Le potentiel des procédés d’impression dans les applications électroniques sur des supports en céramique a été démontré dans ce travail. Plusieurs techniques d’impression ont été étudiées : sérigraphie, flexographie, héliogravure et jet d’encre. Les propriétés de surface de plusieurs types de céramique ont été caractérisées avant et après frittage : taille des pores, rugosité et énergie de surface. Ces analyses ont permis de sélectionner les matières premières des encres les mieux adaptées à ces supports, ainsi qu’aux procédés d’impression considérés. Des formulations aqueuses à base de particules d’argent ont été privilégiées. Les propriétés de ces encres, rhéologie et tension de surface, ont été analysées et leurs effets sur la qualité des lignes imprimées (largeur, épaisseur et rugosité) ont été évalués. Après impression, les motifs ont été frittés. Des résistivités proches de celle de l’argent ont été obtenues (2 à 12x10-8 Ohm.m). L’originalité de ce travail réside notamment dans l’utilisation d’encres sérigraphiques à base d’eau et l’impression d’encres flexographiques sur des supports en céramique. Cette étude ouvre donc des perspectives pour l’industrialisation et la production de masse de composants électroniques sur supports céramiques souples. / This work demonstrates the printing processes potential for manufacturing ceramic based electronic devices. Several printing techniques were studied: screen printing, flexography, rotogravure and inkjet. Ceramic tapes surface properties were characterised: surface pore size, roughness and surface energy. These analyses allowed the selection of the inks raw materials adapted to the substrates and the printing processes. Water-based silver inks were formulated. Inks properties, rheology and surface tension, were analysed and their effect on line properties was investigated. Printed substrates were afterwards sintered. Resistivity values close to that of bulk silver were reached (2 to 12x10-8 Ohm.m). These work novelties are mainly the formulation of water-based environmentally friendly screen printing pastes and the flexography printing of silver inks onto ceramic substrates. This study offers new perspectives for the industrialisation and the mass production of electronic components on flexible ceramic substrates.

Les films à base de Si, C et N sont des matériaux multifonctionnels aux propriétés optiques, électroniques et mécaniques attractives pour des applications dans le domaine du photovoltaïque et de la microélectronique entre autres. Il existe une forte dépendance de ces propriétés par rapport à la structure. Ce travail de thèse a plusieurs objectifs. Le premier objectif est la mise au point d’un procédé de dépôt de films minces de SiCxNy:H dans un réacteur CVD assistée par plasma micro-ondes ECR avec les précurseurs organosiliciés héxaméthyldisilazane (HMDSN) et tétraméthylsilane (TMS). Le second objectif est la caractérisation des dépôts synthétisés dans ce nouveau réacteur et le développement d’outils de diagnostic afin d’étudier le dépôt en cours de croissance. Deux techniques de caractérisation in situ ont été développées. Un procédé d’extraction de la ligne de base interférentielle des spectres FT-IR permet la détermination des paramètres optiques dans l’infrarouge (indice de réfraction et épaisseur) du film sondé. Ce diagnostic est adapté aussi bien à une analyse post-dépôt qu’au contrôle de procédé in situ en temps réel. De plus, la mise au point de la technique de réflectométrie a permis le suivi et le contrôle des dépôts lors de leur croissance dans le domaine visible. L’influence de la température de dépôt, du flux de précurseur et de la puissance injectée dans le plasma ainsi que le vieillissement des films à l’air ont été étudiés dans un premier temps. Ces études ont permis l’établissement des paramètres de dépôts optimaux et la détermination des conditions menant aux dépôts les plus denses avec la meilleure résistance à l’oxydation. Dans un second temps, l’étude de l’influence du taux d’azote dans le mélange gazeux a permis la synthèse de films avec une composition variée allant d’un type SiC:H à un type SiN:H et ainsi d’obtenir une large gamme d’indices de réfraction. Enfin, l’utilisation d’un procédé de dépôt hybride couplant le plasma ECR micro-ondes dans un mélange gazeux contenant TMS à la pulvérisation d’une cible de Si, a mené à la synthèse de films plus riches en silicium améliorant la densité de liaisons Si-C et entraînant la hausse de l’indice de réfraction des films / Si, C and N based thin films are multifunctional materials with optical, electronical and mechanical properties showing great potential for photovoltaic and microelectronic applications and more. Those properties exhibit a strong dependency upon the structure of the thin film. Several goals were set for this thesis work: the development of a ECR microwave plasma assisted CVD deposition reactor using organosilicon precursors (hexamethyldisilazane or HMDSN and tetramethylsilane or TMS), the characterization of SiCN thin films deposited in this reactor, and the development of diagnosis tools suited for the analysis of the growing film. Two in situ characterization techniques have been developed. The interferential baseline extraction from FT-IR spectra enables the determination of thin film optical parameters (refractive index and thickness) in the infrared range. This diagnosis is applied as well with post-deposition analysis as with real time in situ control of the deposition process. Moreover, the development of a reflectometry diagnosis has allowed to monitor and control the deposition process in the visible range. Influence of substrate temperature, precursor flow and plasma power as well as thin film ageing has been studied. Those analyses have enabled the derivation of optimal deposition conditions leading to denser films with better oxidation resistance. Then, the variation of nitrogen concentration in the gaseous mixture has led to the synthesis of a wide variety of thin film compositions ranging from SiC to SiN like thin films with a large range of refractive index. Finally, using an innovative hybrid system coupling an ECR microwave plasma with the pulverization of a Si target, Si-richer thin films have been synthesized allowing for denser thin films with higher refractive indices owing to an increase in Si-C bonding.

