il a été démontré que cette adaptation constituait une bonne approche à la modélisation de l'accumulation de pollution sous des conditions hivernales. Ainsi, les simulations numériques réalisées en utilisant ce modèle ont permis de mettre en évidence la forte corrélation positive entre le taux journalier d'accumulation de pollution hivernale et la vitesse du vent. Les résultats des simulations numériques ont permis aussi de trouver que la relation entre ces deux (2) variables est régie par une loi de puissance selon l'expression ESDD = aVb, où a et b sont des paramètres dont les valeurs sont conditionnées par la forme de l'isolateur, la taille des particules de pollution et la quantité totale de particules en suspension dans l'air. Toutefois, la relation obtenue était différente de la fonction cubique, caractéristique de la pollution marine, compte tenu de la valeur de b trouvée. Et, à l'issue de la comparaison des résultats numériques avec ceux obtenus sur le terrain, il a été possible de valider partiellement le modèle numérique, en se limitant à des vitesses de vent qui n'excèdent pas 5 m/s associées à des particules de pollution de 20um de diamètre volumique médian (MVD) et de quantité totale de particules en suspension (TSP) égale à 30 ug/m3. Pour l'accumulation artificielle en laboratoire, le développement du modèle expérimental était basé sur l'adaptation de la méthode de contamination « Dry-Mixing ». La réalisation du montage a nécessité la conception spéciale d'un générateur de pollution, composé d'un générateur d'aérosol solide et d'un système de gicleurs, afin de produire un mélange sec externe de polluants solides (poudre de kaolin), et de gouttelettes surfondues de saumure atomisée. Un écoulement d'air, produit par un ventilateur à vitesses variables à l'intérieur d'un tunnel de vent réfrigéré à circuit fermé ou ouvert, transportait les particules de pollution ainsi formées et les déposait à la surface d'un isolateur de test sous tension ou non, lequel a été installé à une distance spécifique de la buse du générateur de pollution. Des essais de contamination ont pu être effectués par la suite dans la soufflerie réfrigérée ainsi qu'à l'intérieur de la chambre climatique de la CIGELE. Les expériences en absence de source de tension se sont déroulées à la fois dans la soufflerie réfrigérée et dans la chambre climatique. Quant aux expériences en présence de source de haute tension AC, celles-ci se sont déroulées exclusivement dans la chambre climatique. Les résultats expérimentaux obtenus nous ont permis d'étudier les effets du vent sur le taux d'accumulation de pollution sous des conditions hivernales ainsi que d'analyser l'influence de la haute tension AC sur le processus d'accumulation. Il a été trouvé que YESDD est aussi une fonction de puissance de la vitesse du vent selon l'expression ESDD = aVb, où a et b sont des paramètres dépendants des conditions expérimentales telles que la durée de l'accumulation, la température, la pression d'air du gicleur, le débit et la concentration de la saumure ainsi que de la tension appliquée. Cependant, la relation est loin d'être une fonction cubique avec les valeurs de b obtenues. Par ailleurs, il a été constaté que la pollution s'accumulait plus rapidement sur la surface supérieure du disque que sur la surface inférieure. Et en présence de la haute tension AC, l'effet de la force diélectrophorétique était seulement notable sur la surface supérieure du disque pour des vitesses de vent faibles contrairement sur la surface inférieure où son effet était plus considérable pour des vents de grande vélocité. En outre, en comparant les résultats expérimentaux aux résultats obtenus sur le terrain, il a été possible d'obtenir, dans ce sens, une validation du modèle de la chambre climatique en présence de haute tension AC, mais uniquement pour la surface supérieure. En somme, les trois (3) modèles de simulation développés dans la présente étude concordaient sur le fait qu'en présence de conditions hivernales, il y a un accroissement rapide du taux d'accumulation de pollution sur les isolateurs lorsque la vitesse du vent est élevée et que généralement, la variation de YESDD en fonction de la vitesse du vent suit une loi puissance autre que la loi cubique V3. - The main objective of this research was to study the variation in the accumulation rate of pollution on insulators according to the speed of the wind under the winter conditions. More specifically, this research aimed to further knowledge on the pollution accumulation process on high voltage energized insulators during the winter. In absence of pre-established methods to simulate the accumulation of winter pollution on the insulators, this study required the development of new methods of simulation. Among the three categories of known methods of simulation, numerical simulation and artificial accumulation in laboratory were selected. The developed numerical simulation model was adapted from a 2D model of ice accretion on a cable. Taking certain restrictions into account, it was shown that this constituted a good approach for modeling pollution accumulation under winter conditions. Thus, the numerical simulations carried out using this model made it possible to show the strong positive correlation between the daily accumulation rate of winter pollution and wind speed. Numerical simulation results also made it possible to find the relation between these two variables which is governed by a power law according to the expression ESDD = aVb, where a and b are parameters whose values are determined by insulator shape, pollution particle size and total suspended particles in the air. However, the resulting equation was not a cubic function, characteristic of marine pollution, considering the value obtained for b. Finally, by comparing the numerical results to the experimental ones, it was possible to partially validate the numerical model, being limited to wind speeds not exceeding 5 m/s together with pollution particle size of 20 um median volume diameter (MVD), and total suspended particles (TSP) equals to 30 ug/m3. As for the artificial accumulation in laboratory, the developed model was based on the adaptation of the "Dry-Mixing" contamination method. This required setting up a specially designed pollution generator, which was composed of a solid aerosol generator and a nozzle system, in order to produce an external dry mixture of solid pollutants (kaolin powder), and supercooled atomized brine droplets. The air flow, produced by a variable speed fan inside a closed- or an open-loop refrigerated wind tunnel, carried the generated pollution particles and deposited them on the energized or unenergized surface of a test insulator, installed at a specific distance from the pollution generator nozzle. Then, contamination simulations were carried out in the CIGELE refrigerated wind tunnel and in a climate chamber. Experiments without applied voltage were carried out both inside the refrigerated wind tunnel and the climate chamber, whereas those with high voltage source were carried out exclusively inside the climate chamber. The obtained experimental results made it possible to study the effects of wind on the accumulation rate of pollution under winter conditions and also to analyze the influence of AC high voltage on the accumulation process. It was found that ESDD is also related to the wind speed power function, ESDD = aVb, where a and b are parameters depending on experimental conditions such as accumulation duration, temperature, nozzle air pressure, brine flow rate and concentration, as well as applied voltage. However, this is far from being a cubic function according to the obtained values of b. In addition, it was found that pollution accumulated faster on the top surface of the sheds than on the bottom surface. Also under AC high voltage, the effect of the dielectrophoretic force was only notable on the top surface of the sheds at low wind speed contrary to the bottom surface where its effect was more considerable at high wind speed. Moreover, by comparing the experimental results to the ones obtained in the field, it was possible to validate the model used inside the climate chamber under AC high voltage, but only for the top surface. In brief, the three simulation models developed in this study have this in common that under winter conditions there is a rapid increase of the pollution accumulation rate on the insulators subject to high wind speed, and that the variation of ESDD as function of wind speed is a power law different from the cubic law V3.

