Thermal management of electronics has become a major challenge in manufacturing and production of high performance electronic chips. Constant rise of computation power requires higher amount of energy and subsequently this energy (in the form of heat) should be transferred out of the computer. Among other solutions, heat pipes are proposed as a means to transfer and eventually remove this excess heat. The main part of a typical heat pipe is the wick which provides a medium for transport of capillary driven flow and evaporation at the vapor-liquid interface. Different materials are proposed as wick for a heat pipe and among them, recently invented Bi-porous metal foams exhibit a very significant performance improve, i.e. high transport limit in comparison with competing materials. By a mainly experimental approach, capillary, wetting and evaporation properties of copper metal foams with different porosities have been investigated. An in depth surface characterization study is done on the foams to identify the role of surface wettability on the capillary performance. It is found for the first time that the hydrophilicity loss of the copper based porous materials when exposed to air is caused by the adsorption of volatile organic compounds and not by copper oxidation. It is also inferred that the reason for high transport limit of the foams compared with other materials is their unique microstructure which has two levels of porosity. This biporous microstructure provides paths for liquid transport with low pressure drop while the smaller pores provide for thin film evaporation and produce high capillary pressure. Permeability and effective pore radius, as two key parameters defining the pumping capacity, are measured experimentally by the rate of rise method. It is also found that the evaporation rate of a rising liquid in a porous material is lower compared with that of the same material while saturated with stationary liquid. This will allow ignoring natural evaporation in the rate of rise method and using simplified models to capture permeability and effective pore radius. The role of meniscus recession in capillary pumping and evaporation rate is characterized for the first time and a model is proposed to measure the effective pore radius of porous materials in operating conditions. It is shown that the effective pore radius can decrease up to 50% due to forced evaporation. In a more general perspective, through different experiments, it is shown that there is a coupling between capillarity and evaporation. This coupling is established through variation in meniscus shape which will affect both capillarity and evaporation. The findings of this thesis will shed light on the capillarity, evaporation and their interconnected nature in the capillary wicks in two phase thermal management devices.

Les mousses métalliques synthétisées par plasma électrolytique et leur mise en forme développées au CEA présentent certains problèmes de tenue mécanique, d’homogénéité en structure et en densité, et leur porosité n’est pas encore maîtrisée. L’objectif de cette thèse est de comprendre et d’apporter des solutions à ces difficultés rencontrées lors des différentes étapes de la synthèse. Ainsi, la thèse porte sur l’étude du système dans son ensemble pour maîtriser à la fois le procédé et la structure des mousses formées.La compréhension du plasma et de son implication dans la formation de mousses métalliques passe par celle de trois phénomènes principaux : la formation de la bulle de gaz, la formation et la propagation des décharges électriques et le transfert de charges, qui conditionnent chacun la structure finale des mousses. En premier lieu, la formation et l’évolution de la bulle gazeuse ont été observées et des modifications du procédé ont permis de maîtriser cette bulle. Ensuite, l’étude des propriétés et caractéristiques physiques des mousses d’or a été réalisée en synthétisant des mousses à partir de paramètres expérimentaux variables, puis leurs propriétés physiques et structurelles ont été mesurées. L’ensemble des expériences réalisées a permis d’établir un modèle phénoménologique qui rend compte des différents mécanismes impliqués dans la formation et la croissance des brins de mousse. Différentes expérimentations menées directement sur les décharges puis sur le système dans sa globalité ont vérifié partiellement ces hypothèses. / Some troubles are noticed on the metallic foams synthesized by an electrolytic plasma process and on the way they are manufactured. Those foams present a poor mechanical resistance, their structure is lacking of homogeneity and their porosity is far from being controlled. This PhD work aims at understanding and bringing solutions to those problems for each step of the process. Thus the whole process is studied in order to control both the experimental process and the foams structure.The plasma comprehension and especially its contribution in the metallic foams formation is driven through three main phenomena: the gaseous bubble formation, the sparks formation and propagation, and the charge transfer. Each one is playing a role on the final foam structure. First, the formation of the gaseous bubble and its evolution were observed, and then the process was modified to control the bubble. Second, foams were synthesized with different process parameters and their characteristics were studied in order to highlight their influences. All those experiments led to the creation of a phenomenological model which goal is to explain the different mechanisms involved in the foam strands growth. Several experiments were carried out, some on the sparks, others on the whole system, and the hypotheses were partially proved.