En raison du risque d’un approvisionnement insuffisant en ressources primaires des terres rares et des impacts environnementaux générés par les zones minières, le concept de l’agromine paraît être une solution très prometteuse. Il permet d’extraire des métaux lourds à partir de sols pollués ou de friches industrielles, par une méthode respectueuse de l’environnement, grâce à la culture de plantes hyperaccumulatrices. Une fois la culture réalisée, des procédés hydrométallurgiques sont développés afin d’extraire des plantes les métaux ayant une valeur économique importante. Le présent travail vise à développer des procédés hydrométallurgiques pour l’extraction des terres rares à partir d’une plante hyperaccumulatrice appelée Dicranopteris dichotoma. Cette fougère est connue pour sa capacité à accumuler les terres rares, notamment les légères, dans sa partie aérienne. Différentes voies d’extraction, puis de séparation des terres rares des autres éléments, ont été étudiées. Dans un premier temps, des lixiviations de la biomasse sèche ont été mises en oeuvre. Les rendements de lixiviation selon la nature de l’extractant ont ainsi pu être comparés. Pour cette voie, une précipitation est ensuite effectuée, suivie d’une calcination pour obtenir les oxydes de terres rares. Dans un second temps, la lixiviation de la biomasse sèche a été intensifiée par un procédé d’échange d’ions au cours duquel les terres rares sont fixées sur la résine. Après avoir percolé sur la résine des solutions qui permettent d’éliminer des impuretés, l’élution permet d’obtenir une solution concentrée de terres rares. Enfin, une troisième voie d’extraction est réalisée à partir des cendres de D. dichotoma, après une étape de combustion. Cette voie repose sur une lixiviation alcaline des cendres permettant l’élimination des impuretés solubles dans ce milieu. Une dissolution du résidu est ensuite effectuée, suivie d’une précipitation sélective des terres rares. Les trois voies étudiées s’avèrent en fait complémentaires et la combinaison de certaines étapes peut s’avérer prometteuse, notamment pour éliminer certaines impuretés. L’étude de ces procédés et de leur combinaison mérite d’être poursuivie afin d’améliorer les rendements d’extraction et la pureté du produit final. Il s’agira ensuite de développer un procédé à l’échelle pilote puis industrielle / Due to the risk of primary resource supply of rare earths and the environmental impacts generated by mining areas, the concept of agromining seems to be a very promising solution. It allows the extraction of heavy metals from polluted soils or industrial wastelands, by an environmentally friendly method, thanks to the cultivation of hyperaccumulating plants. Once the culture is completed, hydrometallurgical processes are developed in order to extract from plants the metals having a significant economic value. The present work aims to develop hydrometallurgical processes for the extraction of rare earths from a hyperaccumulator plant called Dicranopteris dichotoma. This fern is known for its high ability to accumulate rare earths, especially light ones, in its aerial part. Different extraction and separation ways of rare earths from other elements have been studied. At first, leaching of dry biomass was implemented. The leaching yields according to the nature of extracting solutions could thus be compared. For this approach, precipitation is then performed, followed by calcination step to obtain rare earth oxides. In a second approach, the leaching of dry biomass was intensified by an ion exchange process during which, the rare earths are fixed on the resin. After percolating solutions on the resin in order to eliminate impurities, an elution step leads to obtain a concentrated solution of rare earths. Finally, a third extraction process is carried out from the ashes of D. dichotoma, after a combustion step. This approach is based on an alkaline leaching of the ash allowing the elimination of soluble impurities in this medium. The residue is then dissolved, followed by rare earths selective precipitation. These three approaches studied, are actually complementary and the combination of certain steps can be promising, especially to eliminate some impurities. The study of these processes and their combination deserves to be pursued in order to improve the extraction yields and the purity of final product. It will then develop a pilot scale and industrial process