De la centrale d'énergie jusqu'à la consommation de l'électricité résidentielle, commerciale et industrielle, il existe tout un réseau de transport constitué d'une variété de composantes. Parmi ces équipements, il y a le transformateur qui est l'équipement le plus onéreux. Les transformateurs de puissance sont des unités critiques sur les réseaux qui sont exposés à différentes contraintes tout au long de leur vie. Parmi ces phénomènes, il y a les contraintes électriques, thermiques et environnementales, qui réduiront la durée de vie des unités en service. Les investigations dans ce mémoire de maîtrise, visent à explorer les différents mécanismes de vieillissement thermique, électrique et chimique qui, par la suite, produisent en état de service, une variété de produits de décomposition (gaz, acides, cires et autres produits colloïdaux) qui attaquent (dégradent) les fibres de l'isolant solide (papier) à l'intérieur du transformateur. Les résultats sont analysés à la suite des différentes mesures effectuées sur différents huiles et fluides naturels et synthétiques dégradés selon des paramètres contrôlés en laboratoire à des fins de comparaison. Ces paramètres sont le vieillissement thermique dans un four à convection à température constante, la simulation d'un point chaud par courant constant, la stabilité sous contraintes électriques à tension fixe et pour terminer le vieillissement thermique en absence d'oxygène par inertage par l'azote. Ces différents fluides vieillis seront par la suite analysés via des techniques de mesure selon les standards imposés par les normes ASTM et via des techniques de mesure innovatrices qui détermineront l'état de la détérioration des fluides en question. Des techniques de mesure telles que la spectrophotométrie, la turbidité, la conductivité thermique, l'acidité, la tension interfaciale, la viscosité, le facteur de dissipation diélectrique ainsi qu'un traceur de radicaux libre ont été utilisés. L'absence d'oxygène réduit le processus de décomposition, il est montré que sans oxygène, le fluide générera moins de produits de décomposition. Il sera démontré que les radicaux libres des huiles minérales sont détectables par l'utilisation d'un traceur (DPPH), que les différents fluides à la suite des tests de stabilité ne se détériorent pas au même rythme et que les huiles minérales à la suite des tests thermiques produisent une quantité de gaz croissant tandis que les esters et les silicones produisent une quantité de gaz décroissant pour se stabiliser après quelques tests. On pourra voir que les produits de dégradation influencent la conductivité thermique de l'huile. En améliorant nos connaissances au sujet des mécanismes des processus de vieillissement et de détérioration des matériaux isolants, les opérateurs de système des réseaux électriques seront en meilleure position pour prendre des décisions appropriées permettant d'éviter des pannes majeures. - From the power plant to the residential, commercial and industrial, consumption of electricity, there is the power network consisting of a variety of components. Among these facilities, there are power transformers which are most expensive equipment. Power transformers which are critical units for networks are exposed to various stresses throughout their lives. Among these stresses, there are: electrical, thermal and environmental stresses, which will shorten the life of the units in service. The investigations performed in this master thesis aimed at exploring the different aging mechanisms: thermal, electrical and chemical that subsequently produce under service conditions, a variety of decomposition byproducts (gases, acids, waxes and other colloidal products). These products will attack (degrade) the fibers of the solid insulation (paper) inside the transformer. The investigations were performed on different oils, natural and synthetic fluids degraded under various conditions in laboratory conditions for comparison. These conditions consisted in thermal aging in an oven at constant temperature, simulation of a hot spot at constant current, the stability under electrical discharge and finally thermal ageing in an oven at constant temperature without oxygen. These different aged fluids were subsequently analyzed using ASTM standard measurement techniques and through innovative measurement techniques to assess the condition of fluids. Measurement techniques such as UV-vis spectrophotometry, the turbidity, thermal conductivity, acidity, interfacial tension, viscosity, dielectric dissipation factor and also a free radicals tracer have been used. The absence of oxygen slows down the process of decaying. It is shown that without oxygen the fluid will produce less decay product. It will be show that free radicals from mineral oils are attributable with a tracer (DPPH). It will be shown that different fluids under stability tests are not ageing at the same rate. It will be shown that the mineral oils produce an increasing quantity of gas from the thermal tests while esters and silicones produces a decreasing quantity of gas to reach a stability zone after few tests. It will be seeing that decay products influence the thermal conductivity of oil. By improving our knowledge about mechanisms of aging processes and deterioration of insulating materials, system operators will be in a better position to take appropriate decisions to avoid major outages.

