L'intégration sur puce d'opérations successives d'un protocole plus ou moins complexe d'analyse biologique ou chimique et mettant en jeu la circulation de petits volumes d'échantillons et de réactifs dans des canalisations de taille micrométrique constitue le coeur des technologies microfluidiques. Les technologies de réalisation de micro canalisations sont aujourd'hui bien maîtrisées. Cependant, la manipulation des fluides et l'intégration technologique des éléments de contrôle comme les valves, les actionneurs, les mélangeurs dans les micro canalisations posent des problèmes essentiellement liés aux très faibles dimensionnalités. Des solutions originales et pratiques pour manipuler des volumes très faibles (entre 1nl et 10nl) doivent être développées pour déplacer, mélanger ou séparer ces liquides. Dans ce cadre, nous avons proposé un projet de recherche ANR Blanc (PYRACT) animé par le LAAS et associant des équipes de recherche des laboratoires LCC et IRMCP. Les travaux de thèse s'insérant dans le cadre du projet PYRACT, ont porté sur la conception, la simulation et la réalisation d'un micro actionneur à base de matériau énergétique pour la manipulation de faibles quantités de fluides (10-100nl). L'actionneur, tel que nous l'avons conçu, consiste en une plate-forme chauffante sur laquelle sont déposés en couche très mince un matériau énergétique et une membrane élastique permettant de faire l'étanchéité entre le gaz d'actionnement et le fluide. Le principe de fonctionnement est simple : lorsque le matériau énergétique atteint 225°C, sa décomposition exothermique (333J/g) génère des gaz (N2, H2O, O2) qui augmentent la pression sous la membrane fine élastique (30¼m). La pression ainsi générée et la déformation induite de la membrane élastique permettent d'actionner le fluide dans la micro canalisation. Ce concept simple d'actionnement présente l'avantage d'être compact, intégrable directement dans la canalisation contenant le fluide à actionner, biocompatible, bas c oût et nécessite seulement quelques mW (quelques V) pour générer des surpressions qui peuvent être réglées entre quelques dizaines de kPa et quelques centaines de kPa. Son caractère monocoup le rend adapté aux applications portables et jetables. Tout d'abord, un modèle multi physique a été développé sous COMSOL pour simuler le fonctionnement de l'actionneur intégré dans une micro canalisation. Ensuite, un modèle global de conception a été construit permettant de prédire les performances de l'actionnement (pression, déformation, volume et vitesse du fluide éjecté) en fonction des caractéristiques de l'actionneur et de la puissance électrique d'actionnement. Enfin, deux démonstrateurs ont été fabriqués : un actionneur de 1mm²×100¼m et un de 0.25mm²×100¼m. Un travail important a porté sur l'intégration technologique en utilisant des procédés compatibles MEMS et microfluidique des différents matériaux (énergétique et de structure) sur des surfaces très petites et nécessitant des traitements de surface particuliers. Le principe d'actionnement a été validé.

Le développement de nouvelles compositions propulsives, pour applications stratégique et spatiale par exemple, conduit à élaborer des charges énergétiques de plus en plus puissantes... / The development of new compositions of propellants, for strategic and space applications for instance, leads to synthesis of more and more powerful energetic materials...