La séparation et la purification de biomolécules à partir de milieux bruts, végétaux ou biologiques, est un sujet vaste etcomplexe. De sa compréhension et de son développement dépendent des enjeux industriels, et notamment le completdéveloppement des procédés biotechnologiques, les procédés de séparation, ou downstream processes, constituant environ 80% des coûts totaux de ces procédés. Ce travail se veut une contribution à ces problématiques. Il a été motivé par des résultatsobtenus au préalable dans le laboratoire qui montraient qu’il est possible de récupérer une protéine de très grande taille àpartir d’un milieu réel végétal par l’application d’une seule opération chromatographique (Kerfai, 2011). Suite à ce résultat,des hypothèses ont été énoncées, auxquelles ce travail essaie de répondre : quel(s) mécanisme(s) peuvent expliquer cerésultat ? Existe-t-il une localisation spécifique pour la fixation de la molécule sur l’échangeur d’ions qui rend plus simple etefficace sa récupération lors de l’étape d’élution ? Ainsi, notre objectif a été de progresser dans la connaissance des aspectsfondamentaux de la chromatographie d’échange d’ions appliquée à la séparation des protéines à partir d’un milieu brut.Notamment, l’influence de la présence d’autres protéines dans le milieu a été analysée, et ce dans le cas particulier deprotéines de poids moléculaire très différents, comme c’était le cas dans le travail précédemment cité. Des approches variées,théoriques et expérimentales à différentes échelles sur des milieux réels ou synthétiques, ont été appliquées et parfoisdéveloppées, pour essayer de répondre à ces questions. A l’échelle du procédé, une méthode statistique d’analyse desdonnées (Analyse en Composantes Principales ou ACP) a été menée, dont l’exploitation reste délicate. A l’échelle dulaboratoire, l’étude de l’équilibre et de la cinétique d’échange d’ions a été menée sur des solutions synthétiques de deuxprotéines : la sérum albumine bovine (BSA) (en tant que protéine de référence, couramment étudiée) et la ferritine (protéinede stockage du fer) de point isoélectrique proche de celui de la BSA mais de masse molaire plus élevée. Les résultatsmontrent que des modèles relativement classiques peuvent être appliqués, y compris pour les protéines de très grandes tailles,pour expliquer les aspects cinétiques de l’échange. Le couplage des flux de matière des protéines à l’intérieur des particulesde l’échangeur est très probable, malgré des diffusivités très différentes. Interpréter les résultats d’équilibre reste bien plusardu. La concentration en sel ou la présence de la BSA n’ont que très peu d’effet sur la rétention de la ferritine à l’équilibre.En revanche, la présence de la ferritine affecte très fortement la rétention de la BSA (pourtant plus favorable). Parmi lesphénomènes suggérés dans la littérature, l’effet Vroman a été recherché, mais il n’a pas été constaté dans le système pour lesconditions de travail utilisées. Les isothermes d’adsorption en conditions compétitives n’ont pas pu être simulées par lesmodèles habituels (comme l’isotherme multi-constituants de Langmuir), alors que celles des protéines seules sont tout à faitclassiques. En outre, un blocage partiel des pores de la résine par la ferritine reste probable, empêchant la diffusion de laBSA. Afin de vérifier ce dernier point, une méthodologie a été développée afin d’observer à l’échelle microscopique lesprofils de concentration des éléments représentatifs du système (P, Fe, Cl…) dans les particules. Cette méthode qui se trouveà un stade très avancé de développement, n’a pas encore permis de conclure faute de sensibilité suffisante des sondes àdisposition. / Bioseparations from crude media, vegetable or biological, is a large and complex subject. Future industrial issues depend ontheir understanding and development, namely for biotechnological processes as downstream processes represent up to 80 %of their total cost. This work hopes to contribute to these general questions. It is justified by previous results obtained in thelaboratory showing that it is possible to recover a high molecular weight (HMW) protein from a complex vegetal juice in justone chromatographic operation. Hypotheses have been formulated, to which this work tries to answer: what mechanism couldexplain this behaviour? Is-there a specific location inside particles for the uptake of such protein, facilitating the recoveryduring elution step? Our objective has been to progress on the knowledge of fundamental questions concerning ion-exchangechromatography and their applications for proteins recovery from complex media. The effect of the other proteins in solutionhas been analysed, specifically in the situation where both proteins have a very different molecular weight, as in the previouscited work. Theoretical and experimental approaches, at various scales, have been applied or developed on real or syntheticsystems in order to answer some of these questions. At the process scale, a statistical method for data analysis (PrincipalComponent Analysis or PCA) has been applied. The complete interpretation of its results remains very hard. At thelaboratory scale, equilibrium and kinetics of ion exchange have been studied for synthetic solutions of two proteins: bovineserum albumin (BSA) (as reference protein widely studied), and ferritin (iron storage protein) having similar isoelectric pointas BSA but with higher molecular