In many energy and process engineering systems where fluids are processed, droplet-laden gas flows may occur. As droplets are often detrimental to the system’s operation, they are required to be removed. According to the state-of-the-art, industrial droplet removal is achieved through a sequential arrangement of several separators followed by droplet collection and discharge. This results in a high-quality gas stream, yet at the expense of bulky and expensive systems that are difficult to retrofit to existing facilities. In addition, the multiple sequential separators produce high pressure drops, further increasing operating costs. Alternatively, a single droplet separation stage and in situ evaporation would provide compact solutions for facilities. However, compact engineering solutions for the removal of entrained droplets are difficult to achieve with conventional flow control and conduction heat transfer approaches such as Joule heating. Joule heating requires a well-defined and homogeneous electrical resistance to ensure uniform heating, which is technically challenging to apply in fine separators and thus compact removal devices are hence often costly and ineffective. Therefore, it becomes necessary to investigate alternative heating approaches to overcome these challenges, such as volumetric heating using microwaves. The research conducted in this thesis aims to analyze the potential of a compact microwave solution approach for droplet removal. The compactness of the approach relies on a novel fine separator structure enhanced by microwave-heat transfer for efficient in-flow droplet evaporation. The investigation targets at fundamental studies of the combined effect of droplet flow filtering and heat transfer from numerical calculations and experimentation. As novel fine separators, solid open-cell foams are a promising alternative for the separation of liquid droplets suspended in gas flows at comparably low pressure drops. Using susceptors, such as dielectric materials, for the skeleton and exposing them to microwaves is an efficient way to use them as heating elements. Silicon carbide (SiC) based open-cell foam samples were considered for the study as they are good susceptor materials. First, pore-scale fluid numerical simulations on representative foam models were used to obtain a deeper insight into the effects of pore size and pore density on the droplet retention time within foams. Numerical findings were reported considering the pressure gradient and the residence time distribution of droplets under different superficial flow velocities, droplet sizes, porosities and pore densities. Next, the temperature-dependent permittivity of SiC-based foam materials was determined by the cavity perturbation technique using a waveguide resonator at a microwave frequency of 2.45 GHz up to 200 °C. The permittivity was of particular interest as it is a crucial parameter for predicting and designing systems utilizing microwave heating. Along the permittivity measurements, electromagnetic wave propagation simulations were used to derive novel mixing relations describing the effective permittivity of foams while considering their skeletal morphology. The derived relations facilitate an efficient and reliable estimation of the effective permittivity of open-cell foams, producing good agreement to experimental data. Using the foams dielectric properties and the fluid characteristics of droplet-laden streams, a microwave applicator was designed to concentrate the electric field on the open-cell foams. The applicator was constructed for carrying out experimental studies on droplet evaporation removal under different flow velocities, microwave power and different SiC-based foams. Measurements of droplet size, velocity, number density and flux at the inlet and outlet streams of the applicator were performed using a 2D-phase Doppler interferometer. Eventually, it was found from the experimental data analysis that the application of open-cell ceramic foams as a filter medium reduced 99.9 % of the volumetric flow of droplets, while additional microwave exposure increased the reduction to 99.99 %. In addition, microwave-heated foams prevent droplet re-entrainment and structure-borne liquid accumulation within foams, thus avoiding water clogging and flooding. Hence, open-cell foams can be used as fine droplet separators as long as microwave heating may effectively evaporate accumulations of liquid. An important factor in designing future devices based on this microwave heating approach is the temperature, as it changes the arcing breakdown voltage of the gas, thus limiting the microwave input power and droplet flow velocity. Although more investigations are needed to develop an applicable and optimal product, the results presented in this thesis provide a first insight into the viability of using microwave heating and fine filtering as a compact solution for droplet removal.

No description available.

No description available.

The paper reports on a composite based on a polydimethylsiloxane matrix filled with liquid metal and magnetic hard microparticles. The effect of the concentration of such a complex filler on the elasticity and relative permittivity of the composite has been investigated. Inclusions of liquid metal provide improved permittivity compared to the unfilled matrix, while the stiffening effect is not as high as when the matrix is filled with solid particles alone. On the other hand, magnetic hard fillers allow the functionalisation of the composite in terms of its magnetic properties. It is also shown that changing the residual magnetisation of the composite has no significant effect on the elasticity and relative permittivity.

