La réfrigération magnétique (RM) constitue une technologie à fort potentiel en efficacité énergétique. Toutefois, son rendement demeure difficile à quantifier à cause des phénomènes magnétohydrodynamiques complexes qui surviennent au coeur du régénérateur ferromagnétique poreux. Les modèles existants de régénérateur sont unidimensionnels et effectifs. Leur simplicité excessive explique l'écart entre les données expérimentales extraites de prototypes et les résultats générés. Le modelé de régénérateur poreux présenté préconise une approche numérique directe appliqué sur un domaine tridimensionnel. Ce dernier est formé de canaux interstitiels définis par des agencements structurés de particules ferromagnétiques de Gd. Le fluide qui s'écoule dans les canaux régénère le solide ayant subi une variation de température induite par l'effet magnétocalorique (EMC). En somme, la résolution souple des équations de conservation, de mouvement et d'énergies est effectuée en considérant les propriétés du Gd (EMC, capacité calorifique) comme variables. La simulation d'un cycle de RM nécessite l'application d'astuces numériques spécifiques. La validité du modèle est évaluée à l'aide de données expérimentales et de comparaisons avec les résultats existants. Un montage expérimental a été construit ; des granules de Gd consolidés sont incluses dans un boîtier disposé dans le pôle d'un électroaimant dont la commutation induit l'EMC. Entre autres, des thermocouples insérés au centre de la structure poreuse permettent de mesurer le gradient de température le long du régénérateur. Les résultats générés par le modèle sont cohérents dans leur limite. Le bilan global d'énergie est respecté à 99.5%. Des corrélations de Nu et f spécifiques au régénérateur structure sont formulés. Les écarts de celles-ci avec les corrélations existantes et les données expérimentales indiquent qu'un raffinement du modèle est requis. En somme, le remplacement de la géométrie structuré par un milieu poreux aléatoire de faible densité (MPAFD) de large section doterait le modèle d'un réalisme accru.

Le réchauffement climatique par son ampleur et sa complexité, pose plusieurs points d'interrogation sur l'avenir de notre planète. Un des moyens proposés pour ralentir ce processus est la réduction de la production des gaz à effet de serre. Les domaines de la réfrigération essaient de se renouveler pour répondre aux nouvelles normes écologiques et l'une des alternatives les plus prometteuses est la réfrigération magnétique reposant sur l'effet magnétocalorique. Ce mémoire porte sur la recherche de nouveaux matériaux magnétoréfrigérants à large zone de travail et s'inscrit directement dans cet enjeu environnemental et économique qui vise à remplacer les systèmes de réfrigération classiques dans un futur proche. Dans un premier temps, nos travaux de recherche se sont focalisés sur les alliages Gd-Tb : différentes nuances de ces alliages permettraient d'élargir le domaine de travail en température. Leurs propriétés magnétocaloriques ont été déterminées et une première étude sur leur comportement en corrosion a été débutée dans différents fluides caloporteurs. Enfin, l'optimisation de leur mise en forme a été réalisée pour leur emploi dans le prototype de la société Cooltech Applications. Dans un second temps, nous avons étudié des composés monophasés comme les composés dérivant de Mn3GaC ou de Mn3Sn2 qui présentent plusieurs transitions magnétiques successives leurs conférant ainsi une large zone de travail. De nombreuses substitutions ont été réalisées simultanément sur les sites Mn et Sn du composé Mn3Sn2 continuant les travaux menés au sein de l'équipe sur Mn3Sn2 et ses dérivées depuis 2006 / The global warming by its scale and its complexity puts several questions on the future of our planet. One of the ways proposed to slow down this process is the reduction of the production of greenhouse gases. The domains of the refrigeration try to be renewed to answer the new ecological standards and one of the most promising alternatives is the magnetic refrigeration based on the magnetocaloric effect. This report concerns the research of new magnetorefrigerants with large temperature span and joins directly in this environmental and economic stake which aims at replacing the classic systems of refrigeration in a near future. At first, this research works focused on Gd-Tb alloys: various nuances of these alloys would allow to widen the temperature range. Their magnetocaloric properties were determined and a first study on their behavior in corrosion was begun in various coolants. Finally, the optimization of their shaping was realized for their use in the prototype of Cooltech Applications company. Secondly, we studied single-phase compounds as derivatives of Mn3GaC or Mn3Sn2 which present several successive magnetic transitions and thus a large temperature span. A lot of substitutions were simultaneously realized on the Mn and Sn sites of the compound Mn3Sn2 continuing the works led within the team on Mn3Sn2 and its derivatives since 2006