weight. Classical models for ion-exchange kinetics can explain the experimental results,even for HMW proteins. Mass transfer fluxes seem to be coupled for both proteins, even if they have usually very differentdiffusivities. The interpretation of equilibrium results is much more difficult. Equilibrium uptake of ferritin is not, or lightly,influenced by salt concentration or BSA content. Nevertheless, the presence of ferritin in the medium affects strongly BSAequilibrium uptake (however more favourable). Among the phenomena suggested in the literature, the Vroman effect hasbeen researched but it does not take place under the experimental conditions applied. Simulation of multi-componentisotherms has not been possible by classical models (such as multi-component Langmuir isotherm), while protein isothermsin single solution are standard. Besides, a partial blockage of the resin pores by ferritin is possible, preventing BSA diffusion.Therefore, a methodology has been developed at the microscopic scale, with the aim to observe concentration profiles forrepresentatives elements (P, Fe, Cl …) inside particles. The method, well developed, does not allow to conclude for themoment, because the probes used were not sensible enough.

L'objectif de cette thèse est de développer un matériau cimentaire monolithe ayant une forte teneur en ettringite, capable de stocker et de déstocker de la chaleur, respectivement, par déshydratation endothermique et réhydratation exothermique. Une étude numérique et expérimentale du stockage de chaleur dans un réacteur thermochimique (prototype) contenant le matériau développé est aussi réalisée dans le cadre de cette étude. Pour atteindre ces objectifs, l'hydratation de différents liants ettringitiques a été suivie par DRX, ATG et MEB. Une simulation thermodynamique de l'hydratation a aussi été effectuée au moyen du logiciel GEMS (Gibbs Energy Minimization Sofware) afin d'optimiser la formulation du matériau. Le réseau poreux du matériau résultant a ensuite été amélioré par moussage chimique. Nous avons aussi étudié la durabilité et la stabilité du matériau ettringitique synthétisé (carbonatation, stabilité à la température, réversibilité du processus de stockage/déstockage sur plusieurs cycles). Pour prédire le comportement du système de stockage, un modèle bidimensionnel, prenant en compte les spécificités du matériau cimentaire, a été utilisé. Le bilan énergétique et massique dans le matériau poreux génère un système d'équations différentielles non-linéaires et couplées. La résolution numérique du système, effectuée en utilisant MatLab (r), est effectuée par discrétisation spatiale en utilisant la méthode des différences finies, et par intégration temporelle des variables d'état (température et pression de vapeur d'eau). La simulation du modèle, basée sur les propriétés mesurées du matériau en laboratoire, est ensuite utilisée comme outil de conception pour réaliser un premier prototype de réacteur thermochimique au laboratoire. Suite à ces essais, un prototype amélioré est ensuite élaboré et testé. Le résultat des essais de stockage et de déstockage de chaleur avec ces deux prototypes ont servi de validation du modèle numérique d'une part, et de preuve de concept du principe de stockage d'autre part. / The objective of this study is to develop an ettringite-based material with high energy storage density in low temperature conditions, allowing to charge and discharge heat by endothermic dehydration and exothermic rehydration, respectively; then to perform the numerical and experimental study of heat storage in a thermochemical reactor containing the produced material (prototype). To achieve these goals, the hydration of ettringite binders was followed by XRD, TGA and SEM. The thermodynamic simulation of the hydration was also performed using GEMS (Gibbs Energy Minimization Sofware). The porous network of the resulting material was improved by chemical foaming. Furthermore, the carbonation, thermal stability and reversibility tests were performed on the produced material. Physicochemical stability of the material over time was followed by XRD, TGA, SEM and IR. To predict the behavior of the storage system, a bidimensional model, taking account the specificities of the cementitious material, was developed. The heat and mass balance in the thermochemical reactor generates a system of non-linear and coupled differential equations. The numerical resolution was first made by spatial discretization using the finite difference method, then by temporal integration of variables (temperature and water vapor pressure) on MatLab (r). The model simulation, with material properties, was used as concept design to build the thermochemical reactor prototype in the laboratory (cylindrical adsorber). The result of heat storage tests with the prototype was used as proof of concept of the principle on the one hand, and a way to validate the numerical model.