The electrical properties of proteins in solution are important for their structure and function. Computational biophysics studies of proteins need accurate parameters to ensure that numerical simulations match physical reality. Past work in this eld has compared the electrical properties of proteins obtained from dielectric spectroscopy to numerical simulations of proteins in water with adjustment of pKa values to try to capture the inevitable changes in electrical conformation that will occur in a complex structure such as a folded protein. However, fundamental veri cation of the charge parameters of the amino acid building blocks in common molecular dynamics software packages with electrical experiments needs to be performed to have increased con dence in the results from numerical simulations. The aim of this thesis is to start from a fundamental building block, the single amino acid alanine, and to compare numerical simulations of this amino acid in water using parameters from commonly used charge structures in CHARMM, GROMOS, and OPLS, with electrical parameters obtained from dielectric spectroscopy experiments in the GHz range. To this end, multiple molecular dynamics simulations were performed to accurately determine how these different charge structures yield different dielectric increments. Additionally, a commercial RF dielectric measurement probe was modi ed to perform measurements on solutions containing alanine at different concentrations. Using regression, the dielectric increment of alanine is readily determined and compared with the numerical simulations. The results indicate that the CHARMM and OPLS parameters seem to adequately capture the charge con guration of alanine in solution, while the GROMOS parameters produce a dielectric increment but do not seem to adequately capture the charge con guration of alanine in solution. These studies lay the foundation for future studies of additional amino acids in solution as well as a stepping stone for larger simulations of the electrical properties of fully solvated proteins in solution.