Ce travail porte sur la caractérisation des différentes propriétés physiques du composé Mn3Sn2 et de ses dérivés. Ce composé présente des propriétés magnétocaloriques remarquables qui font de lui un matériau réfrigérant prometteur pour une utilisation à grande échelle dans des systèmes de réfrigération magnétique à température ambiante. Dans un premier temps, des mesures de chaleur spécifique sous champ ont permis de compléter l'état des connaissances sur les propriétés magnétocaloriques du composé Mn3Sn2. Par la suite, l'étude des propriétés cristallographiques et magnétiques de l'alliage est abordée ; plus particulièrement la résolution de sa structure magnétique grâce à des mesures de diffraction des neutrons, ainsi que l'étude des symétries de la maille à l'aide de la théorie des groupes. Des mesures de spectrométrie Mössbauer viennent confirmer ces résultats et apportent des précisions quant aux mécanismes mis en oeuvre lors des transitions magnétiques. La diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron a ensuite permis d'étayer les hypothèses émises tout au long de ce travail. Enfin, l'étude de la structure par diffraction des rayons X sur monocristal conclut la caractérisation des propriétés structurales du binaire. La seconde partie de ce travail est consacrée à la synthèse et à la caractérisation des propriétés cristallographiques des dérivés pseudo-ternaires Mn3-xTxSn2 et Mn3Sn2-yXy (T = métal de transition, X = métalloïde). Une description détaillée du comportement magnétique et magnétocalorique de ces nouvelles familles de composés y est également présentée. De plus, dans le cas des alliages substitués au fer, des mesures de diffraction des neutrons permettent de comprendre et décrire les différentes configurations magnétiques adoptées après chaque transition magnétique / Not available

La réfrigération magnétique est une technologie émergente de production de froid. Elle constitue une alternative à la technique classique utilisant des fluides frigorigènes polluants. L'effet magnétocalorique qui en est à la base se traduit par le refroidissement ou l'échauffement de certains matériaux sous l'action d'un champ magnétique. Ce travail de thèse se situe dans le domaine de l'étude de ces matériaux et des dispositifs de réfrigération magnétique à aimants permanents autour de la température ambiante. Ainsi, des composés à effet magnétocalorique géant à l'ambiante de formule Mn1−x(Ti0.5V0.5)xAs ont été étudiés. D'autre part, un système complet de réfrigération magnétique à aimants permanents initié par une thèse précédente a été réalisé et testé. Enfin, pour relier ces deux thématiques, un dispositif de test a été réalisé. Il permet d'évaluer et de comparer les performances de ces nouveaux matériaux dans les conditions réelles de fonctionnement dans un bloc réfrigérant.

La réfrigération magnétique est une alternative verte et théoriquement plus efficace que les systèmes de refroidissement classiques utilisant des cycles de détente/compression de gaz nocifs pour l'environnement comme les CFC et les HCFC. Malheureusement, les meilleurs matériaux utilisés actuellement dans les prototypes de réfrigération magnétique sont très dispendieux (5000$/kg pour le Gd) ce qui limite leur utilisation. La découverte de l'effet magnétocalorique géant en 1997 près de la température ambiante a fait exploser le nombre de publications dans le domaine. La recherche du matériau idéal était lancée. Les principales caractéristiques recherchées sont un grand effet magnétocalorique et une grande capacité réfrigérante. L'effet magnétocalorique correspond au changement d'entropie lors de l'application d'un champ magnétique. Elle est importante près des transitions magnétiques. Parmi les familles de matériaux étudiées pour leur effet magnétocalorique, on retrouve les manganites. Avec des structures cristallines apparentées, le La[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6 (LNMO) et le Pr[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6 (PNMO), des doubles pérovskites, possèdent des transitions magnétiques légèrement sous la température ambiante, soit 280 K et 212 K. De plus, le caractère isolant, la stabilité et le faible coût de ces matériaux leur procurent un net avantage pour leur intégration dans des