Le dégivrage au moyen d'actuateurs piézoélectriques est considéré comme une avenue prometteuse pour le développement de systèmes à faible consommation d'énergie applicables aux hélicoptères légers. Ce type de système excite des fréquences de résonances d'une structure pour produire des déformations suffisantes pour rompre l'adhérence de la glace. Par contre, la conception de tel système demeure généralement mal comprise. Ce projet de maîtrise étudie l'utilisation de méthodes numériques pour assister la conception des systèmes de protection contre le givre à base d'éléments piézoélectriques. La méthodologie retenue pour ce projet a été de modéliser différentes structures simples et de simuler l'excitation harmonique des fréquences de résonance au moyen d'actuateurs piézoélectriques. Le calcul des fréquences de résonances ainsi que la simulation de leur excitation a ensuite été validée à l'aide de montages expérimentaux. La procédure a été réalisée pour une poutre en porte-à-faux et pour une plaque plane à l'aide du logiciel de calcul par éléments finis, Abaqus. De plus, le modèle de la plaque plane a été utilisé afin de réaliser une étude paramétrique portant sur le positionnement des actuateurs, l'effet de la rigidité ainsi que de l'épaisseur de la plaque. Finalement, la plaque plane a été dégivrée en chambre climatique. Des cas de dégivrage ont été simulés numériquement afin d'étudier la possibilité d'utiliser un critère basé sur la déformation pour prédire le succès du système. La validation expérimentale a confirmé la capacité du logiciel à calculer précisément à la fois les fréquences et les modes de résonance d'une structure et à simuler leur excitation par des actuateurs piézoélectriques. L'étude révèle que la définition de l'amortissement dans le modèle numérique est essentiel pour l'obtention de résultats précis. Les résultats de l'étude paramétrique ont démontré l'importance de minimiser l'épaisseur et la rigidité afin de réduire la valeur des fréquences de résonance et à maximiser l'amplitude des déplacements, ce qui contribue à réduire la puissance requise pour dégivrer la structure. De plus, l'étude révèle que le positionnement des actuateurs piézoélectriques est optimal aux endroits de déplacement maximal du mode de vibration excité. La plaque plane a été dégivrée expérimentalement en utilisant une densité de puissance moyenne de 0.77 W/in2. Les simulations numériques avec glace suggèrent que des déformations approchant 200 um/m étaient atteintes pour les cas expérimentaux où le dégivrage fut un succès. Ainsi, en ce basant sur un critère de déformation de l'interface glace/substrat suffisamment conservateur, le modèle numérique pourrait servir à approximer la puissance requise pour dégivrer une structure en fonction du nombre et du positionnement des actuateurs. Ce projet de recherche a atteint son objectif en démontrant que les systèmes de dégivrage piézoélectrique peuvent être efficacement modélisés. Les méthodes décrites dans ce travail peuvent être utilisées pour assister à la conception d'un système optimal pour des structures plus complexes.

La fabrication de l’aluminium est réalisée dans une cellule d’électrolyse, et cette opération utilise des anodes en carbone. L’évaluation de la qualité de ces anodes reste indispensable avant leur utilisation. La présence des fissures dans les anodes provoque une perturbation du procédé l’électrolyse et une diminution de sa performance. Ce projet a été entrepris pour déterminer l’impact des différents paramètres de procédés de fabrication des anodes sur la fissuration des anodes denses. Ces paramètres incluent ceux de la fabrication des anodes crues, des propriétés des matières premières et de la cuisson. Une recherche bibliographique a été effectuée sur tous les aspects de la fissuration des anodes en carbone pour compiler les travaux antérieurs. Une méthodologie détaillée a été mise au point pour faciliter le déroulement des travaux et atteindre les objectifs visés. La majorité de ce document est réservée pour la discussion des résultats obtenus au laboratoire de l’UQAC et au niveau industriel. Concernant les études réalisées à l’UQAC, une partie des travaux expérimentaux est réservée à la recherche des différents mécanismes de fissuration dans les anodes denses utilisées dans l’industrie d’aluminium. L’approche était d’abord basée sur la caractérisation qualitative du mécanisme de la fissuration en surface et en profondeur. Puis, une caractérisation quantitative a été réalisée pour la détermination de la distribution de la largeur de la fissure sur toute sa longueur, ainsi que le pourcentage de sa surface par rapport à la surface totale de l’échantillon. Cette étude a été réalisée par le biais de la technique d’analyse d’image utilisée pour caractériser la fissuration d’un échantillon d’anode cuite. L’analyse surfacique et en profondeur de cet échantillon a permis de voir clairement la formation des fissures sur une grande partie de la surface analysée. L’autre partie des travaux est basée sur la caractérisation des défauts dans des échantillons d’anodes crues fabriquées industriellement. Cette technique a consisté à déterminer le profil des différentes propriétés physiques. En effet, la méthode basée sur la mesure de la distribution de la résistivité électrique sur la totalité de l’échantillon est la technique qui a été utilisée pour localiser la fissuration et les macro-pores. La microscopie optique et l’analyse d’image ont, quant à elles, permis de caractériser les zones fissurées tout en déterminant la structure des échantillons analysés à l’échelle microscopique. D’autres tests ont été menés, et ils ont consisté à étudier des échantillons cylindriques d’anodes de 50 mm de diamètre et de 130 mm de longueur. Ces derniers ont été cuits dans un four à UQAC à différents taux de chauffage dans le but de pouvoir déterminer l’influence des paramètres de cuisson sur la formation de la fissuration dans ce genre de carottes. La caractérisation des échantillons d’anodes cuites a été faite à l’aide de la microscopie électronique à balayage et de l’ultrason. La dernière partie des travaux réalisés à l’UQAC contient une étude sur la caractérisation des anodes fabriquées au laboratoire sous différentes conditions d’opération. L’évolution de la qualité de ces anodes a été faite par l’utilisation de plusieurs techniques. L’évolution de la température de refroidissement des anodes crues de laboratoire a été mesurée; et un modèle mathématique a été développé et validé avec les données expérimentales. Cela a pour objectif d’estimer la vitesse de refroidissement ainsi que le stress thermique. Toutes les anodes fabriquées ont été caractérisées avant la cuisson par la détermination de certaines propriétés physiques (résistivité électrique, densité apparente, densité optique et pourcentage de défauts). La tomographie et la distribution de la résistivité