La méthode du Pincement a été développée et utilisée dans le secteur de la pétrochimie. Le nombre de flux y est important et la consommation énergétique est un critère décisionnel fort. D'autres secteurs énergivores tels la métallurgie, la production de papier et de pâte à papier ou l'industrie agroalimentaire peuvent bénéficier de cette approche structurée. Par ailleurs, l'intégration d'utilités thermodynamiques complexes comme les pompes à chaleur ou les unités de cogénération peut réduire significativement la consommation d'énergie d'un procédé, sans avoir à en modifier la technologie.Un algorithme de conception d'un réseau d'échangeurs à partir de flux thermiques à été choisi dans la littérature, puis deux fonctionnalités lui ont été ajoutées : la différenciation des technologies d'échangeur et la prise en compte de flux "disponibilités" à température de sortie variable. Un module de présélection a été développé pour proposer et dimensionner des utilités thermodynamiques à partir de la grande courbe composite et d'un critère exergétique. Il est utilisé en amont de la conception du réseau d'échangeurs.Ces deux algorithmes ont été intégrés dans un logiciel dédié à l'intégration énergétique de procédés à partir des flux thermiques des opérations unitaires. Plusieurs validations ont été faites sur des cas théoriques de référence issus de la littérature ainsi que sur des cas industriels réels nécessitant la modélisation des procédés. L'enchainement des deux algorithmes débouche sur l'obtention de résultats concrets et technologiquement réalistes. L'amélioration apportée par les solutions est calculable à chaque étape. / The pinch analysis has been developed and exploited in the petrochemical sector. There are numerous heat fluxes and energy consumption is a strong decision criterion. Other energy-intensive sectors such as metallurgy, pulp and paper and food & drink industry can benefit from this systemic approach. Moreover, integration of complex thermodynamic utilities such heat pumps or Combined Heat and Power units can significantly reduce the energy consumption of a process, without having to interfere with the process technology.An algorithm for heat exchangers network design from heat fluxes was chosen in the literature and two features were added to it: Ability to pick different heat exchanger technology and creation of "availabilities" heat fluxes whose outlet temperature is variable. Preselection tool has been developed from grand composite curve and exergetic criterion to propose and pre-size thermodynamics utilities. It is used upstream of the heat exchangers network design step.These two algorithms have been integrated into a software for energy integration of process unit operations heat fluxes. Several validations were made on study cases from the literature as well as on industrial cases which require process modelling. The both algorithms sequence allows achieving practical and technologically feasible results. Improvement on energy consumption provided by the solutions can be calculated at each step.