L'objectif de ces travaux de thèse est double. Il consiste, dans un premier temps, à étudier la microstructure des mousses de nickel ainsi que les mécanismes locaux de déformation et de rupture, puis, dans un second temps, à proposer une modélisation du comportement mécanique global en traction des mousses. Des essais mécaniques in-situ sous MEB ou en tomographie aux rayons X ont été réalisés. Ces essais montrent que les mécanismes de déformation en traction diffèrent de ceux observés en compression. La mousse se déforme en traction par réalignement et étirement des brins tandis qu'une flexion suivie d'un flambement des brins s'opèrent en compression. De plus, une forte localisation de la déformation dans les zones moins denses de la mousse est visualisée au cours d'un essai de compression. L'étude des mécanismes de rupture en traction fait aussi apparaître que la fissuration des mousses, majoritairement transgranulaire, intervient préférentiel-lement aux nœuds. Sa propagation s'effectue cellule par cellule et la zone endommagée possède une largeur d'environ cinq cellules. A partir des essais de tomographie aux rayons X, l'architecture initiale de la mousse ainsi que son évolution au cours du chargement ont été reconstruites. L'analyse de la morphologie tridimensionnelle de la mousse montre qu'un tiers des cellules est constitué de dodécahèdres et que 57% des faces des cellules sont pentagonales. L'influence du procédé de fabrication de la mousse est de deuxième importance par rapport à celui de la mousse précurseur en polyuréthanne. Les cellules sont allongées et orientées suivant la direction normale de la mousse. Cette anisotropie géométrique explique, au moyen d'un modèle analytique simple, l'anisotropie élastique observée en traction. La forme de la cellule la plus répandue a aussi été identifiée. Il s'agit d'un dodécahèdre, composé de deux quadrilatères, de huit pentagones et de deux hexagones. Pour modéliser le comportement mécanique des mousses en traction, deux voies ont été envisagées. La première consiste à décrire la mousse par un réseau de poutres se déformant uniquement par flexion. Le comportement uniaxial des mousses est alors simulé en fonction de la densité et de l'anisotropie géométrique. Le modèle montre que l'arrivée et la propagation du front plastique dans la poutre ne suffisent pas à expliquer la non linéarité du comportement macroscopique observée expérimentalement. A partir des lois de comportement des matériaux constitutifs des brins de la mousse, le modèle est aussi capable de prévoir le comportement uniaxial global de mousses multiphasées. L'application du modèle à deux phases au cas des mousses de nickel oxydées prouve que le comportement plus rigide des mousses oxydées peut être prédit en fonction de leur degré d'oxydation en tenant compte, toutefois, de la rupture de la couche d'oxyde. La deuxième approche, plus phénoménologique, met en œuvre une vision continue de la mousse. La mousse est alors assimilée à un milieu homogène équivalent. Des essais mécaniques, mesurant simultanément les déformations instantanées dans les trois directions principales de la mousse, ont été développés pour identifier les paramètres du modèle. Le modèle multiaxial est alors testé autour d'un trou macroscopique réalisé dans une plaque de mousse, puis validé par comparaison avec les champs de déformation issus d'essais photomécaniques. Ces essais photomécaniques mettent en exergue des hétérogé-néités de déformation non expliquées ainsi qu'un effet d'échelle dû à la taille critique d'un trou dans un milieu poreux. Le modèle classique, inapte à prévoir cet effet de taille, est alors étendu vers la mécanique des milieux continus généralisés. En introduisant une seule variable interne supplémentaire, le modèle micromorphe choisi est capable de rendre compte de l'effet d'échelle observé expérimentalement. De plus, ce modèle permet aussi de donner une bonne estimation de la largeur de la zone fissurée et de la ductilité des mousses en présence de fissures

Cette thèse s'est focalisée sur un matériau cellulaire métallique modèle, dans le but de fournir à la fois un matériau candidat et des outils de conception d'un revêtement acoustique pour les tuyères de turbomachines. Le problème d'absorption acoustique a conduit à discuter une modélisation analytique descriptive disponible dans la littérature, puis à introduire une technique numérique permettant de prédire les propriétés acoustiques d'un matériau poreux. Pour répondre au besoin industriel de tenue structurale, les propriétés élastiques du matériau ont été calculées numériquement, et l'on a proposé une approche numérique de la microplasticité. Enfin, les outils numériques ainsi réalisés ont été utilisés dans un problème simplifié de conception et d'optimisation de revêtement acoustique.