électrique, qui sont des techniques non destructives, ont été employées pour évaluer les défauts internes des anodes. Pendant la cuisson des anodes de laboratoire, l’évolution de la résistivité électrique a été suivie et l’étape de dévolatilisation a été identifiée. Certaines anodes ont été cuites à différents taux de chauffage (bas, moyen, élevé et un autre combiné) dans l’objectif de trouver les meilleures conditions de cuisson en vue de minimiser la fissuration. D’autres anodes ont été cuites à différents niveaux de cuisson, cela dans le but d’identifier à quelle étape de l’opération de cuisson la fissuration commence à se développer. Après la cuisson, les anodes ont été récupérées pour, à nouveau, faire leur caractérisation par les mêmes techniques utilisées précédemment. L’objectif principal de cette partie était de révéler l’impact de différents paramètres sur le problème de fissuration, qui sont répartis sur toute la chaîne de production des anodes. Le pourcentage de mégots, la quantité de brai et la distribution des particules sont des facteurs importants à considérer pour étudier l’effet de la matière première sur le problème de la fissuration. Concernant l’effet des paramètres du procédé de fabrication sur le même problème, le temps de vibration, la pression de compaction et le procédé de refroidissement ont été à la base de cette étude. Finalement, l’influence de la phase de cuisson sur l’apparition de la fissuration a été prise en considération par l’intermédiaire du taux de chauffage et du niveau de cuisson. Les travaux réalisés au niveau industriel ont été faits lors d’une campagne de mesure dans le but d’évaluer la qualité des anodes de carbone en général et l’investigation du problème de fissuration en particulier. Ensuite, il s’agissait de révéler les effets de différents paramètres sur le problème de la fissuration. Vingt-quatre anodes cuites ont été utilisées. Elles ont été fabriquées avec différentes matières premières (brai, coke, mégots) et sous diverses conditions (pression, temps de vibration). Le paramètre de la densité de fissuration a été calculé en se basant sur l’inspection visuelle de la fissuration des carottes. Cela permet de classifier les différentes fissurations en plusieurs catégories en se basant sur certains critères tels que le type de fissures (horizontale, verticale et inclinée), leurs localisations longitudinales (bas, milieu et haut de l’anode) et transversales (gauche, centrale et droite). Les effets de la matière première, les paramètres de fabrication des anodes crues ainsi que les conditions de cuisson sur la fissuration ont été étudiés. La fissuration des anodes denses en carbones cause un sérieux problème pour l’industrie d’aluminium primaire. La réalisation de ce projet a permis la révélation de différents mécanismes de fissuration, la classification de fissuration par plusieurs critères (position, types localisation) et l'évaluation de l'impact de différents paramètres sur la fissuration. Les études effectuées dans le domaine de cuisson ont donné la possibilité d’améliorer l’opération et réduire la fissuration des anodes. Le travail consiste aussi à identifier des techniques capables d’évaluer la qualité d’anodes (l’ultrason, la tomographie et la distribution de la résistivité électrique). La fissuration des anodes en carbone est considérée comme un problème complexe, car son apparition dépend de plusieurs paramètres repartis sur toute la chaine de production. Dans ce projet, plusieurs nouvelles études ont été réalisées, et elles permettent de donner de l’originalité aux travaux de recherches faits dans le domaine de la fissuration des anodes de carbone pour l’industrie de l’aluminium primaire. Les études réalisées dans ce projet permettent d’ajouter d’un côté, une valeur scientifique pour mieux comprendre le problème de fissuration des anodes et d’un autre côté, d’essayer de proposer des méthodes qui peuvent réduire ce problème à l’échelle industrielle. Aluminum is produced in an electrolysis cell using carbon anodes. To have good quality anodes is essential for this process. The presence of cracks in anodes causes perturbations during the electrolysis, and consequently, reduces its performance. This project was undertaken to determine the impact of different parameters of anode production on the formation of cracks in dense anodes. These parameters include the properties of raw materials and the operating parameters of the green anode production process as well as the baking process. A literature search was carried out on all aspects of the carbon anode cracking in order to determine what has been done on this subject. A detailed methodology has been developed to achieve the objectives of this study. This thesis covers the experimental work carried out both at the UQAC anode production laboratory and at the anode plant. One part of the experimental work at UQAC was focused on the study of the cracks developed in baked anode samples. The objective of this part was to determine different mechanisms of crack formation in dense anodes used in the aluminum industry. The approach used was based on qualitative characterization of cracking mechanism on the surface and inside the anode. Then, a quantitative characterization work was carried out by determining the distribution of the crack width along its length and the percentage of cracked surface with respect to the total surface of the sample. This study was carried out using the image analysis technique. The analysis made the observation of cracks possible on the anode surface analyzed. Another part of the work was on the characterization of defects in industrial green anodes by determining the profiles of different physical properties. This was done by measuring the distribution of electrical resistivity on the entire anode sample to find the positions of cracks and macro-pores in these samples. Then, the optical microscopy and the image analysis were used to characterize the cracked zones and to study the structure of the anode samples at microscopic scale. Also, cylindrical industrial anode samples of 50 mm diameter and 130 mm length were baked in the UQAC laboratory using different heating rates in order to determine the influence of baking parameters on the formation of cracks. Then, these samples were characterized using the scanning electron microscopy and the ultrasound techniques. The last part of the work done at UQAC consisted of the characterization of anodes produced in the laboratory under different conditions. The variation in the quality of these anodes was studied via several techniques. The variation of temperature during the cooling of green anodes was studied both experimentally and numerically. A mathematical model was developed and validated. The objective of this analysis was to estimate the rate of cooling and the thermal stress. All the green anodes were characterized