systèmes de réfrigération magnétique. Dans ce mémoire, la croissance par ablation laser pulsé de couches minces de doubles pérovskites (La[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6, Pr[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6) et d'hétérostructures de ces composés a été effectuée. Une caractérisation de la structure des échantillons à l'aide de la diffraction des rayons X a permis d'analyser les variations des paramètres de réseau en plan et hors plan en fonction de la température et de la pression d'oxygène lors de la croissance. La texture des couches a également été mesurée. La structure des échantillons a pu être mise en relation avec les propriétés magnétiques des matériaux. La variation de pression d'oxygène lors de la croissance permet de contrôler la proportion des phases ordonnée et désordonnée magnétiquement dans les échantillons de La[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6. L'aimantation à saturation ainsi que les températures de transition des phases ordonnée et désordonnée du LNMO sont obtenues à l'aide de mesures d'aimantation en fonction du champ magnétique et en fonction de la température respectivement. L'effet magnétocalorique a été mesuré sur tous les échantillons pour des gammes de températures allant de 10 K à 320 K. La variation d'entropie maximale de 2,1 J/kgK pour un champ magnétique de 0-7T est obtenue pour l'échantillon à 300 mTorr. Par contre, la présence de la phase désordonnée dans certains échantillons élargit le pic de variation d'entropie en fonction de la température augmentant ainsi la capacité réfrigérante de l'échantillon. La capacité réfrigérante est alors comparable à celle du Gd[indice inférieur]5Ge[indice inférieur]2Si[indice inférieur]2. De plus, une variation d'entropie en forme de plateau sur une très large gamme de température (55 K à 298 K) maximise l'efficacité des cycles thermodynamiques. Un plateau s'étalant sur une aussi grande gamme de température n'avait jamais encore été observé. Une autre technique pour élargir le pic de variation d'entropie est de combiner deux matériaux possédant des transitions magnétiques rapprochées en température. Une bicouche de LNMO/PNMO et une tricouche de LNMO/LPNMO(LaPrNiMnO[indice inférieur]6)/PNMO ont donc été déposées. Un plateau de variation d'entropie a été obtenue sur une gamme de température allant de 152 K à 298 K. Par contre, des problèmes dans la croissance du LPNMO ont nui au magnétisme et réduit grandement l'effet magnétocalorique. La faible aimantation rémanente, le faible champ coercitif et la nature isolante des échantillons leurs procurent également un avantage pour une application dans un système de réfrigération magnétique.

Fin des années 1980, la découverte de l'effet magnétorésistif géant, qui se caractérise par une variation importante de la résistance électrique d'un matériau lorsqu'on le soumet à un champ magnétique, a eu un impact très important tant au niveau des études fondamentales qu'en vue d'applications industrielles telles que la réduction de la taille des disques durs des ordinateurs (Prix Nobel d'A. Fert en 2007). L'engouement ainsi suscité a permis de mettre en évidence cet effet, au début des années 1990, dans les couches minces d'oxyde de type pérovskite ABO3 et plus particulièrement dans les manganites de terres rares (Ln1-xAx)MnO3. Le but de ce travail s'inscrit dans ce cadre et concerne l'élaboration et l'étude des propriétés physiques (structurales, magnétiques, de transport et magnétocaloriques) de nouveaux manganites qui pourraient avoir des applications dans un domaine connexe qui est la réfrigération magnétique. En effet, cette dernière décennie, a vu les découvertes de nouveaux composés présentant des effets magnétocaloriques géants qui ont conduit aux premiers essais de laboratoire de la réfrigération magnétique. Celle-ci semble être l'une des alternatives très sérieuses pour le remplacement des systèmes de réfrigération classique basés sur la compression-détente des gaz. Cette nouvelle technique, comparée aux techniques traditionnelles, présente plusieurs avantages, elle est plus efficace sur le plan énergétique, plus compacte et surtout moins nuisible à l'environnement. La première partie de ce travail porte sur l'élaboration et la caractérisation des composés de formule La1-xCexMnO3. Nous avons étudié l'effet du recuit sur les propriétés morphologique, structurale, magnétique et magnétocalorique de ces composés. L'application du modèle de Landau, en bon accord avec les résultats expérimentaux de la mesure l'entropie magnétique SM, a montré que la nature de transition de phase dépend aussi de la température de recuit. La