La mousse métallique a des propriétés mécaniques et thermodynamiques uniques qui pourraient s'avérer utiles dans de nombreux domaines, tels que la construction légère et ingénierie automobile. Cependant, la mousse métallique n'est pas encore établie en génie.Une des raisons sont les difficultés et les prix élevés dans le processus de fabrication. Causée par drainage gravitaire en état liquide, peuvent se produire des distributions de matériel non homogènes. En outre, dépassant le drainage peut provoquer rupture de bulle et la génération de soufflures. Ces effets négatifs potentiellement peuvent être évités en ajoutant magnétique ou champs électromagnétiques au cours du processus de génération.Dans cette thèse, l'influence de ces champs est donc étudié en réalisant la phase de résolution des simulations. Ces simulations sont effectuées avec le code interne premier. Une modification de la modélisation de la collision était nécessaire pour enquêter sur l'agglomération de bulles dans le métal liquide.Calcul d'une configuration statique-drainage, les mécanismes de l'agglomération sont étudiés sans la présence de champs électriques ou magnétiques. Aux vitesses élevées de drainage, les bulles flottent. À des vitesses inférieures de drainage, les bulles s'agglomèrent dans la partie supérieure du domaine, formant des structures cristallines compacte.La préférence expérimentalement bien connue de commande cubes axés sur le visage, plus hexagonale compacte vous passez votre commande de volume égal bulles est reproduit numériquement. Appliquant davantage des simulations et expériences, un mécanisme de l'instabilité de la commande de façon hexagonale compacte est identifié, ayant pour résultat la préférence de commande de cubes axés sur le visage.Afin de déterminer les propriétés mécaniques de la mousse métallique solide avec la fraction de gaz faibles et aux fonctionnalités avantageuses et désavantageuses d'état d'arrangements de bulle, simulations par éléments finis de la mousse métallique solide avec cavités sphériques sont réalisées et comparées. Une influence significative de la quantité de cristaux de bulle sur la mécanique de la mousse se trouve. Le type de l'ordre cristallin est moins important.On étudie l'influence d'un champ magnétique horizontal sur l'agglomération de bulle. La résistance de drainage peut être augmentée sensiblement en ajoutant un champ magnétique. La structure résultante des bulles est moins sensible à un champ magnétique.Combinant un courant électrique horizontal et une perpendiculaire, champ magnétique horizontal se traduit par une force verticale de Lorentz. Cette force peut équilibrer la gravitation et donc, provoquer la rotation des bulles. Simuler cet État révèle une distribution homogène de bulle. Dans le même temps, friser les champs de force dans le voisinage de chaque bulle induire un mouvement continu en remuant. Petit champ électromagnétique forces n'empêchent pas les bulles d'agglomération, mais peuvent varier le montant de la commande cristallisé et par conséquent, les propriétés mécaniques de la mousse solide qui en résulte.En conclusion, un champ magnétique horizontal augmente la résistance de drainage, tandis que sa combinaison avec un courant électrique provoque des distributions de bulle homogène et peut modifier la structure de la mousse et la fraction de gaz. Les résultats de cette thèse