Ce manuscrit a pour but d'étudier un nouveau dispositif générateur de cavitation dont le potentiel favorable à l'intensification de réactions chimiques est évalué. Ce dispositif est constitué d'une plaque mobile qui frappe un liquide contenu dans un réacteur. L'impact génère une forte augmentation de pression dans le milieu suivi d'une dépressurisation. Nous montrons que la couche de gaz/vapeur piégée entre le piston et la surface du liquide influence les pics de pression et les fréquences générées dans le milieu. La visualisation à l'aide d'une caméra rapide montre que la dépressurisation active les sites de nucléation à l'origine des bulles de cavitation qui grandissent et implosent en générant occasionnellement des jets de grande vitesse. Nous étudions aussi la réponse de bulles préexistantes. Nous identifions un rayon de bulle critique qui dépend de la hauteur d'impact, de la pression extérieure et des caractéristiques du piston. Les bulles dont le rayon initial est supérieur à la valeur critique implosent au moment de l'impact, tandis que les petites bulles ne sont activées qu'après (sous tension). Des évolutions de pression différentes sont observées après l'impact en fonction de la présence/absence de grandes bulles. Nous étudions enfin l'oxydation du phénol en montrant que l'impact sur l'eau pure est incapable de générer des espèces radicalaires responsables de la dégradation. En ajoutant du peroxyde d'hydrogène comme oxydant, la molécule est décomposée sous certaines conditions. En général, la quantité d'oxydant requise pour déclencher une oxydation significative diminue lors de l'augmentation de l'intensité de l'impact sur lequel dépend le taux de dégradation. / This manuscript aims at characterizing a new device based on a plate impact on a liquid surface to generate cavitation and evaluate its potential to induce chemical reactions. The device is composed of a reactor containing a liquid that a piston hits due to pressure difference. This impact generates a strong and uniform pressure increase in the medium followed by a depressurization. We show that the gas/vapor layer trapped between the piston and the liquid free surface influences the pressure peaks and frequencies generated in the medium. High-speed camera visualization shows that depressurization activates nucleation sites leading to bubble appearance in the solution. Bubbles expand and collapse intensively generating high velocity jets under some conditions. We also investigate the response of pre-existing bubbles. We identify a critical bubble radius that depends on the impact height, external pressure and piston’s characteristics. Bubbles with an initial radius larger than the critical one collapse at the moment of impact while smaller bubbles are only activated after it (under tension). Significant differences are observed in the pressure recordings after the impact depending on the presence/absence of large bubbles. We finally study the oxidation of phenol. We show that impacting on pure water is incapable of generating radical species responsible of the degradation. By adding hydrogen peroxide as an oxidant we show that the molecule is decomposed under certain conditions. In general, the amount of hydrogen peroxide required to initiate a significant oxidation decreases when increasing the intensity of the impact on which the degradation rate mainly depends.

La poudre de silicium métallurgique (MG-Si, pureté 99 %) ont été étudiées, en se focalisant particulièrement sur les particules fines (taille comprise entre 1 et 10 μm) Ce matériau est utilisé dans l’industrie siliconière pour la synthèse directe du diméthyldichlorosilane et est obtenu par broyage de blocs de silicium. Les propriétés de cette poudre sont cruciales pour le procédé industriel, à la fois en termes de surface spécifique, composition chimique et coulabilité. Comprendre l’influence des particules fines, qui dégradent la coulabilité, et leur origine au cours du broyage est donc d’une importance cruciale. Une nouvelle caractérisation, chimique et cristallographique, des poudres de MG-Si montre que les particules fines sont en moyennes moins chargées en éléments d’alliage que les particules plus grosses. La structure cristalline du silicium est inchangée au cours du broyage, sauf pour les particules superfines (taille inférieure à 1 μm). Celles-ci présentent des zones amorphes : cela montre qu’elles sont soumises à des contraintes plus importantes au cours du broyage, comme cette transformation étant obtenue au-delà d’un seuil de pression. Le comportement du MG-Si en broyage a été étudié pour la première fois. A l’échelle de la particule unique, il est confirmé que les fissures suivent une propagation transgranulaire. De plus, des particules fines peuvent être produites au cours d’un unique événement de broyage, en raison de l’activation simultanée de multiples systèmes de fissures qui peuvent brancher entre elles. La taille critique en-deçà de laquelle la déformation plastique est énergétiquement plus favorable que la propagation de fissure a été estimée à environ 1 μm par une méthode basée sur l’indentation. Ces deux résultats sont cohérents avec la répartition des éléments d’alliages en fonction de la taille de particule. A l’échelle multiparticulaire, une étude pilote en broyeur à tambour tournant a été menée. Les résultats de cette étude ne sont pas disponibles dans cette version publique du manuscrit. Veuillez vous reporter au manuscrit complet. Les