Sous l'effet d'une forte impulsion mécanique, d'une chaleur très forte ou d'une décharge électrostatique, un explosif comme le TNT ou le RDX peut accidentellement être initié. L'énergie apportée à l'explosif est convertie en chaleur, appelée point-chaud, dans des endroits spécifiques, contenant des impuretés, bulles de gaz, pores ouverts ou autres hétérogénéités. La taille d'un point-chaud de quelques micromètres peut être déjà suffisante pour initier une déflagration ou même une détonation. En réduisant la taille des particules de l'explosif, la formation des points-chauds est empêchée conduisant à un matériau moins sensible. Au sein de ce travail, un procédé continu est développé, fondé sur le principe de la cristallisation-flash, et permettant la préparation de particules énergétiques submicroniques en quantité de plusieurs grammes. Le procédé repose sur une opération de séchage par atomisation, au cours de laquelle une solution surchauffée est atomisée d'une manière continue. Afin de diminuer la taille moyenne des particules et d'obtenir une distribution de taille des particules très étroite, une étude paramétrique est réalisée. Au moyen de la cristallisation-flash, la préparation de composites énergétiques de haute qualité en grandes quantités est un succès. La qualité et quantité de ce composite énergétique sont uniques. Grâce au potentiel de ce procédé, la cristallisation-flash peut permettre la préparation de nombreuses substances et compositions énergétiques ou inertes / High explosives, such as TNT or RDX, may be accidentally initiated under the influence of a strong mechanical impulse, great heat or an electrostatic discharge. Smallest impurities, open pores, entrapped gases or other inhomogeneities within the explosive matrix may convert the delivered energy into heat, causing the formation of a so called hot-spot. A hot-spot size of a few micrometers can already be sufficient to initiate a deflagration or even a detonation of the explosive. By decreasing the particle size of the explosive, the formation of hot-spots is inhibited, resulting in a less sensitive material. In this work, a continuous operating flash-crystallization process was developed, being able to produce energetic submicron particles in a multigram scale. The process bases on a spray drying process where superheated solutions are continuously atomized. A parametric study was performed on this process in order to decrease the particle size and obtaining a narrower particle size distribution. By means of this flash-crystallization process, highly homogeneous energetic composites were prepared in a large scale. The quality and amount of the energetic composite are unique. The versatility of the flash-crystallization process allows the preparation of a large number of energetic and inert substances and compositions

Un nanocalorimètre permet l'analyse thermique de très faibles quantités d'échantillons (quelques nanogrammes ou picogrammes), ainsi que l'étude de films minces dont l'épaisseur varie de quelques nanomètres à plus d'un micron. Les vitesses de chauffe et de refroidissement sont nettement plus élevées que celles réalisées avec une DSC classique : les vitesses de chauffe peuvent atteindre 103 à 106 K/s, par conséquent, les mesures réalisées avec ce type d'appareil sont très rapides (quelques millisecondes). Du fait de sa sensibilité élevée, des vitesses de chauffe rapides atteintes et de l'acquisition rapide des données, le nanocalorimètre peut être utilisé pour la caractérisation et la détection de quelques nanogrammes de matériaux énergétiques. Les objectifs de cette thèse sont d'une part de mettre au point une procédure de calibration des capteurs nanocalorimétriques (calibration de la température, de la puissance, de la masse du microcristal à analyser) et d'autre part de caractériser des matériaux énergétiques afin de pouvoir effectuer des analyses quantitatives en vue d'applications pour la détection d'explosifs. Les matériaux énergétiques étudiés sont des films de nitrocellulose, des cristaux de penthrite, d'hexogène (principal constituant du C4), de 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12- hexaazaisowurtzitane (Cl20), et des nano-cristaux d'explosifs. Le travail réalisé a montré qu'il est possible de rapidement différencier des explosifs par leurs températures de fusion, de décomposition et d'évaporation. Il est aussi possible de déterminer des paramètres cinétiques d'un cristal isolé d'explosif. / Calorimetry is one of the main techniques of thermal analysis. Most of physical or chemical modifications of material are associated with thermal effects whereby heat is absorbed (i.e., melting) or released (i.e., thermal decomposition). Typically, calorimetric experiments are performed with Differential Scanning Calorimetry (DSC), which measures the heat flux absorbed or released by the sample following the same temperature program as a reference material. In these experiments, measurements are typically carried out on a few milligrams of sample. However, for many applications one has to handle nanograms or even picograms of sample. One of such applications is relevant to studies of materials which can release a significant amount of energy during their decomposition (energetic materials). Calorimetry able to handle nanograms of sample could find potential applications in the field of explosives detection. Nanocalorimetry allows to heat small amounts of sample (a few nanograms to a few hundred picograms) at extreme heating rates, i.e. up to one million °C/s. The temperature increase can initiate several phenomena in energetic materials, therefore the calorimetry could be an appropriate technique to characterize and to detect energetic materials. The energetic materials used in this study are nitrocellulose (NC), hexogen (RDX), 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-ltexaazaisowurtzitane (CL-20) and penthrite (PETN). The manuscript presents our results on the nanocalorimeter calibration, on the thermal behaviour of the explosives studied with nanocalorimetry and also includes an evaluation of nanocalorimetry as a tool for explosives detection.