by determining their different physical properties (electrical resistivity, apparent density, optical density, and percentage of defects). The evolution of the electrical resistivity was monitored during baking. It was possible to identify the period and the temperature of devolatilization. A number of anodes were baked at different heating rates (low, medium, high, and combined) with the aim of finding the best baking conditions to minimize cracking. Other anodes were baked to different levels by stopping the baking at different intermediate temperatures. The period during which the cracks begin to develop was identified. After baking, the anodes were characterized using the same techniques described above. The main aim of this part was to determine the impact of operational parameters of different anode production steps on the crack formation and propagation. The percentage of butts, the amount of pitch used, and the coke particle distribution are the factors studied in order to understand the effect of raw material on the problem of cracking. The vibration time, the pressure of compaction, and the green anode cooling were also studied to investigate the effect of operational parameters of the green anode production process on crack formation. Finally, the effects of the heating rate used during baking and the final baking temperature on cracking were studied. Part of the project was carried out at the anode plant. An industrial measurement campaign was carried out with the aim of assessing the quality of carbon anodes in general by the Chair. For this study, these anodes were examined with the objective of identifying the effects of different parameters on anode cracking. Twenty-four baked anodes were used. They were manufactured using different raw materials (pitch, coke, butts) and under various conditions (compaction pressure, vibration time). Crack density (number of cracks per unit surface) was calculated based on the visual inspection of cracked anode cores. Cracks were grouped in several categories based on certain criteria such as the type of cracks (horizontal, vertical, and inclined) and their position (bottom, middle, and top of the anode as well as left, center, and right side of the anode). The effects of raw materials, the operating parameters of green anode production as well as baking on cracking were studied. Cracking of dense carbon anodes is a serious problem for the primary aluminum industry. During this study, different mechanisms of cracking and the effect of various operational parameters on cracking were studied. The cracks were classified according to several criteria (position, type). The results could be used to reduce the anode cracking and consequently to improve the operation. The work also involves identifying the techniques for assessing the quality of anodes (ultrasound, computed tomography, and distribution of electrical resistivity). Cracking of carbon anodes is a complex problem because the crack formation depends on several parameters which cover the entire production chain. In this project, many new studies carried out, and this gives originality to the work done on the subject of carbon anode cracking of primary aluminum industry. It contributes to science by providing a better understanding of the anode cracking problem. In addition, it also proposes solutions for reducing the cracks in industrial anodes, which will likely help reduce the number of rejected anodes.

Superhydrophobic thin films based on metal substrateshas attracted great attention due to a wide range of applications in the industry including anti-corrosion, anti-icing and self-cleaning surfaces. Recently, numerous methods have been reported to prepare superhydrophobic thin films but most of them will be destroyed or degrade quickly when applied outdoor or in harsh environments. Therefore, it is extremely important to develop durable superhydrophobic thin films, especially considering the properties of corrosion resistance, Ultra-Violet (UV) durabilityand mechanical durability. In this project, superhydrophobic cobalt stearate thin films with excellent anti-corrosion properties were successfully fabricated on aluminum substrates via a simple, electrodeposition process. The correlation between the surface morphology, composition as well as wetting properties and the molar ratio of inorganic cobalt salt/organic stearic acid in the electrolyte were studied carefully.The optimum superhydrophobic surface formed on the cathodic aluminum substrate was found to have a maximum contact angle of 161o and the largest polarization resistance of 1591 kΩ cm2, indicating an excellent barrier against chemical corrosion. Electrical equivalent circuits have been suggested to better understand the corrosion principals on the interface based on the data from the corresponding electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In the aspect of UV durable superhydrophobic thin films, the electrodeposited superhydrophobic cobalt stearate thin films as mentioned above were found to be UV durable as the roll-off properties sustain in the period of two months’ accelerated UV degradation test. Furthermore, inspired from this finding, another novel superhydrophobic nanocomposite thin films have been successfully fabricated on aluminum substrates by embedding cobalt stearate (CoSA)-covered TiO2 nanoparticles in a hydrophobic polymethyl-hydrosiloxane (PMHS) matrix (PMHS/TiO2@CoSA) utilizing the sol-gel process. Compared to sharp decreases of water contact angle on the superhydrophobic PMHS/TiO2 thin films (without CoSA), the PMHS/TiO2@CoSA superhydrophobic thin films exhibited a nearly constant water contact angle of 160o under continuous UV irradiation for more than one month. The designed scheme of TiO2@CoSA core-shell structure not only increases the hydrophobic properties TiO2 nanoparticles surface,but also confined the photocatalytic efficiency of TiO2 nanoparticles. A plausible model has been suggested to explain the UV durable mechanism. In addition, to improve the adhesion strength of superhydrophobic nanocomposite PMHS/TiO2@CoSA thin films, the thin self-assembled monolayers (SAM) of GPTS were deposited on the surface of aluminum substrates. The presence of SAM was confirmed by ATR-FTIR, EDX as well as EIS studies. The adhesion strength was expected to be improved by the formation of chemical bondings due to the presence of SAM. But both of the results were found to be 2B between the substrates of as-received aluminum and SAM modified aluminum following the (ASTM) D 3359-02 adhesion test. However, a few improvements on adhesion strength could be detected by comparing the surfaces on as-received aluminum and SAM modified aluminum substrates after the removal of adhesive tape. It is believed that this project will contribute to a better understanding of superhydrophobic phenomena as well as realizing