Der Einsatz von organischen Materialien, insbesondere von Polymeren, hat zahlreiche Vorteile gegenüber dem Einsatz klassischer Materialien in der Mikroelektronik. Zu diesen zählen Flexibilität, geringes Gewicht, Verarbeitbarkeit durch Verfahren aus Lösung bei Raumtemperatur ohne Notwendigkeit vakuumbasierter Prozesse zur Abscheidung und vieles mehr. Dies ermöglicht eine energie- und kosteneffiziente Herstellung elektronischer Bauteile wie organische Feldeffekttransistoren (OFETs) oder Leuchtdioden (OLEDs), welche durch Prozesse wie dem Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren nicht länger auf kleine Flächen begrenzt sind. Zur Herstellung polymerbasierter OFETs mit optimiertem Eigenschaftsprofil sind neben innovativen Halbleitern vor allem auch neue Dielektrika mit verbesserten elektrischen Eigenschaften erforderlich, zu deren Entwicklung die vorliegende Arbeit beitragen sollte. Das häufig verwendete Polymethylmethacrylat ist für den Einsatz als Gate-Dielektrikum für die organische und gedruckte Elektronik nur bedingt geeignet. Es zeigt einige Nachteile wie eine mangelnde Stabilität gegenüber bestimmten organischen Lösungsmitteln, was zu Quellung oder Anlösen des Dielektrikums während des Aufbringens weiterer Schichten führen kann. Durch Copolymerisation von Methylmethacrylat mit funktionalisierten Comonomeren sollten die Probleme gelöst und optimierte Methacrylat-Copolymere entwickelt werden. Die Copolymere wurden über freie radikalische sowie RAFT-Polymerisation synthetisiert. Allen gemeinsam sind vernetzbare Comonomere, um die Lösungsmittelstabilität zu verbessern und somit die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums zu erhöhen. Als Vernetzer wurden 4-Benzoylphenylmethacrylat (BPMA) oder Propargylmethacrylat (PgMA) gewählt. BPMA ist UV-vernetzbar, Copolymere mit PgMA können in Gegenwart von mehrfunktionalen Aziden wie 1,3,5-Tris(azidomethyl)benzen (TAMB) durch Click-Reaktion thermisch vernetzt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Erhöhung der relativen Permittivität des Dielektrikums zur Steigerung der Kapazität der dielektrischen Schicht, wodurch unter anderem die Betriebsspannung des Transistors reduziert werden kann. Dieses Ziel sollte durch Komposite mit BaTiO3-Nanopartikeln erreicht werden. Zusätzlich zur Steigerung der Permittivität kann dies durch Verringerung der Filmdicke realisiert werden, was jedoch vermehrt zu Leckströmen führen könnte. Neben den dielektrischen Materialeigenschaften spielt vor allem auch die Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter eine wesentliche Rolle. Um die Interaktionen an dieser zu verbessern, wurden Comonomere mit selbstorganisierenden Seitenketten in die Polymerstruktur eingebracht. Die Kombination dieser Dielektrika mit chemisch angepassten Halbleitern mit vergleichbaren Seitenkettenfunktionalitäten soll dazu führen, dass die beiden Komponenten durch die Seitenketten verstärkt miteinander wechselwirken. Monomersynthesen sowie anschließende Copolymerisationen waren in hohen Ausbeuten und ausreichenden Molmassen bezüglich der Copolymere erfolgreich. Die strahleninduzierte Vernetzung konnte durch systematische Untersuchungen optimiert und die thermische Vernetzung bei moderaten Temperaturen nachgewiesen werden. Die Vernetzbarkeit von Copolymeren mit selbstorganisierenden Seitenketten erwies sich als gehindert. Hierfür wurde ein Vorschlag zur Erhöhung der Flexibilität der Vernetzerseitenkette unterbreitet. Für die Copolymere P(MMA/BPMA) und P(MMA/PgMA) konnten die Durchbruchfeldstärken in Folge der Vernetzung von < 0.3 MV/cm für PMMA auf bis zu mehr als 5 MV/cm gesteigert werden. BaTiO3-Nanopartikel konnten durch geeignete Methoden erfolgreich synthetisiert werden. Durch Variation der Reaktionsbedingungen war eine gezielte Steuerung der Primärpartikelgröße möglich. So wurden Partikel der Größe < 10 nm, 26 nm und 55 nm realisiert. Die Dispersion der Partikel in organischen Lösungsmitteln sowie in der Polymermatrix war stark abhängig von der Größe der Primärartikel, der Oberflächenmodifikation sowie der Neigung zur Agglomeration. Modifizierte Partikel mit einem Durchmesser < 10 nm konnten sehr gut in Lösungsmitteln wie auch in der Polymermatrix dispergiert werden (Abbildung 2). Eine Steigerung der relativen Permittivität der Nanokomposite blieb jedoch aufgrund der zu geringen Größe der Primärpartikel aus. Darüber hinaus wurden deutlich schlechtere Durchbruchfeldstärken beobachtet. Copolymere mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation sollten durch zwei Konzepte realisiert werden. Im ersten System führte die Polymerisation von x-[4-(4´-Cyanophenyl)phenoxy]alkylmethacrylaten mit Spacerlängen von x = 6 und x = 8 nur in Homopolymeren zu ausgeprägter Selbstorganisation. Copolymere mit 50 mol% waren weitgehend isotrop und wiesen zudem ungenügende dielektrische Eigenschaften auf. Das zweite System basiert auf semifluorierten Methacrylat-Copolymeren mit H10F10-Seitenketten (10 CH2- und 10 CF2-Gruppen). Diese zeigten schon ab einem Gehalt von circa 35 mol% gute Selbstorganisation und bildeten ein geordnetes alternierendes Schichtsystem aus Haupt- und Seitenketten im Bulk und in dünnen Filmen. Die dielektrischen Eigenschaften können mit denen bekannter fluorierter Polymerdielektrika wie CYTOP konkurrieren. Damit stehen die semifluorierten Copolymere zukunftsorientiert zur Kombination mit Halbleitern, welche die gleichen Seitenkettenfunktionalitäten tragen, bereit, um so durch starke Interaktionen zwischen Dielektrikum und Halbleiter die Grenzfläche zu optimieren. Mit thermisch vernetztem P(MMA/PgMA) konnten OFETs mit den Halbleitern Pentacen bzw. C60 erfolgreich hergestellt und vermessen werden. Beide Transistoren liefern gute und mit Literaturwerten vergleichbare Kenngrößen. Die Ladungsträgermobilitäten und Ion/Ioff-Verhältnisse betragen 0.3 cm²/Vs und 6.0x10^5 im Pentacen-basierten Transistor beziehungsweise 1.3 cm²/Vs und 4.4x10^5 im OFET mit dem Halbleiter C60. Damit konnte in dieser Arbeit die Steigerung der Durchbruchfeldstärke durch geeignete Vernetzung der Copolymere realisiert werden. Die thermische Vernetzung fand bei deutlich geringeren Temperaturen als zahlreiche in der Literatur beschriebene Reaktionen statt. Die Synthese und Modifizierung von BaTiO3-Nanopartikeln und auch die Bildung entsprechender PMMA-BaTiO3-Nanokomposite war erfolgreich, führte jedoch nicht wie erwartet zu einer Steigerung der relativen Permittivität der Dielektrika-Schichten. Vernetzbare und selbstorganisierende semifluorierte Methacrylat-Copolymere konnten polymerisiert und charakterisiert werden und stehen als innovative dielektrische Materialien für Untersuchungen in OFETs zur Verfügung. Das Copolymer P(MMA/PgMA) wurde zielführend in organischen Feldeffekttransistoren eingesetzt und führte zu guten elektrischen Eigenschaften der Bauteile.