Parmi la variété de matériaux énergétiques existants, les nanothermites sont aujourd'hui largement étudiées et utilisées grâce à leur caractéristique principale qui est de libérer une grande quantité d'énergie lors de la combustion d'une petite quantité de matériau. Nous avons choisi de travailler avec les nanothermites sous forme d'empilement de couches d'aluminium et d'oxyde de cuivre afin de maximiser cette densité d'énergie (valeur théorique : 21 kJ/cm3) et ainsi optimiser le rendement énergétique du matériau à des fins d'application industrielle. Cette succession de couches nanométriques est réalisable par un procédé de dépôt en phase vapeur (PVD) de type pulvérisation cathodique classique ou réactive. Étant donné que les couches d'aluminium et d'oxyde de cuivre sont déposées alternativement, on observe toujours la formation de couches de mélange aux interfaces, lorsque le matériau est déposé directement au contact de la couche précédente. Ces zones de mélange sont bien identifiées visuellement mais non caractérisées chimiquement : elles sont composées d'aluminium, de cuivre et d'oxygène en proportions inconnues. Ces couches barrières constituent à la fois une barrière physique à l'interdiffusion des espèces, moteur de la réaction chimique énergétique, et une perte de matériau puisque les atomes qui les composent ne sont plus réactifs. Ainsi la nanothermite voit sa stabilité augmentée au détriment de ses performances énergétiques, ce qui pose un problème en termes de fiabilité et de reproductibilité. La maîtrise de la formation de ces couches barrières, en passant par la compréhension des mécanismes mis en jeu durant le procédé de dépôt, est donc un enjeu important vers la maîtrise de la réactivité des nanothermites multicouches Al/CuO. Afin de comprendre comment se passe ce mélange aux interfaces et en déduire la structure résultante de la couche de mélange, nous avons choisi d'utiliser la modélisation puisque l'outil numérique permet aujourd'hui d'étudier la matière à des échelles de taille et de temps non accessibles expérimentalement. La présente thèse est un travail de modélisation multiéchelle constitué de deux phases d'étude correspondant à des échelles physique différentes. Nous y voyons d'abord la réactivité d'une surface d'aluminium au contact de l'oxyde de cuivre grâce à un code commercial (VASP) utilisant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Ensuite nous utilisons ces résultats à l'échelle atomique pour la construction d'un simulateur à l'échelle mésoscopique de type Monte-Carlo cinétique (KMC). Le simulateur mis au point est capable de déposer une couche de matière sur une surface pure d'aluminium Al(111) et permet d'observer un mélange précoce des espèces dans les premiers temps du dépôt. Les premières briques du simulateur étant posées, ce travail est le début d'une étude plus ambitieuse vers l'élaboration d'un outil prédictif de la structure et la composition des couches barrières en fonction des conditions expérimentales de dépôt (température, pressions partielles de la phase gazeuse, temps d'expérience). Cet outil devrait permettre, à terme, de faire de la nanoingéniérie inversée, c'est-à-dire d'adapter les conditions de fabrication des nanothermites en fonction des performances finales désirées.

Ce travail concerne le développement de procédés d'intégration de couches énergétiques de type thermite (constituées d'un oxyde et d'un métal, généralement Al) dans les microsystèmes pour la réalisation de microsources de température pour des applications militaires et civiles (aérospatiale, automobile). Après avoir sélectionné le matériau à formuler, la thermite Al/CuO, notre travail s'est organisé selon deux axes : (1) élaborer et optimiser des technologies de dépôt d'Al/CuO qui permettent de maîtriser autant que possible les caractéristiques stSchiométriques et géométriques à l'échelle nanométrique du matériau déposé pour en contrôler la cinétique et en optimiser la chaleur de décomposition. (2) intégrer la nanothermite dans un micro-initiateur pour explorer les applications de micro-amorçage. Deux procédés de dépôt simples et reproductibles ont été développés: un procédé fondé sur l'oxydation thermique du Cu qui permet la formation de nanofils pour des surfaces inférieures à 1 mm2 et un procédé fondé sur la pulvérisation cathodique réactive qui permet l'obtention d'empilements successifs de nanofeuillets d'Al/CuO d'épaisseur réglable. L'intégration sur plateforme chauffante micro-usinée de ce matériau permet la libération contrôlée de chaleur (1,2 kJ/g) pour une température de réaction de 740 K. La nanothermite, en tant qu'initiateur, permet la mise à feu de propergol au contact et jusqu'à une distance de 270 µm. Nous discutons ensuite des perspectives ouvertes pour réaliser, au moyen de procédés collectifs, des micro-initiateurs pyrotechniques et de l'importance d'outils de modélisation multi-échelle pour aider à la compréhension de la réactivité du matériau.