the application of superhydrophobic surfaces in the industrial world. Les couches minces superhydrophobes déposées sur des substrats métalliques ont suscité beaucoup d’attention vu leurs nombreuses applications industrielles comme les revêtements anticorrosifs et antigivrants ainsi que les surfaces autonettoyantes. Ces derniers temps, de nombreuses méthodes d’élaboration de couches minces ont été proposées. Cependant, la plupart des couches obtenues se détruisent ou se dégradent assez rapidement lorsqu’elles sont utilisées à l’extérieur ou exposées à des conditions sévères. Par conséquent, il est très important de développer des couches minces superhydrophobes résistantes ayant de bonnes propriétés anticorrosion et anti ultraviolet ainsi qu’une bonne résistance mécanique. Dans ce projet, des couches minces superhydrophobes de stéarate de cobalt, ayant de très bonnes propriétés anticorrosion, ont été élaborées avec succès par électrodéposition sur un substrat d’aluminium. Ensuite, les corrélations entre les propriétés de la surface (morphologie, composition et mouillabilité) et le rapport molaire sel de cobalt inorganique/acide stéarique organique dans l’électrolyte ont été étudiées minutieusement. Il a été observé que la surface superhydrophobe optimale, formée sur un substrat d’aluminium cathodique, possède l’angle de contact maximal de 161° et la résistance de polarisation la plus élevée de 1591kΩ cm2, offrant ainsi une excellente barrière contre la corrosion. Afin de mieux comprendre les principes de la corrosion à l’interface, un circuit électrique équivalent a été proposé en se basant sur les données obtenues par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS). Par ailleurs, il a été observé que le dépôt électrolytique superhydrophobe de stéarate de cobalt possède une bonne résistance aux rayonnements ultraviolets (UV). En effet, après un test de dégradation accélérée par UV de deux mois, les propriétés hydrophobes des couches minces ne se sont pas altérées. En se basant sur ces résultats, d’autres couches minces innovantes, faites à partir dépôts nanocomposites superhydrophobes, ont été fabriquées avec succès sur des substrats d’aluminium. Pour cela, des nanoparticules de TiO2 revêtues de stéarate de cobalt (CoSA) ont été incorporées dans une matrice de polyméthyle-hydrosiloxane (PMHS) superhydrophobe (PMHS/TiO2@CoSA) en utilisant le procédé sol-gel. Alors que les couches minces superhydrophobes de PMHS/TiO2 (sans CoSA) montrent une diminution rapide de l’angle de contact avec l’eau après irradiation continue par rayonnement UV pendant plus d’un mois, les couches de PMHS/TiO2@CoSA conservent un angle quasi-constant de 160°. La structure en noyau-enveloppe de TiO2@CoSA permet non seulement d’augmenter les propriétés hydrophobiques de la surface des nanoparticules TiO2, mais aussi de limiter leur activité photocatalytique. Un modèle plausible a été proposé pour expliquer les mécanismes de résistance aux UV. En outre, afin d’améliorer l’adhérence des couches minces nanocomposites superhydrophobes PMHS/TiO2@CoSA, des monocouches auto-assemblées (SAM) de GPTS ont été déposées sur des substrats d’aluminium. La présence des SAM a ensuite été confirmée par des analyses ATR-FTIR, EDX ainsi que EIS. Il a été espéré que les SAM améliorent l’adhérence au substrat par la formation de liaisons chimiques. Cependant, Les tests sur des substrats non-traités et des substrats traités par SAM montrent, dans les deux cas, une adhérence de type 2B selon la norme ASTM D 3359-02. Néanmoins, une légère amélioration peut être observée en comparant les surfaces non traitées à celle traitées par SAM après l’enlèvement du ruban adhésif. Ce projet contribuera à une meilleure compréhension des phénomènes superhydrophobiques ainsi qu’à la réalisation des applications des surfaces superhydrophobes dans le monde industriel.

Les tannins sont des produits issus de la chimie végétale qui possèdent une bonne réactivité et qui peuvent remplacer des produits similaires dérivés du pétrole. C’est le cas des tannins condensés qui présentent des caractéristiques de réactivité proches de celles du phénol. Utilisées depuis plusieurs années dans des colles pour les produits à base de bois, les résines de tannin n’ont pas fait l’objet de recherches approfondies pour la fabrication de matériaux composites. Le travail présenté ici est axé sur trois projets visant à développer des matériaux composites de hautes performances en utilisant à la fois des résines à base de tannins condensés et des renforts de fibres végétales. 1. Le premier projet a pour but de développer un composite thermodurcissable à base de la résine tannin/hexamine déjà employée comme colle pour panneaux de particules. Une étude avait démontré la faisabilité du principe mais de nombreux problèmes pratiques restaient à résoudre pour obtenir un processus de fabrication fiable et compétitif. 2. Le but du deuxième projet est l’étude et le développement de composites dont la matrice est constituée d’un copolymère de tannins et d’alcool furfurylique. Les propriétés des résines furaniques et la possibilité de les faire réagir avec des composés phénoliques en font des candidates potentielles à la fabrication de composites de haute performances. 3. Le dernier projet vise à produire des tannins acétylés en suivant les méthodes utilisées pour la lignine, à vérifier s’ils présentent le même caractère thermoplastique et le cas échéant à les tester pour la fabrication de matériaux composites. / Tannins are plant chemicals that show a good reactivity and so they can replace similar products from oil chemistry. This is the case for condensed tannins that have reactivity mechanism similar to that of the phenol. They have been used for several years in wood glues, but no in depth study have been carried out on their potential in composite manufacturing. The work presented here can be split into three projects aiming at the development of composite materials of high performances using both tannin based resins and natural fibers reinforcement. 1. The first project aims to develop a thermosetting composite based on the same tannin/hexamine resin already as glue for particleboards. A previous study shown that it was feasible but numerous problems needed to be solved in order to obtain a reliable and competitive manufacturing process. 2. The goal of the second project is the study and the development of composites which matrix is based on a copolymer of tannin and furfuryl alcohol. Furanic resins show good properties and their capability to react with phenolic compounds makes them potential candidates for the manufacturing of high performances composites. 3. The last project’s objective is the production of acetylated tannins by using similar methods than that used for lignin, to check if they present the same thermoplastic behavior and if yes, to test them in composite manufacturing.

