La structure du gap supraconducteur et sa modulation sont intimement liées au potentiel d'interaction responsable de l'appariement des électrons d'un supraconducteur. Ainsi, l'étude de la structure du gap-SC et de sa modulation permet de faire la lumière sur la nature du mécanisme d'appariement des électrons. À cet égard, les résultats expérimentaux des supraconducteurs à base de fer ne cadrent pas dans un seul ensemble, ce qui est en opposition au gap-SC universel des cuprates. Dans ce qui suit, nous présenterons une étude systématique du gap-SC pour plusieurs pnictides. En effet, en utilisant la conductivité thermique, une sonde directionnelle du gap-SC, nous avons été en mesure de révéler la structure du gap-SC pour les composés suivants : Ba[indice inférieur 1-x]K[indice inférieur x]Fe[indice inférieur 2]As[indice inférieur 2], Ba(Fe[indice inférieur 1-x]Co[indice inférieur x])[indice inférieur 2]As[indice inférieur 2], LiFeAs et Fe[indice inférieur 1-[delta]] Te[indice inférieur 1-x]Se[indice inférieur x]. L'étude de ces quatre composés, de trois différentes familles structurales, a pu établir un tableau partiel mais très exhaustif de la structure du gap-SC de pnictides. En effet, tel qu'illustré dans cette thèse, ces quatre composés ne possèdent aucun noeud dans leur structure du gap-SC à dopage optimal. Toutefois, à une concentration différente de celle optimale pour les composés K-Ba122 et Co-Ba122, des noeuds apparaissent sur la surface de Fermi, aux extrémités du dôme supraconducteur. Ceci suggère fortement que, pour ces composés, la présence de noeuds sur la surface de Fermi est nuisible à la phase supraconductrice.

Cette étude porte sur l'estimation par méthode inverse d'un champ de conductance thermique de contact entre deux matériaux formant la paroi d'un réacteur métallurgique. Dans le cas du montage de réacteur métallurgique, il est essentiel de venir déterminer la conductance thermique de contact dans l'assemblage. Cela permet de venir identifier et corriger les défauts de contact avant la mise en fonctionnement du réacteur métallurgique.Cette étude utilise les méthodes inverses, particulièrement la méthode du gradient conjugué avec un problème adjoint, pour venir réaliser cette estimation. Dans cette étude, la méthode a été validée à l'aide de tests numériques représentant un diagnostic du contact thermique entre la paroi de carbone et la paroi d'acier du réacteur métallurgique avec différentes conductances thermiques de contact. Suite [i.e. à] cette validation, un test avec un bruit de mesure sur les températures de référence de la méthode inverse a été réalisé. Il a été démontré que, pour les tests réalisés sans bruit de mesure, l'erreur d'estimation générale est inférieure à 2%. Pour le test avec un bruit de mesure de «0, 025 K le défaut de contact a été localisé à la bonne position, en revanche l'erreur d'estimation est de 39%. Dans un second temps, des tests supplémentaires ont été réalisés pour observer l'évolution de l'erreur d'estimation en fonction de deux nombres sans dimension, le rapport de conductivité thermique et le nombre de Biot. Cela a permis de conclure qu'il faut avoir simultanément un rapport de conductivité thermique supérieur à 1 et un nombre de Biot supérieur à 0,05 pour obtenir une estimation précise dans les cas étudiés. La méthode permet de venir estimer la conductance thermique de contact, d'une manière novatrice et non intrusive, dans un mur de réacteur métallurgique.

Le silicium s’avère intéressant pour améliorer la quantité d’énergie pouvant être stockée par un accumulateur Li-ion lorsqu’il est utilisé à l’anode. Sa capacité de charge théorique exceptionnelle (4200 mAh g[indice supérieur -1]) classe cet élément au tout premier rang parmi les matériaux pouvant être utilisés. Toutefois, la forte expansion volumique liée à sa lithiation limite son utilisation. Il existe par contre certaines méthodes permettant de minimiser l’impact négatif de cette expansion. Toutefois, ces méthodes impliquent une synthèse en deux étapes et nécessitent l’utilisation d’un substrat. L’approche présentement étudiée consiste en la production simultanée de nanotubes de carbone et de nanoparticules de silicium par carboréduction thermique de la fumée de silice dans un réacteur plasma à induction. La matrice carbone/silicium ainsi formée semble être un bon candidat comme matériau d’anode ; sa granulométrie et sa composition sont analysées par microscopie électronique, par diffraction des rayons X, par analyse de surface spécifique et par analyse thermogravimétrique. De plus, l’utilisation de la fumée de silice comme source de silicium constitue une approche économiquement viable, cette dernière étant un sous-produit de la production de silicium métallurgique et étant peu valorisée.