Au sein d'un convertisseur la défaillance d'un composant de puissance est un événement critique tant par le risque d'explosion du boitier et sa propagation au sein du système (forte énergie stockée dans l'alimentation) que par l'interruption de service qui en découle (systèmes embarqués, systèmes de production en flux tendu). Ce mémoire de thèse propose un ensemble de solutions nouvelles portant sur la problématique de l'isolement ultime de défauts "derniers secours" d'une part, et sur la connexion "automatique" et à faible "coût" d'un circuit en secours. L'objectif de cette approche globale est de concilier "sécurité électrique absolue" et "continuité de service" pour les systèmes de conversion sensibles devant être intégrés au coeur des applications critiques. Le premier chapitre et son annexe permettent de rappeler les causes et les conséquences des défauts internes au sein d'une structure de base d'onduleur à deux niveaux de tension, laquelle fait l'objet de nombreuses simulations de modes dégradés en configuration variateur de vitesse sur machine synchrone. De cette analyse il ressort qu'une structure d'isolement symétrique à deux voies couplées, placées sur les pôles du bus DC, à déclenchement spontané (fusible) et/ou commande (rupteur), est à même de sécuriser toutes les mailles du circuit, de façon modulaire et non intrusive. / In all these traditional industries, or in more sensitive sectors and high technology, it appears that the safe operation of power systems becomes a critical and strategic area essential. In the area of application that focuses, design dependability and now rests primarily on an approach to reliability of components used, the use of close protection, monitoring alarms and management stop / reset / recovery. In our view, this approach is incomplete quickly when electrical safety and absolute continuity of a permanent mission should be carried out simultaneously in the presence of an internal failure of sensitive functions for low and medium power (eg, orders and bodies actuation of vehicles) or highly critical (nuclear). In this area, topologies and failure modes are at the heart of the problem. In this paper, we will focus primarily on the inverters and choppers structures at two levels of voltage (single-cell arm, <1kV), with simple configuration and multiphase parallel, although the concepts are presented, as examples, partially extrapolated to the structures of three voltage levels (arms multicellular) and rectifier (low-frequency phase control and high-frequency switching PWM). We will highlight the need to limit the intensity of these failures and to electrically isolate the defective cell and symmetrically of this inverter by multipole devices, passive or spontaneous breaking mixed cut ordered in the form of fuses integrated and distributed of multi-channel passive isolators, to imagine and develop. We will show that this process of isolation of the last backup is needed to connect, form series or parallel to the defective cell, a cell rescue in passive redundancy. The cell structure backup connection pooled by spontaneous (automatic) is especially promising as detailed in our eyes because of its simplicity and its integrability. Next, we present the isolation technologies fuse (not included, miniatures, CMS and multilayer chip fuse), their characteristics, their current limitations and operating in a switching cell test. A methodology and design of symmetrical two-way fuse (dual-fuse) on FR4 PCB - Copper will be presented in Comsol ™ and evaluated initially in static thermal IR. A passive two-way switch, relatively original material for integrating energy embedded in FR4 substrate, will be presented and fully dimensioned plans on electrical, thermal and mechanical also using finite element simulations in Comsol ™. Another aspect of exploratory analysis, mainly experimental, or to characterize the failure modes of bullets and casings ultimate power compared between the technologies of encapsulation by epoxy resin (standard discrete case) and a silicone gel (module) is provided under conditions of stress controlled and reproducible. This step is necessary to characterize the resistive mode of a chip based on faulty stresses and stability over time of the residual strength according to the nature of the encapsulant, ie the very sustainability of this failure mode. A mixed-encapsulant resin - gel will be presented and characterized, providing an excellent compromise for medium power applications. Positive results and little known today, will allow us to exploit in the next chapter, this property of stable ohmic mode of the chip failed in a structure to aid automated connection series interesting. In the end, we will detail the demonstrator prototype and introduced to the context with which we will validate the isolation structures and prototypes fuses the property of stable ohmic mode highlighted in the aspect of technological analysis of selected devices. These results allow us to refine the solutions adopted for specifications and guide future management strategy of defects whether internal or external to the topology. Supervisor digital device - sensor for the detection and reconfiguration of internal control orders will be assessed.