pourraient aider à améliorer le processus de fabrication industrielle de mousse métallique ou même permettre la production de métal poreux avec la fraction de gaz définie par l'utilisateur. / Metal foam has unique mechanical and thermodynamic properties which could prove useful in many fields, such as light-weight construction and automotive engineering. However, metal foam is not yet established in engineering. One reason are the difficulties and high prices in the fabrication process. Caused by gravity-driven drainage in liquid state, inhomogeneous material distributions can occur. Also, exceeding drainage might cause bubble rupture and the generation of blow-holes. These negative effects potentially can be avoided by adding magnetic or electromagnetic fields during the generation process. In this thesis, the influence of these fields is therefore investigated by conducting phase resolving simulations. These simulations are carried out with the in-house code PRIME. A modification of the collision modelling was necessary in order to investigate the agglomeration of bubbles within liquid metal. Computing a static-drainage setup, the agglomeration mechanisms are investigated without the presence of electric or magnetic fields. At high drainage velocities the bubbles float. At lower drainage velocities the bubbles agglomerate in the upper part of the domain, forming close-packed crystalline structures. The experimentally well known preference of face-centred cubic ordering, over hexagonally close-packed ordering of equal-volume bubbles is reproduced numerically. Applying further simulations and experiments, an instability mechanism of hexagonally close-packed ordering is identified, resulting in the preference of face-centred cubic ordering. In order to determine the mechanical properties of solid metal foam with low gas fraction and to state advantageous and disadvantageous features of bubble arrangements, Finite-Element simulations of solid metal foam with spherical voids are carried out and compared. A significant influence of the amount of bubble crystals on the foam mechanics is found. The type of the crystalline ordering is less important. The influence of a horizontal magnetic field on the bubble agglomeration is investigated. The drainage resistance can be increased significantly by adding a magnetic field. The resulting structure of the bubbles is less sensitive to a magnetic field. Combining a horizontal electric current and a perpendicular, horizontal magnetic field results in a vertical Lorentz force. This force can balance gravitation and thus, cause rotation of the bubbles. Simulating this state reveals a homogeneous bubble distribution. At the same time, curling force fields in the vicinity of each bubble induce a continuous stirring motion. Small electromagnetic field strengths do not prevent the bubbles from agglomerating, but can vary the amount of crystallized ordering and therefore, the mechanical properties of the resulting solid foam. In conclusion, a horizontal magnetic field increases the drainage resistance, while its combination with an electric current causes homogeneous bubble distributions and can alter the foam structure and the gas fraction. The results of this thesis could help improve the industrial fabrication process of metal foam or even allow production of porous metal with user-defined gas fraction.