Ce travail de thèse a pour objectif de déterminer le comportement de structures composites contenant une phase en alliage à mémoire de forme (AMF). Un modèle macroscopique, basé sur la thermodynamique des processus irréversibles, est développé afin de déterminer le comportement de l'alliage a mémoire de forme. Ce modèle prend en compte certains des comportements clés des alliages à mémoire de forme en Nickel-titane, comme la dissymétrie traction-compression, les chargements partiels et le comportement de la martensite autoaccommodée. Une comparaison avec une base de donnée expérimentale montre une bonne capacité de prédiction du modèle, et ouvre une discussion sur des phénomènes supplémentaires à prendre en compte. A l'aide d'outils de simulation numérique, et notamment la méthode des éléments finis, ce modèle est appliqué à la détermination du comportement de matériaux composites. Deux problématiques sont considérées, la première étant l'étude du comportement d'une structure composite formée d'une matrice en élastomère et renforcée par des fibres ondulées en alliage à mémoire de forme. La deuxième problématique concerne l'étude de l'impact des phénomènes de précipitation (Ni4Ti3) dans les alliages de Nickel-Titane, sur le comportement macroscopique du matériau. Pour ce dernier cas, une cellule élémentaire de référence est définie, et le comportement macroscopique du matériau est estimé en considérant une variation des propretés de la matrice en AMF en fonction de sa composition chimique. Dans les deux cas, la modélisation apporte des informations intéressantes sur les champs de déformation et de contrainte et sur le comportement global / The purpose of the dissertation work is to determine the thermomechanical behavior of shape memory alloys (SMAs) based composites structures. A macroscopic model, developed in the framework of thermodynamics of irreversible process, is developed in order to model the behavior of the SMA phase. This model deals with several key features of SMAs behavior, like tension-compression asymmetry, partial cycles and the behavior of the formed self-accommodated martensite. A comparison with several experimental database show a good prediction capability of the model, and opens a discussion on additional features to take into account using finite element analysis, the behavior of SMA-based composite material is computed. This methodology is applied for two cases ; the first one is the study of an elastomeric ribbon reinforced with snake-like shape SMA fibers. The second case considers the impact of precipitation (Ni4Ti3) on the macroscopic behavior in Ni-rich NiTi SMAs. A reference unit cell is defined, and the macroscopic behavior is estimated considering a variation of material properties throughout the cell as a function of the chemical composition. In both cases, the model provides interesting information on stress and stra fields, as well as on the global behavior

L'obtention de manière contrôlée de matériaux chalcogénures nanostructurés et possédant une surface spécifique importante ou fonctionnalisée est un défi très intéressant. En alliant une surface spécifique élevée à la polarisabilité des surfaces chalcogénures ou en élaborant des matériaux fonctionnalisés, on peut espérer une percée dans de nombreux domaines comme la catalyse, la séparation gazeuse, l'électrochimie, le photovoltaïque ou l'optique... L'objectif de cette thèse était de développer des voies de synthèse du disulfure de germanium (GeS2) par chimie douce à température et pression ambiantes. Pour cela, nous avons utilisé deux agents sulfurants, le sulfure de dihydrogène (H2S) et le thioacétamide que nous avons fait réagir avec du tétraéthoxyde de germanium en présence d'un solvant. Les synthèses ont été réalisées en l'absence ou en présence d'un structurant, le plus souvent un liquide ionique (LI). Les synthèses sans structurant ont permis l'obtention de nanoparticules de GeS2 amorphes ou nano-organisées de 20 à 35 nm de diamètre et de surface spécifique intéressante (320 m2.g-1 avec H2S, 270 m2.g-1 avec le thioacétamide). Les synthèses réalisées en présence de LI conduisent à des matériaux hybrides contenant GeS2 et le cation du LI utilisé, de formule générale 0.2GeS2-0.8 cation organique. Les particules obtenues de taille micrométrique et présentant de très faibles surfaces spécifiques ont une morphologie qui dépend de la nature du cation organique impliqué dans la synthèse (sphères ou roses des sables). Des mesures XPS montrent la présence de liaisons Ge-S- au sein de l'hybride. L'utilisation de lithium de bis(trifluorométhanesulfonyl)imide nous a conduit à synthétiser un matériau GeS2-Li dont la conductivité de ~10-10 S.cm-1 est celle d'un sel ionique. En l'absence de solvant et en faisant jouer au LI le rôle de solvant et de structurant, nous avons pu préparer le premier iono-chalcogel qui, après optimisation, pourrait conduire à un matériau poreux. Par ailleurs, l'utilisation d'un structurant non ionique, l'hexadecylamine (HDA), au-delà de sa concentration micellaire critique, a conduit à l'obtention d'un matériau hybride nanométrique (environ 15 nm) qui possède non seulement une surface spécifique intéressante (130 m2.g-1) mais surtout une porosité intra-granulaire. En résumé, ce premier travail exploratoire nous a permis d'obtenir, selon le procédé de chimie douce choisi, du disulfure de germanium sous forme soit de nanoparticules aux surfaces spécifiques intéressantes, soit de particules présentant une certaine porosité intragranulaire, soit de matériaux hybrides où un cation organique interagit avec GeS2. / The controlled elaboration of nanostructured chalcogenides with high specific area or functionalized surface is an interesting challenge. Breakthrough in various domains such as catalysis, gas separation, electrochemistry, photovoltaics or optics can be achieved by the production of chalcogenide materials with functionalized surface or high specific area coupled with high polarisability.The aim of the thesis was to develop new soft chemistry routes for the synthesis of germanium disulfide at room temperature and pressure. Two sulfur precursors, i.e. hydrogen sulfide (H2S) and thioacetamide, and a germanium precursor, the tetraethoxigermanium were used for the syntheses. The syntheses were carried out either in the presence or in the absence of a template, in most case an ionic liquid (IL).Syntheses without templating agent led to amorphous or nano-organized GeS2 nanoparticles of 20 to 35 nm in diameter and interesting specific areas (320 m2.g-1 with H2S, 270 m2.g-1 with thioacetamide). Hybrid materials comprising GeS2 and LI cation with a general formula 0.2GeS2-0.8 organic cation were obtained in the presence