conséquences sur la coulabilité de la présence de particules fines dans la poudre de MG-Si produite par broyage ont été caractérisées par mesures d’angle de repos, de dynamique de compaction et en fluidisation. En particulier, un nouveau comportement d’élutriation a été identifié et décrit : l’élutriation séquentielle se produit lorsque des particules fines sont initialement présentes dans le lit fluidisé et se caractérise par l’envolement d’abord des inférieures à environ 30 μm puis seulement des particules de taille supérieure. Ce comportement n’est pas observé en l’absence de fines dans le lit initial. L’explication de ce phénomène pourrait se trouver dans la formation de clusters polydisperses, formés seulement en présence de particules fines. En parallèle de l’élutriation séquentielle, des mesures électrostatiques avec un électromètre externe à la colonne ont montré la présence de potentiels très importants (10 kV), dont le signe correspond à la gamme de taille de particules envolées. Ceci suggère que l’adhésion au sein des clusters pourrait être électrostatique. / Metallurgical-grade silicon (MG-Si, 99 %) powders were extensively investigated, particularly focusing on the fine particles (whose size is between 1 and 10 μm) comprised in these powders. This material is a reactant widely used in the silicones industry for the Direct Synthesis and is obtained by size reduction of millimetric silicon lumps. Powder properties are major stakes of the industrial process. Smaller sizes favor high specific surfaces and high rates of production, but can decrease the lowability, thus inducing poor heat evacuation resulting in hot spots and a decrease in selectivity. Such lowability issues are particularly associated with fine particles, hence understand the generation of these particles during grinding is of critical importance. New chemical and crystallographic characterization of MG-Si is presented, showing that fine particles contain on average less alloying elements than larger particles, yet their crystallographic structure is preserved through grinding. On the contrary, superfine particles (smaller than 1 μm) exhibit amorphous zones: this transformation is pressure induced, showing that these particles experience larger stresses during the grinding step. The behavior of MG-Si in grinding mills has been studied for the first time. At the single particle level, it has been confirmed that transgranular fracture is preferred in MG-Si. Moreover, fine particles can be produced from a single fracture event, due to multiple crack propagation and branching. The critical size under which plastic deformation preferentially occurs over fracture has been evaluated to be approximately 1 μm. These two facts are consistent with a lower level of impurities in fines, yet remaining crystalline, and with superfines exhibiting amorphous areas. At the multiple particle level, pilot scale batch milling experiments have been performed. The results are not included in this public version of the manuscript, please refer to the full manuscript. The consequences of the presence of fine particles in ground MG-Si powder on lowability has been assessed by means of angle of repose, compaction tests and fluidization experiments. A new elutriation behavior has been observed and characterized: for naturally ground MS-Si powders (including fine particles), particles smaller than 30 μm are entrained first, then only larger particles. This was not the case in absence of fine particles. The explanation may probably lie within the presence of polydisperse clusters, formed only in presence of fine particles. Parallel to this elutriation behavior, electrostatic measurements with an external electrometer showed that high potential with sign correlated with the type of particle elutriated are attained during elutriation. This may suggest that electrostatics is responsible for cluster formation.

Le silicium obtenu par croissance cristalline de lingots massifs est l'une des matière les plus utilisées dans l'industrie du photovoltaïque (PV) en tant que substrat. Des contraintes résiduelles faibles apparaissent durant les procédés thermiques et mécaniques de fabrications. Malgré leurs faibles intensités, ces contraintes sont néfastes et induisent des casses importantes durant la mise en forme et la mise en fonctionnement des cellules solaires. Le but de l'étude est de caractériser ces contraintes résiduelles. La photoélasticimétrie infrarouge est une méthode adaptée pour déterminer ces champs de contraintes de quelques MPa de façon non-destructive, sans contact et in-situ à l'échelle du substrat. Un dispositif spécifique a été développé afin de mener à bien l'étude. Les origines des contraintes résiduelles ont été mises en relation avec les différents procédés de fabrication. / During the fabrication of crystalline silicon wafers for solar panels, destructive residual stresses are induced. Both thermal gradient (cast or Czochralski process) and cutting processes (slurry or diamond wire based processes) bring these global stresses. Photoelasticimetry appears as a powerful method able to measure this low level of stresses. As an optical technique, it is non-destructive, contactless and it may be used in-situ. A full field automatic infrared polariscope has been made to study the residual stresses at the wafer level. The origin of the residual stresses has been dissociated. Two different cutting processes are mechanically compared.