composition x=0.4 de ce composé présente la valeur la plus élevée du facteur de mérite RCP, ce qui en fait un bon candidat pour les applications à la réfrigération magnétique. Dans une deuxième partie une étude des propriétés morphologique, structurale, magnétique et magnétocalorique des manganites de formule La0,7Ca0,15Sr0,15Mn1-xFexO3 a été réalisée. Le fer n'influe pas sur les propriétés structurales mais entraîne une diminution de la température de Curie TC. Afin d'approfondir ces études, nous avons proposé un matériau composite basé sur deux composés La0,7Ca0,15Sr0,15Mn1-xFexO3 (x = 0,025 et 0,75). La variation d'entropie du composite reste approximativement constante entre 260 et 300 K. En conséquence, ce matériau composite peut être un très bon candidat pour la réfrigération magnétique au voisinage de l'ambiante. Dans une dernière partie, nous avons étudié l'effet du double échange, de la méthode de préparation, le rayons du site A et la nature magnétique du dopant au site B sur les propriétés magnétocaloriques en caractérisant la famille des composés La0,6A0,4Mn1-xFexO3 (A= Ca, Sr et 0≤x≤0,2) par diffraction des rayons X et par mesures magnétiques. D'une part, l'entropie magnétique maximale augmente avec le rayon du site A et est peu affecté par le rayon du site B et d'autre part, la méthode de préparation solide-solide est à privilégier puisqu'elle permet d'obtenir les plus grandes valeurs d'entropie magnétique maximale. / Since the discovery of the giant magnetoresistance effect (end of 1980s), which is characterized by a large change in the electrical resistance of a material under the effect of a magnetic field, a major impact has been motivated both on fundamental and practical aspects (Nobel Prize of A. Fert in 2007). The intensive research activities in this field have leaded in the end of 1990 to point out the giant magnetoresitance in thin films of perovskite family, in particular the manganites (Ln1-xAx)MnO3. The aim of this work concern the study of the structural, magnetic, electrical and magnetocaloric properties of new manganites based materials in view of their application in the magnetic cooling. It is worth noting that in recent years, a giant magnetocaloric effect has been reported in several materials leading to the implementation of new efficient magnetic cooling systems. This technology is considered actually as the most alternative to replace the classical systems based on the compression-relaxation process. Compared with conventional refrigeration, magnetic cooling presents relevant advantages such as a decrease of energy consumption (high efficiency) and reduction of the acoustic and environmental pollution (elimination of the standard coolants: CFC, HCFC). The first part of this work concerns the elaboration as well as the characterization of the compound with La1-xCexMnO3 formula. We have studied the role of the annealing on the morphological, structural, magnetic and magnetocaloric properties of these materials. Using the Landau theory, we have calculated the magnetic entropy change ΔSM, which is found in good agreement with the measurements, and we have shown that the nature of the magnetic transition depends also on the annealing temperature. The compound with the composition x = 0.4, presents a large value of the figure of merit RCP, which make this material a good candidate for magnetic cooling application. In the second part, a detailed study of the morphological, structural, magnetic and magnetocaloric properties of the compounds with La0,7Ca0,15Sr0,15Mn1-xFexO3 formula has been performed. The iron Fe don't affect the structural properties, but induces a decrease of the Curie temperature. Based on the La0,7Ca0,15Sr0,15Mn1-xFexO3 (x = 0, 025 et 0,075) compositions, a composite material was proposed. The entropy change of the composite remains approximately constant in the temperature range between 260 and 300 K. Consequently, the proposed composite can be a good refrigerant for room temperature applications, in particular the magnetic cooling systems that use AMR or Ericsson thermodynamic cycles. In the last part, we have investigated the effect of the double exchange, preparation method and, ionic radius in A site and the magnetic nature on the doping in B site on the physical properties of La0,6A0,4Mn1-xFexO3 (A= Ca, Sr et 0≤x≤0,2) by using X-rays diffraction and magnetic measurements. The results demonstrate that the maximum entropy change increases with the ray of A site while it is slightly affected by the B site ray. On the other hand, it seems that the solid-solid preparation technique allows to obtain compounds with high magnetocaloric performances.