of IL. The obtained particles of nanometric sizes and with hardly any specific area have a morphology that depends on the nature of the organic cation present during the synthesis, i .e. spheres or gypsum rosette-like particles. XPS measurements indicate the presence of Ge-S- bonds in the hybrid material. The use of lithium de bis(trifluorométhanesulfonyl)imide led to the elaboration of a GeS2-Li material which conductivity of ~10-10 S.cm-1 is that of an ionic salt.A first iono-chalcogel which could lead after optimization to a porous chalcogenide has been elaborated when using the IL as both the solvent and the templating agent and in the absence of any other solvent. The use of hexadecilamine (HDA) above its critical micellar concentration, led to hybrid nanoparticles of 15 nm in size with interesting specific area (130 m2.g-1) but also intra-granular porosity.In conclusion, this exploratory work led to the elaboration of GeS2 either as naoparticles with high specific area or particles with intragranular porosity or finally hybrid materials with GeS2 interacting with an organic cation, the final product depending upon the chosen soft chemistry route.Keywords: chalcogenide, ionic liquid, organic-inorganic hybrid, morphology, soft chemistry

Dans le domaine du photovoltaïque, les cellules hybrides organiques sont une des voies les plus prometteuses, notamment grâce aux propriétés de collection de lumière des molécules de type chromophore. Les nanotubes de carbone, quant à eux, sont des nano-objets quasi unidimensionnels qui présentent des propriétés de transport exceptionnelles. La réalisation d’un couplage important entre une molécule collectrice de lumière et un nanotube de carbone représente donc une voie importante à explorer. Ce travail de recherche est consacré à l’étude du transfert d’énergie dans les composés nanotubes de carbone/chromophore. Une nouvelle méthode de fonctionnalisation non covalente des nanotubes de carbone est présentée. Basée sur une suspension micellaire de nanotubes, cette méthode permet d’obtenir un fort taux de fonctionnalisation tout en préservant les propriétés intrinsèques des nanotubes. Le transfert d’énergie est mis en évidence sur les composés nanotube/porphyrine par des mesures d’excitation de la photoluminescence sur ensemble de nanotubes ainsi que sur objets uniques. L’évaluation du rendement quantique de transfert par trois méthodes indépendantes montre un couplage de l’ordre de 100% entre la molécule et le nanotube- et ce malgré la faiblesse des interactions entre orbitales «Pi» mises en jeu dans la fonctionnalisation non covalente. Le dernier volet de ce travail est consacré à des mesures d’anisotropie à l’échelle de l’objet unique permettant d’obtenir des informations quant à l’arrangement des molécules à la surface des nanotubes. / In the field of photovoltaic, hybrid organic solar cells are one of the most promising ways, especially due to the light collection properties of chromophore molecules. On the other hand, carbon nanotubes are quasi one-dimensional nano-objects showing exceptional transport properties. The achievement of a significant coupling between a light harvesting molecule and a carbon nanotube is an important route to explore. This research is dedicated to the study of energy transfer in carbon nanotube/chromophore compounds. A new method of non-covalent functionalization of carbon nanotubes is presented. Based on a micellar suspension of nanotubes, this method provides a high degree of functionalization while preserving the intrinsic properties of nanotubes. The energy transfer is shown in nanotube/porphyrin compounds by photoluminescence excitation spectroscopy on ensembles as well as at the single molecule scale. The evaluation of the quantum efficiency of the transfer by three independent methods shows a coupling of the order of 100% between the molecule and the nanotube, despite the weak interactions between “Pi” orbitals involved in the non-covalent functionalization. The final part of this work is dedicated to anisotropy measurements on single compounds to gain information on molecular arrangement on the surface of nanotubes.

Nous présentons, ici, l'adaptation d'un procédé technologique de dépôt de par jet de matière, communément appelé jet d'encre, pour la réalisation de profil de phase sur un verre pixellisé. L'étude des phénomènes complexes, mis en jeu dans le procédé jet d'encre, nous a permis d'identifier et de comprendre les interactions fortes entre les propriétés physico-chimiques des liquides fonctionnels et les contraintes technologiques des têtes d'impression. Ainsi, le contrôle des paramètres d'impression nous a permis d'optimiser la formation des gouttes éjectées. Dans un second temps, l'étude des problématiques de remplissage des microstructures pixellisées a été abordée. Différentes stratégies d'impression ont été proposées pour limiter l'impact des défauts d'impression rencontrés. Un procédé informatique de tramage a ensuite été développé, pour définir un profil de phase et gérer spatialement la volumétrie des dépôts. Les étapes de scellement et de planarisation des films microstructurés remplis ont également été abordées ainsi que les difficultés liées à leur mise en oeuvre. Enfin, un exemple de réalisation d'une lentille de Fresnel plane par procédé jet d'encre et sa caractérisation optique ont été détaillées, montrant ainsi le travail de développement réalisé lors de la thèse. / The adaptation of a technological material deposition process, named inkjet printing, is presented, here, in order to realize refractive index profiles for the pixellisation of corrective lenses. The study of the complex phenomena, involved in inkjet process, has enabled us to identify and understand the strong interactions between the physico-chemical properties of functional liquids and the technological constraints of printheads. This work allowed us to control printing parameters and optimize the drop formation process. Secondly, the study of problems related to the filling of microstructures has been approached. Various printing strategies have been proposed to limit the impact of printing errors encountered and a software has been developed for the project, allowing to define a refractive index profile and manage spatially the ejected volumes. Then, the sealing and the "planarization" processes of the filled microstructured films have been illustrated and the difficulties connected to their implementation were detailed. Finally, an example of optical microdevice was presented. Thus, the realization by inkjet printing process and the optical characterization of a flat Fresnel lens were detailed to illustrate the development realized during these works.