La maîtrise de la communication et de l'information est un atout primordial dans les stratégies de pouvoir, qu'elles soient militaires, politiques ou commerciales. Celui qui est capable de transmettre l'information plus vite prend l'avantage sur les autres. Tel est le moteur de la croissance et du progrès dans le domaine des télécommunications. L'omniprésence grandissante des dispositifs communicants témoigne de l'expansion exponentielle qu'a connu ce domaine depuis les premières communications sans fil. À l'époque du all-in-one, la multiplication des applications au sein d'un même appareil nécessite l'utilisation de composants toujours plus performants et petits . Au cœur de ces systèmes, les filtres ont une importance grandissante. Dans un environnement spatial, les contraintes de fiabilité et d'encombrement sont particulièrement drastiques. Le choix des matériaux est par ailleurs limité, ce qui réduit les possibilités d'innovation. Cependant, l'amélioration de la précision et de la fiabilité dans les technologies de fabrication ouvre de nouvelles perspectives d'innovation et d'amélioration des composants. Ces travaux ont ainsi été motivés par ce souci d'apporter toujours plus de performance et de fiabilité, pour un encombrement moindre en tirant profit du potentiel offert par l'association du concept SIW et de la technologie LTCC. Les résultats mettent à jour de sérieuses dispersions technologiques. Cependant, le potentiel de l'association SIW/LTCC est démontré, et les difficultés rencontrées sont surmontables. Les filtres SIW en technologie LTCC présentent donc des atouts pour s'imposer comme une alternative sérieuse aux solutions existantes. / Control of communication and information is a key asset in the strategies of power, whether military, political or commercial. Whoever is able to transmit information faster takes advantage of others. This is the engine of growth and progress in the field of telecommunications. The growing ubiquity of communicating devices demonstrates the exponential growth experienced by this area since the first wireless communications. At the time of all-in-one, multiple applications within a single device requires the use of ever more powerful and small components. At the heart of these systems, filters are becoming increasingly important. In a space environment, reliability constraints and space are particularly dramatic. The choice of materials is also limited, which reduces the possibilities of innovation. However, the improvement of accuracy and reliability in manufacturing technologies opens new opportunities for innovation and improved components. This work has been motivated by the desire to bring more performances and reliability, a smaller footprint by taking advantage of the potential offered by combining the concept SIW and LTCC. The results update serious technological dispersions. However, the potential association SIW / LTCC is shown, and the difficulties are surmountable. SIW filters in LTCC therefore have advantages for itself as a serious alternative to existing solutions.