Cette de thèse comporte deux volets : Le premier, plutôt applicatif, concerne le design d'échangeurs à ailettes et à mousses ; le second, plus académique, traite des relations entre la texture des mousses métalliques et leurs propriétés thermophysiques effectives. Sur la première partie consacrée à l'amélioration des performances des échangeurs de chaleur Mota. Nous avons mis en place une méthode de dimensionnement multi-échelle adaptés aux batteries tubes-ailettes et aux échangeurs à mousse ; Nous avons développé et caractériser une architecture optimisée d'échangeur à mousse et à ailettes. Des gains de 50% ont été obtenus en termes d'efficacité énergétique et les solutions proposées sont actuellement en production.La deuxième partie concerne l'analyse des mécanismes de transferts dans les mousses et de la détermination de leurs propriétés effectives. Nous avons développé une approche basée sur la modélisation des transferts et écoulements à l'échelle du pore -confortée par le développement de bancs expérimentaux- pour déterminer ces propriétés. Nous avons réalisé une base de données de 900 mousses obtenues par élongation et cisaillement d'une cellule périodique de référence. Les propriétés effectives –tensorielles- de ces mousses ont été mesurées et leur dépendance à la morphologie et aux propriétés thermophysiques des phases a été étudiée.En conclusion, le dernier chapitre illustre la démarche naturelle de poursuite des travaux : Optimisation des géométries des échangeurs et des mousses selon les conditions applicatives. / This work is composed of two parts: the first one deals with the design of fins-and-tubes and metal foam heat exchangers; the second one deals with the relationship between foams morphology and their effective thermophysical properties. The first part is dedicated to Mota heat exchanger performance enhancement. We develop a multi-scale method to optimize both local heat transfer surfaces and global architecture of classical and foam units. We develop, using this method, new heat exchanger and we characterize it numerically and experimentally. An increase of 50% of energetic efficiency is obtained and new geometries are nowadays produced and commercialized. The second part deals with the analysis of transport phenomena in metal foams and the determination of their effectives properties. We develop an approach based on pore scale numerical simulation of conjugate heat transfer – validated by experimental results obtained on set-up developed for this study. We have generated 900 virtual samples obtained by deformation a periodic unit cell (Kelvin cell). Full effective properties tensors are determined. The influence of cell shape and classical geometrical parameters on physical properties is then studied. To conclude, in the last chapter, we present natural perspectives involved by this work: Geometrical optimization of heat exchanger architecture and foams morphology depending on the application; The use of a multi-scale approach to design modern –foam- heat exchangers.

Les matériaux cellulaires sont des échantillons à très forte porosité qui peuvent être décrits à deux échelles : la mésostructure et la microstructure. Le lien entre l'architecture des matériaux et les propriétés mécaniques a été largement étudié dans la littérature. Les caractéristiques microstructurales peuvent avoir une influence importante sur les propriétés macroscopiques. Le but de ce travail est de relier les caractéristiques architecturales et microstructurales des matériaux cellulaires à leurs propriétés mécaniques grâce notamment à la tomographie aux rayons X. Une nouvelle approche combinant l'imagerie 3D à plusieurs résolutions, le traitement d'images et la modélisation éléments finis a permis de prendre en compte la microstructure de la phase solide. Quatre matériaux cellulaires modèles ont ainsi été étudiés : des mousses d'aluminium, des structures cellulaires périodiques en alliage de cobalt-chrome, des échantillons de β-TCP et des composites hydroxyapatite/β-TCP. Les matériaux métalliques ont été fournis par des collègues d'autres laboratoires, tandis que les matériaux céramiques ont été fabriqués dans le cadre de cette étude. Pour chaque type de matériaux (métaux et céramiques), une structure régulière et une stochastique ont été comparées. Pour utiliser la méthode multi-échelle développée dans ce travail, les échantillons ont d'abord été scannés grâce à la tomographie locale dans laquelle l'échantillon est placé près de la source de rayons X. La tomographie locale permet de scanner la petite partie irradiée de l'échantillon et d'obtenir une image agrandie par rapport aux images à plus basse résolution. Ces images permettent d'observer certains détails de la phase solide non visibles à plus basse résolution. Différentes étapes de traitement d'images ont ensuite été mises en œuvre pour obtenir une image à basse résolution incluant les informations provenant des images à haute résolution. Ceci a été réalisé grâce à une série d'opération de seuillage et sous-résolution des images à haute résolution. Le résultat de ces différentes étapes de traitement d'images donne une image de l'échantillon initial à basse résolution mais qui inclut l'information supplémentaire décelée à haute résolution. Ensuite, des essais mécaniques in situ ont été réalisés