L’α-spodumène, soit α-LiAlSi[indice inférieur 2]O[indice inférieur 6] est un aluminosilicate de lithium qui provient d’une roche magmatique appelée pegmatite. Le minerai de spodumène est traité en industrie afin d’en extraire son contenu en lithium. Après purification, le minerai de spodumène est calciné afin d’activer la conversion irréversible de sa phase α (monoclinique) vers sa phase β (tétragonale), pour en extraire le lithium. Les objectifs de ce projet sont d’étudier dans la conversion α vers β d’un minerai de spodumène dans un four rotatif en fonction des différents paramètres opératoires (température, temps, concentration de spodumène, concentration d’eau), en utilisant les résultats des méthodes de caractérisation de la diffraction de rayons X (DRX) et de la calométrie différentielle à balayage (DSC). Ces méthodes sont rapides, permettent de prédire et suivre le comportement thermique d’un minerai de spodumène lors de son traitement dans un four rotatif. L’analyse par DRX démontre la complexité minéralogique des différents échantillons étudiés avant leur calcination. Les données de DRX du β-spodumène permettent de quantifier le taux de conversion calculé de l’α vers le β spodumène, en utilisant la loi de Beer-Lambert. Les courbes de DSC présente toutes les transformations se déroulant dans les échantillons, ainsi que la conversion du spodumène (vers 1010 °C) et la liquéfaction du matériel (qui débute vers 1060 °C). Les courbes de DSC illustrent convenablement le modèle thermique qu’adopterait un échantillon durant son traitement thermique. À partir des résultats de la caractérisation, une étude thermodynamique sur la pegmatite de spodumène a permis de développer les diagrammes de phases pseudo-binaires. Selon les modèles simplifiés, le système spodumène-albite-quartz atteint un eutectique à 1060°C, le système spodumène-microcline-quartz atteint le sien à 1171°C, tandis que l’eutectique système albite-microcline-quartz est à 930 °C. Un four rotatif d’échelle laboratoire a permis l’étude de l’effet de la température, du temps de résidence, du taux d’humidité et de la concentration de spodumène. Les résultats montrent que le taux de conversion calculé diminue lorsque la concentration d’impureté ou la concentration d’eau dans le système augmente. Aussi, le taux de conversion calculé augmente en fonction de la température et le temps. Cependant, en cas de liquéfaction du matériel durant le traitement thermique, le taux de conversion diminue considérablement avec la liquéfaction du matériel. Ce dernier influence la formation d’agglomérat dans le four rotatif et résulte en une vitrification du matériel. Finalement, les conditions optimales de la conversion d’un minerai de spodumène dans le four rotatif sont à 1050 °C pour un temps de résidence de 15 minutes.

Les problématiques liées à la gestion de la chaleur sous capot sont importantes lors du développement de nouveaux véhicules terrestres. Jusqu’à maintenant, les approches les plus courantes pour les caractériser et s’assurer du bon comportement des véhicules étaient principalement expérimentales. Les test sont de plus en plus remplacés par des modèles numériques permettant un gain financier et de temps considérable. L’approche numérique est désormais répandue dans l’industrie automobile, et on l’applique ici dans le cas d’une motoneige afin de caractériser son comportement aérothermique, à l’aide de l’outil CFD. L’utilisation du modèle, validé à l’aide d’essais sur le terrain, permet alors l’optimisation des paramètres influençant la gestion thermique, et ainsi l’harmonisation des traitements acoustiques appliqués en vue d’une réduction de bruit tout en respectant les besoins de refroidissement de ces appareils.

Le but de ce projet de maîtrise est d’explorer la dynamique des jonctions Supraconducteur/métal Normal/Supraconducteur (SNS) diffusives dans un régime de fréquence de l’ordre du temps électron-phonon, soit l’échelle de temps sur laquelle un électron diffuse sur les phonons. Les jonctions utilisées possèdent des bornes en niobium tandis que le métal normal est de l’aluminium. Les mesures sont réalisées à des températures supérieures à 1.4 K, soit au-dessus de la température critique de l’aluminium (1.20 K) et largement en dessous de celle du niobium (9.26 K). On étudie ces jonctions en mesurant leurs caractéristiques courant-tension lorsqu’elles sont excitées avec un signal radio-fréquence (rf). Pour une demi-période d’excitation sinusoïdale (demi-cycle), on observe deux possibilités : soit la jonction reste dans l’état supraconducteur, soit elle transite vers l’état normal. En variant la fréquence et l’amplitude de l’excitation, on relève la statistique de ces transitions. On met ainsi en évidence des changements dans le comportement dynamique de la jonction lorsqu’on varie les paramètres de l’excitation. Si l’on fixe la fréquence d’excitation à une valeur suffisamment basse et qu’on augmente progressivement l’amplitude de cette excitation, on observe une variation graduelle du pourcentage de cycles (ou demi-cycles) d’excitation sinusoïdale où la jonction transite de l’état supraconducteur à l’état normal. Pour les très basses fréquences, cette variation se fait sur un intervalle d’amplitude d’excitation qui coïncide avec la largeur de la distribution du courant critique de la jonction. En augmentant la fréquence d’excitation, cette variation est de plus en plus abrupte et devient un saut discontinu au-delà d’une fréquence critique [florin]*. Ce saut discontinu à haute fréquence s’accompagne d’une hystérèse. Pour un régime de fréquence intermédiaire, les cycles présentant une transition vers l’état normal se regroupent dans le temps et forment des blocs de transitions vers l’état normal. On a montré que la durée moyenne de ces regroupements croît exponentiellement avec la fréquence. Par exemple, pour une température de 1.4 K, la durée moyenne de ces regroupements peut varier de sept ordres de grandeur sur la plage de radio-fréquence étudiée. Enfin, ces comportements dynamiques sont fortement dépendants de la température. En caractérisant ces changements de comportement en fonction des divers paramètres d’excitation et de la température, on met en évidence que le bruit thermique associé au bain de phonons fait partie intégrante du mécanisme causant les regroupements dans le régime de fréquence intermédiaire. À suffisamment basse fréquence (ou à toutes les fréquences dans l’approximation que la dynamique n’affecte pas le « bain »), la caractérisation de ce régime transitoire constitue en soi une « mesure » de l’occurrence d’événements rares, ici les fluctuations thermiques menant la jonction à transiter vers l’état normal.