Résumé / Abstract

La polyaniline est un polymère conducteur intrinsèque aux potentialités indéniables dans le domaine de la micro-électronique. Elle allie la légèreté, le faible coût et la modularité des polymères avec les propriétés de conduction électrique des métaux. La mise à profit de ce mélange de propriétés à l’échelle industrielle nécessite une maitrise des procédés de mise en œuvre de la polyaniline, notamment sous forme de film polymère, domaine où il y a encore un manque de maitrise. Pour y remédier, il faudrait tout d’abord comprendre l’influence de chaque paramètre de mise en œuvre sur les propriétés de conduction du film de polyaniline. Pour cela, nous avons choisi une polyaniline plast-dopée commerciale à l’état de dispersion et avons fait une étude paramétrique sur l’effet du type de solvant utilisé pour la dispersion ainsi que celui de la température d’évaporation de celui-ci lors du dépôt du film. Deux types d’études ont été menés : la première porte sur les propriétés rhéologiques et diélectriques des dispersions de polyaniline et la seconde sur les propriétés structurales et de conduction des films. A travers la première étude, nous avons pu montré que lors du chauffage des dispersions de polyaniline, celles-ci subissaient une transition structurale liquide-liquide du second ordre dont les paramètres varient avec le type du solvant utilisé. A travers la seconde étude, nous avons aussi mis en évidence que les films déposés dans les domaines avoisinant la température transition de phase dans les mélanges liquides sont les moins conducteurs et les moins cristallisés. Selon le type de solvant choisi, deux mécanismes de conduction ont été trouvés : les sauts à portées variables tridimensionnel (VRH 3D), pour le cas de la série de films issus de la dispersion dans l’acide dichloroacétique et déplacement par effet tunnel induit par les fluctuations thermiques (FIT) pour la série de films issus de la dispersion dans le mélange acide dichloroacétique / acide formique. Il en ressort finalement que pour obtenir un film de polyaniline plast-dopée ayant la conductivité la plus élevée, il faut appliquer les conditions expérimentales qui permettent d’obtenir un degré de cristallinité élevé (298 K pour PANI/DCAA). / The purpose of this study is to perform polyaniline films with the highest conductivity. The effect of the solvent type and the casting temperature on the electrical properties of plastdoped polyaniline dispersions and films were investigated. For this purpose, rheological and dielectric investigations have been undertaken for dispersions of plast-doped polyaniline in two different solvents (dichloroacetic acid and formic acid / dichloroacetic acid mixture). Changes appearing above a certain temperature, 318K for PANI/DCAA and 313K for PANI/DCAA-FA, for both rheological dielectric and rheological parameters revealed the existence of a second order liquid-liquid structural transition occurring in the polyaniline organic dispersions. We also investigated the effect of the selected processing parameters on the film properties. We found that the DC conductivity mechanism is governed by Mott’s three-dimensional variable range hopping (3D VRH) model for PANI/DCAA films and by a fluctuation induced tunnelling model (FIT) for PANI/DCAA-FA films. Besides, the films cast at temperatures around the second order liquid-liquid structural transition temperature of polyaniline dispersions lead to the lowest conductivity and crystallinity, regardless of the solvent type used. A qualitative correlation was also found between the conductivity and the crystallinity of the polyaniline films. So, in order to obtain films with the highest electric conductivities, we have to apply experimental conditions leading to the highest crystallinity (298 K for PANI/DCAA).

Cette thèse s'inscrit dans le projet FUI-2011 BELOCOPA (Bouée Éjectable pour la LOcalisation et la COllecte des Paramètres de vol d'un Aéronef abîmé en mer). Il s'agissait de concevoir et de développer un équipement embarqué, extractible et autonome pour localiser rapidement et avec précision un aéronef abîmé en mer et récupérer par liaisons radio les principales données de vol à partir d'un patrouilleur maritime. Le but de cette thèse, au sein de l'Institut Fresnel, concernait l'étude et la réalisation de l'antenne principale de la balise. Cette antenne devait être très flexible et de petites dimensions pour être pliée et insérée dans un espace réduit de la balise et résistante lors son déploiement après son éjection de l'avion. La première partie du travail a eu pour objectif de caractériser en terme de permittivité les différents matériaux diélectriques entrant dans la constitution de la balise, à savoir les substrats sur lesquels sont fixées les antennes et le radôme. La deuxième partie de la thèse porte sur la conception d'antennes multi-bandes fonctionnant en modes dipolaires sur le plan de fréquences du cahier des charges du projet. Ces antennes ont la particularité d'être extrêmement souples. Cette souplesse a été obtenue en réalisant des motifs métalliques rayonnants sur une toile polyamide. Plusieurs motifs ont été étudiés et testés pour converger vers une antenne méandre fonctionnant à trois fréquences distinctes. A l'issue de cette étude, un prototype de l'antenne finale positionnée dans son radôme constitue le dernier maillon du prototype de la balise de détresse du projet BELOCOPA. / This thesis is part of the BELOCOPA project FUI-2011 (BELOCOPA means Ejected Buoy to LOcalize and COllect the data of a crashed plane in sea). It was about designing and developing an on-board, removable and autonomous, equipment to localize quickly and precisely an aircraft crashed in the sea, and to collect by telecommunication the main flight data from a patrol boat. The aim of this thesis, in the Fresnel Institute, was the study and the realization of the main antenna of the beacon. This antenna had to be very flexible with small dimensions to be folded and integrated in a reduced space of the beacon, and had to be strong during its deployment after the ejection of the plane. The aim of the first part of the work was to characterize in term of permittivity the different dielectric materials included in the composition of the beacon, namely the substrates of the antennas and the radome. The second part of the thesis was on the design of multi-band antennas working in dipolar modes on the frequency plan of the specification of the project. The characteristic of these antennas is to be very flexible. This flexibility was obtained realizing metal radiating pattern on a polyamide material. Several patterns have been studied and tested to get the final antenna with meander working at three different resonance frequencies. Following this study, a prototype of the final antenna integrated in the radome is the last link of the prototype of the distress beacon BELOCOPA.