dans le tomographe pour suivre à basse résolution l'évolution des échantillons pendant la déformation. Les images initiales citées plus haut ont été utilisées pour produire des maillages éléments finis. Des programmes Java ont été adaptés pour créer des fichiers d'entrée pour les modèles éléments finis à partir des images initiales et des maillages. Les images initiales contenant les informations à propos de la phase solide, les images des essais mécaniques et les modèles éléments finis ont permis d'expliquer le comportement mécanique des échantillons en reliant les sites d'endommagement expérimentaux et les lieux de concentrations de contraintes calculés. / Cellular materials are highly porous systems for which two scales are mainly important: the mesostructure and the microstructure. The mesostructure corresponds to the architecture of the materials: distribution of solid phase “walls” and macroporosity and can be characterized by X-ray tomographic low resolution images. The link between the architecture of the materials and the mechanical properties has been frequently studied. The microstructure refers to the characteristics of the solid phase. Its microstructural features (presence of a secondary phase or of defects due to the sintering) can have a strong influence on the macroscopic properties. The aim of this work is to link the morphological and microstructural features of metallic and ceramic based cellular materials and their mechanical properties thanks to X-ray tomography and finite element modelling. A new method combining X-ray tomography at different resolutions, image processing and creation of finite element modelling enabled to take into account some microstuctural features of the cellular samples. Four different cellular materials were studied as model materials: aluminium foam fabricated by a liquid state process, cobalt periodic structures made by additive manufacturing, β-TCP porous samples fabricated by conventional sacrificial template processing route and hydroxyapatite/β-TCP composites made by additive manufacturing (robocasting). The metal based materials were provided by colleagues while the ceramic based porous materials were fabricated in the frame of the current study. For each type (metals or ceramics), a stochastic and a regular structure have been compared. For implementing the multiscale method developed in this work, the samples were firstly scanned in a so called “local” tomography mode, in which the specimen is placed close to the X-ray source. This allowed to reconstruct only the small irradiated part of the sample and to obtain a magnified image of a subregion. These images enable to observe some details which are not visible in lower resolution. Different image processing steps were performed to generate low resolution images including microstructural features imaged at high resolution. This was done by a series of thresholding and scaling of the high resolution images. The result of these processing steps was an image of the initial sample. Then, in situ mechanical tests were performed in the tomograph to follow the deformation of the sample at low resolution. The above mentioned initial images were used to produce finite element meshes. Special Java programs were adapted to create finite element input files from initial images and meshes. The initial images containing information about the solid phase, the images from the mechanical tests and the finite element models were combined to explain the mechanical behaviour of the sample by linking the experimental damage locations in the sample and the simulated stress concentration sites.

Les mousses métalliques sont des matériaux intéressants pour fabriquer des absorbeurs d'énergie et des panneaux de faible masse travaillant en flexion. Jusque là, l'aluminium a principalement été employé : sa masse volumique réduite et ses performances mécaniques assez élevées ont fait de lui le candidat idéal pour créer des structures rigides et légères pouvant absorber de grandes quantités d'énergie. Cette thèse étudie la possibilité d'employer de l'acier pour produire des mousses métalliques. L'objectif a été de tirer parti du faible coût et/ou des performances mécaniques très élevées de ce métal pour fabriquer des mousses rivalisant avec les mousses d'aluminium. Pour fabriquer des mousses d'acier, deux types de techniques ont été testés dans le cadre de cette thèse : le moussage d'un métal liquide et l'infiltration d'une préforme. Le premier consiste à former une mousse liquide qui est ensuite solidifiée. Pour cela, nous nous sommes attachés à introduire du gaz dans l'acier et à créer les conditions pour que la mousse formée soit stable. Le second consiste à couler le métal dans un réseau de porosités ayant la forme d'une mousse. Pour mettre en œuvre ce procédé, nous avons mis au point une nouvelle technique de fabrication de préformes. Nous avons également étudié les paramètres conditionnant ses possibilités en termes de taille de pièce. Finalement, les performances des mousses d'acier fabriquées par infiltration ont été évaluées, via des essais de compression uniaxiale, pour les comparer à celles des mousses d'aluminium. Une première modélisation numérique de la mousse d'acier a aussi été effectuée, pour en apprécier la pertinence à prévoir le comportement de ce matériau.