Le chrome dur, utilisé comme revêtement de tige d’actionneurs hydrauliques linéaires, a été interdit pour risque sanitaire (directive européenne REACH). A cet effet, un revêtement de WS2 a été sélectionné par Safran Landing Systems pour substituer le chrome dur comme revêtement de tige de piston de frein hydraulique. La démarche de sélection utilisée, est limitée par son incapacité à expliquer les performances observées et démontre le besoin d’une démarche de sélection d’autant plus appropriée que la notion d’étanchéité des actionneurs hydrauliques linéaires est « floue ». Comme, la tribologie n’a pas vocation à caractériser les revêtements de surface, parce que son plus petit objet d’étude est un triplet tribologique, cette étude propose l’évaluation de la compatibilité tribologique du revêtement de WS2, avec la fonction d’étanchéité. La démarche utilisée montre que l’étanchéité est régie, par un critère en pression, et par une vérification des caractéristiques tribologiques du système tige/joints requises pour la réalisation de l’étanchéité ; ce qui nécessite un piston hydraulique instrumenté. L’absence de ce piston est compensée par une « caractérisation tribologique approchée » du contact tige/joints, qui associe les expertises tribologiques de pistons hydrauliques d’essais de qualification, appuyées par un modèle éléments finis (EF) du piston hydraulique d’une part, et les résultats d’un essai de frottement piste/joints, conçus à cet effet à l’aide d’un modèle EF d’autre part. Les résultats montrent que le système tige/joints présente de bonnes caractéristiques tribologiques pour le facteur de frottement et l’usure, alors que la localisation de l’accommodation de vitesses dans le cas du contact tige/joint d’étanchéité, accélère le débit source du revêtement et limite sa durée de vie. Enfin, cette thèse comble un vide méthodologique en proposant, une démarche de sélection d’un revêtement pour une application tribologique, et une démarche de triboconception d’un actionneur hydraulique linéaire dans le cas d’un fonctionnement quasi-statique. / Hard chromium used as rod coating in linear hydraulic actuators has been forbidden by the European Directive REACH. In this situation, a WS2 coating has been selected by Safran Landing Systems to replace the hard chromium coating on rod pistons actuators of landing gear braking systems. The selection method was unable to explain the observed performance, and shows the lack of an appropriate methodology for the rod coating selection, mainly because the sealing concept is rather vague. Since tribology is not intended to characterize surface coatings, because its smallest object of study is a tribological triplet, this study proposes the evaluation of the tribological compatibility of the WS2 coating with the sealing function of the hydraulic piston. The adopted approach shows that the sealing performance is governed by a rod/seal contact pressure criterion and by the verification of the tribological characteristics of the rod/seal contact required to achieve a sealing performance. This tribological characterization requires an instrumented hydraulic piston. The absence of this piston is compensated by an "approximate tribological characterization" of the rod/seal contact, which combines the tribological expert analysis of hydraulic pistons of qualification tests, supported by a finite elements model (FE) of the hydraulic piston, and the results of a plate rod/seal friction test, designed for this purpose using another FE model. The results show that the rod/seal contact exhibits good tribological characteristics for the friction factor and wear, whereas the location of the velocity accommodation in the case of the rod/anti-extrusion seal contact accelerates the 3rd body generation of the coating and limits its life expectancy. Finally, this thesis fills a methodological lack by proposing a method of selecting a coating for a tribological application and a triboconception method of a linear hydraulic actuator in the case of quasi-static operating conditions.