Les matériaux nanostructurés multifonctionnels à base de terre rare (R) et métal de transition (T) présentent un intérêt croissant dans la recherche scientifique. Le développement de cet axe est basé sur la maitrise de la structure fondamentale et le comportement de la matière à l’échelle nanométrique. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux alliages Pr5Co19, leurs dérivés carburés et hydrurés. Ce système cristallise dans la structure rhomboédrique de type Ce5Co19 de groupe d’espace R-3m. Le composé Pr5Co19 présente une transition magnétique de l’état ferromagnétique à l’état paramagnétique à 690 K. Une anisotropie uniaxiale avec un champ coercitif de l’ordre de 1.5 T ont été enregistrés à la température ambiante.Par ailleurs, Nous avons observé que l’insertion d’un élément léger tel que le carbone ou l’hydrogène est un moyen efficace permettant d’augmenter la température de Curie par rapport au composé parent. Les nanomatériaux, de formule générale Pr5Co19Hx, présentent des cycles d’absorption et désorption réversibles, avec une capacité d’absorption de l’hydrogène égale à 12H/f.u, soit 0.5 hydrogène par maille (H/M) au total.Parallèlement, nous nous sommes intéressés à l’étude de l’effet magnétocalorique des intermétalliques de type Pr-Co. Le composé Pr5Co19 présente un effet magnétocalorique géant de l’ordre de 5.2 J/kg.K pour un faible champ appliqué.Les nanomatériaux intermétalliques de type Pr5Co19 peuvent être ainsi considérés comme des composés multifonctionnels. Grâce à leurs propriétés structurales, magnétiques et magnétocaloriques, ils s’avèrent être de bons candidats dans le domaine des aimants permanents, mais aussi pour la réfrigération magnétique à haute température et pour le stockage de l’hydrogène, vu le besoin croissant en énergie alternative moins polluante / Multifunctional nanomaterials based on rare-earth (R) and transition metal (T) present a major interest in scientific research. We are interrested in the Pr5Co19 alloy. This system crystallizes in the rhombohedral Ce5Co19-type structure with space group R-3m. The Curie temperature Tc is about 690 K. We determined the value of the magnetization at saturation MS = 83 Am2 / kg using the approach law to saturation. A uniaxial anisotropy with a coercive field equal to 1.5 T at room temperature were obtained.Moreover, we have observed that the insertion of a light element such as carbon or hydrogen, allows to increase the Curie temperature of the system. The Pr5Co19Hx hydrides present a reversible cycle of absorption/desorption, with a hydrogen absorption capacity equal to 12H / f.u, or 0.5H / M in total.We are also interested in the study of the magnetocaloric effect of the intermetallics Pr-Co type. We have shown that Pr5Co19 compound has a giant magnetocaloric effect, of about 5.2 J / kg.K at low field.The intermetallic nanomaterials Pr5Co19 could be used as a multifunctional compound. These results indicate that it is an attractive alloy due to its structural, magnetic and magnetocaloric properties. It could be good candidates for permanent magnets, but also for magnetic refrigeration at high temperature and for hydrogen storage

Les différents accords environnementaux interdisent l'utilisation de fluides frigorigènes usuels (protocole de Montréal : FC et HCFC et protocole de Kyoto : HFC). Il est donc pertinent de mener, parallèlement aux travaux actuels sur les nouveaux fluides frigorifiques, des recherches de nouvelles solutions de production du froid assurant une haute efficacité énergétique et un faible impact environnemental. La réfrigération magnétique constitue une des solutions. Cette technologie est basée sur l'effet magnétocalorique (EMC), une propriété intrinsèque de certains matériaux magnétiques. Compte tenu de cette activité de recherche novatrice, nous avons opté pour une approche globale dans laquelle nous avons essayé de maîtriser les différents aspects de cette technologie : du principe physique à l'application. Pour ce faire, un ensemble d'outils d'aide à la compréhension et à la conception ont été développés et exploités pour le dimensionnement d'un dispositif rotatif à aimants permanents de réfrigération magnétique.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse est une contribution à l'étude et la modélisation thermique et électromagnétique des systèmes de réfrigération magnétique. Il montre déjà clairement que la conception et l'optimisation de ces systèmes doivent faire appel à des outils de simulation numérique spécifiques, car les difficultés liées au comportement thermique, au comportement magnétique, aux contraintes mécaniques et surtout aux besoins de l'utilisateur sont souvent nombreuses. Les modélisations thermique et électromagnétique ont été menées dans ce travail de manière indépendante. Nous espérons avoir posé, par ce travail, les jalons des systèmes de réfrigération magnétique qui permettront à des recherches ultérieures d'approfondir un ou plusieurs des systèmes proposés ou même de s'en inspirer pour faire la conception de nouveaux systèmes et les réaliser.

La réfrigération magnétique est une technologie innovante de production de froid, qui peut remplacer la technique classique de compression-détente de fluides frigorigènes. Son principe est basé sur l'effet magnétocalorique qui se traduit par le refroidissement ou l'échauffement de certains matériaux sous l'action d'un champ magnétique. Ce travail de thèse s'est déroulé dans le cadre d'un projet " CARNOT Energies du futur " et s'oriente vers l'étude magnétothermique et fluidique de systèmes de réfrigération. Pour cela, un outil numérique a été développé à l'aide du logiciel FLUENT afin de décrire le comportement thermique de différents régénérateurs, cœur même des systèmes de RM. En parallèle, deux systèmes de réfrigération magnétique ont été développés et améliorés, chacun d'eux présentant des performances intéressantes. Ces résultats ont permis de comprendre et définir les facteurs les plus influents sur leurs performances, et en déduire ainsi leurs conditions de fonctionnement optimales