La microfiltration est un procédé baro-membranaire largement utilisé pour stabiliser et clarifier les jus de fruits ou pour concentrer leur fraction pulpeuse. Toutefois le colmatage membranaire limite la productivité économique du procédé. Même si de nombreuses études ont été menées pour comprendre et limiter le colmatage, aucun véritable outil n'est aujourd'hui disponible pour prévoir la filtrabilité d'un jus de fruits. Le développement de ce type d'outils prévisionnels est pourtant essentiel pour faciliter l'optimisation des conditions de filtration et pour une meilleure maitrise du colmatage membranaire. Dans ce contexte, l'étude a été axée sur l'identification de nouveaux critères de filtrabilité des jus de fruits au travers de la compréhension et de la caractérisation des mécanismes de colmatage qui interviennent.En choisissant le jus d'orange comme modèle, une approche statistique a permis, dans un premier temps, une sélection rapide et pertinente des caractéristiques physico-chimiques des jus de fruits directement corrélées à leur filtrabilité, à savoir la matière sèche totale, l'extrait sec soluble, le pH, la conductivité et la granulométrie. Ensuite, des stratégies expérimentales complémentaires basées sur des filtrations à l'échelle du laboratoire ont été proposées pour identifier les différentes fractions colmatantes en fonction de leur taille ainsi que les mécanismes de colmatage associés. Ces stratégies novatrices ont permis d'étudier le pouvoir colmatant du jus d'orange en prenant en compte toute sa complexité et de proposer par la suite des cartographies de composés colmatants. Ces cartographies s'avèrent particulièrement intéressantes pour anticiper le comportement colmatant des jus de fruits sans avoir recours à des filtrations longues et coûteuses à grande échelle. Les résultats ont montré que le phénomène le plus important qui régit le colmatage membranaire global au cours de la filtration du jus d'orange semble être le colmatage externe par dépôt. Les objectifs de la dernière partie du travail, ont été de considérer plus fortement le caractère complexe et hétérogène des jus de fruits, pouvant les conduire à des changements brutaux de comportement lors de leur filtration. Pour cela des mesures rhéologiques en mode dynamique couplées à une stratégie d'isolement spécifique des différentes fractions colmatantes du jus d'orange ont été menées pour déterminer le comportement viscoélastique de la fraction insoluble du jus d'orange au cours de sa concentration. Les observations ont montré que les énergies des interactions entre les particules insolubles sont des fonctions croissantes de la concentration de la fraction insoluble et dépendent de la taille des particules. De plus, la transition vers un comportement « solide » du jus d'orange semble être favorisée par la présence des fractions particulaire et supra-colloïdale. Ces observations sont cohérentes avec le mécanisme de colmatage prédominant dû à l'accumulation de ces fractions à la surface de la membrane. La confrontation de nouvelles études de filtrabilité à l'échelle du laboratoire avec la performance de la filtration à grande échelle permettra de généraliser les stratégies proposées pour prédire la performance de la filtration de nouveaux jus de fruits. / Microfiltration is a pressure driven process successfully used to clarify and stabilize fruit juices or to concentrate their pulpy fraction. However, membrane fouling remains the critical factor governing the overall economic productivity of this process. Even if, many studies have been made to understand and limit membrane fouling, to date, there stills a lack of predicting tools to evaluate the filterability of fruit juices. However, it is interesting to develop practical and efficient tools for the prediction of fruit juices filterability in order to adapt and optimize filtration conditions to the fouling behavior of the filtered juice. In this respect, this study focused on the identification of new criteria of fruit juices filterability through the comprehension and the characterization of the potential fouling mechanisms.First, orange juice was chosen as test matrix and a statistical approach was used to select simple and relevant physico-chemical characteristics of this juice in relation with its filterability, namely dry matter, TSS, pH, conductivity, and particles size. Later, additional experimental strategies based on filtration tests at lab-scale were developed to identify the relevant size-classes of foulant compounds and related fouling mechanisms. These innovative strategies allowed studying the fouling potential of orange juice with the consideration of its complexity and proposing cartographies of foulant compounds. These cartographies are particularly interesting to anticipate the fouling behavior of fruit juices without any costly filtration operation at large scale. Moreover, results showed that external fouling seems to be the predominant fouling mechanism governing the overall membrane fouling during orange juice filtration. Finally, the aim of the last part of the work was to highlight the role of the complex and heterogeneous nature of fruit juices in their unexpected behavior during their filtration. For this purpose, the viscoelastic behavior of orange juice suspended solids during their concentration was obtained from rheological measurements in dynamic mode coupled with specific isolation of orange juice foulant fractions. Results showed that the energy of the interactions between juice particles increased as the suspended solids concentration increased and depends on the particles size. Furthermore, the solid-like behavior of the juice was enhanced by the presence of supra-colloids and large particles. These observations are in accordance with the predominant fouling mechanism that is due to the accumulation of these fruit fractions on the membrane surface. The confrontation of new filterability studies at laboratory scale with the performance of large-scale filtration will enable to generalize the proposed strategies to predict the performance of filtration of new fruit juices.