Afin de rendre plus sûre la manipulation de produits pyrotechniques présentant par nature un risque d'explosion accidentelle vis-à-vis des agressions mécaniques et thermiques extérieures, de nouvelles formulations ont vu le jour. Parmi ces « Matières Détoniques Extrêmement Peu Sensibles », le partenaire industriel Nexter Munitions met en œuvre une formulation labellisée XF13333 qui a par ailleurs la propriété d'être recyclable.<br /><br />Avant d'être à l'état solide, les explosifs de type XF13333 se présentent sous forme de suspensions dont la fraction volumique solide est de l'ordre de 55%. L'aptitude à l'écoulement de ces pâtes est donc gouvernée par la rhéologie des suspensions concentrées. Le procédé de préparation utilisé par le partenaire industriel étant de type coulée-fondue, l'objectif des travaux présentés dans ce manuscrit est de proposer un modèle prédictif du temps que met une suspension concentrée en matériaux énergétiques à s'écouler gravitairement depuis un réacteur agité de mélange vers un corps d'obus initialement vide.<br /><br />L'étude de l'influence de la fraction volumique solide sur le comportement rhéologique de suspensions modèles inertes a d'abord été envisagée. Deux échelles de taille de grains ont été considérées, l'une micrométrique et l'autre nanométrique. En fonction de la taille des particules, la pâte adopte différents comportements rhéologiques : la suspension constituée de particules micrométriques adopte un comportement newtonien tandis que la suspension constituée de particules nanométriques passe d'un comportement newtonien à un comportement de fluide à seuil, de type Bingham ou Herschel-Bulkley.<br /><br />Nous nous sommes ensuite intéressés à l'influence de l'état d'organisation de la phase solide que l'on peut décrire par la fraction volumique maximale de solide. Nous avons étudié l'influence de ce paramètre sur le comportement rhéologique des suspensions. Etant donné la forte analogie de comportement entre une pâte d'explosifs et le ciment, nous nous sommes intéressés aux travaux de recherche menés depuis de nombreuses années dans le secteur du génie civil. En particulier, nous avons utilisé le modèle de De Larrard pour calculer fraction volumique maximale de solide à partir des distributions en taille des grains constituant le mélange.<br /><br />Pour caractériser la rhéologie des suspensions XF13333, l'utilisation d'un rhéomètre de Couette n'est pas adaptée car la sédimentation des particules et la déstabilisation de l'émulsion formant le fluide suspendant rendent la suspension inhomogène. Pour la maintenir dans sa fonction d'usage (i.e. homogène), nous avons développé un rhéomètre non conventionnel et appliqué l'analogie de Couette. Il est ressorti de cette étude expérimentale que ces suspensions complexes sont des fluides d'Ostwald.<br /><br />La modélisation du temps d'écoulement des suspensions XF13333 en configuration industrielle s'est fondée sur l'expression de la viscosité d'une suspension concentrée de Quemada. Les valeurs théoriques ont été comparées aux valeurs expérimentales de temps de vidange d'un certain volume de suspension concentrée XF13333.. Il est ressorti que le modèle de temps d'écoulement proposé représente correctement la réalité.

La recherche de nouveaux matériaux énergétiques performants nécessite la connaissance de plusieurs données thermochimiques, notamment l'enthalpie de formation, avant tout projet de synthèse. La grande majorité des molécules énergétiques se trouvant en phase solide, le but de cette thèse est de développer une méthode de contribution de groupes permettant d'évaluer les enthalpies standard de formation de composés solides contenant des atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et surtout d'azote. L'objectif fixé est d'obtenir des erreurs d'estimation inférieures à 500 J.g-1. Deux démarches ont été mises en parallèle : l'une directe et l'autre indirecte. La conclusion de la comparaison de ces deux méthodes est que l'approche directe est la plus satisfaisante. Les différentes recherches effectuées ont permis de montrer que les enthalpies de formation en phase solide de 75% des composés étudiés (soit 1 017 au total) sont représentées avec un résidu moyen de 5,7 kJ.mol-1. La moyenne quadratique calculée est de 298,4 J.g-1 (soit 1,7 fois inférieure à l'erreur maximale souhaitée). Les résultats observés grâce à la méthode établie sur de très nombreux composés, et notamment sur des molécules énergétiques, ont été comparés avec les résultats obtenus par d'autres techniques (méthodes de contribution de groupes et méthodes semi-empiriques). Un important travail expérimental a été mis en œuvre. Des mesures d'enthalpies standard de formation en phase solide de vingt-cinq composés organiques ont ainsi été réalisées par calorimétrie de combustion en bombe statique.