L’impact des interactions hétérogènes entre la glace et les gaz traces sur la physico-chimie atmosphérique est à présent bien établi. A cause des propriétés spécifiques de la glace atmosphérique la quantification de cet impact reste encore très incertaine. Dans ce contexte nous avons étudié la solubilité et l’incorporation de formaldéhyde (H2CO) dans la glace, ce composé appartenant à la famille des composés organiques volatils qui ont une influence majeure sur la capacité oxydante de l’atmosphère. A l’aide de la spectrométrie de masse et de la spectroscopie d’absorption infrarouge par diode laser accordable, nous avons analysé la pression de vapeur de H2CO au-dessus des solutions aqueuses de formaldéhyde (10-3 à 30 mol %) à l’équilibre liquide vapeur à T = 295 K. L’analyse des solutions à faible concentration (<1mol %) a conduit à la détermination de la constante de Henry (H), paramètre thermodynamique important pour mieux comprendre la répartition de H2CO dans l’atmosphère. Cette étude a ensuite été étendue à T = 273 K, où une inversion dans la dépendance de H avec la température a été observée. Les mesures sur la phase gaz des solutions aqueuses concentrées ont servi à estimer la concentration de formaldéhyde dans les films de glace obtenus par co-condensation à basse température. Lors de l’analyse par la diffusion Raman, nous avons trouvé que lors du recuit sous une atmosphère d’azote, le mélange amorphe H2O-H2CO se transformait dans une structure clathrate à T = 148 K, même à faibles concentrations (~10-3 mol∙mol-1). L’azote gazeux s’adsorbe à la surface de la glace et semble agir par la suite comme un noyau de cristallisation pour la formation du clathrate de H2CO. / The impact of the heterogeneous interactions between the ice and the traces gases in the atmospheric physico-chemistry is now well established. However, because of the specific properties of the ice atmospheric crystals the quantification of this impact still remains very uncertain. In this context we have studied the solubility and the incorporation of the formaldehyde (H2CO) in the ice. This compound belongs to the group of volatile organic compounds (VOC), which have a major importance in atmospheric chemistry. By using mass spectrometry and infrared tunable diode laser absorption spectroscopy we analyzed the partial pressure of H2CO above the aqueous formaldehyde solutions at vapor liquid equilibrium. This has been done at T = 295 K, on a range of concentration going from 10-3 to 30 mol%. The analysis of the solutions with a concentration < 1 mol % leads to the determination of the Henry’s law constant (H) of formaldehyde. This is a key thermodynamic parameter to better characterize the distribution of formaldehyde in the atmosphere. This study was extended at T = 273 K, where an inversion in the dependence of H with the temperature was observed. Measurements on the gas phase of the concentrated aqueous solutions are used to estimate the formaldehyde concentration trapped in the ice films obtained by co-condensation at low temperatures. By annealing the ice-formaldehyde films we have found by Raman scattering that formaldehyde forms a clathrate hydrate phase at 148 K, even at low H2CO concentrations. The gaseous N2 adsorbs at the porous ice surface and forms a clathrate that will act as nucleation seed for the H2CO clathrate formation.

Le séléniure de fer, FeSe, est un matériau prometteur qui attire beaucoup d'attention depuis qu'il a décroché le record de la température critique la plus élevée chez les supraconducteurs à base fer. L'absence d'une phase magnétique à proximité de sa phase supraconductrice cause un questionnement sur la nature du mécanisme d'appariement des électrons dans ce supraconducteur. La symétrie avec laquelle ce mécanisme opère peut être déterminée en identifiant la structure et la symétrie du gap supraconducteur du FeSe. Plusieurs études du gap ont été menées, mais elles n'ont pas permis d'arriver à un consensus. Certaines mesures détectent des noeuds dans le gap supraconducteur tandis que d'autres rapportent un gap non nodal. L'incapacité à réconcilier les données existantes est en partie due au manque de mesures effectuées sur des monocristaux propres étant capables de résoudre des excitations à très basse énergie. Ce mémoire présente une étude du gap supraconducteur du FeSe utilisant la mesure de la conductivité thermique dans la limite où la température tend vers zéro comme sonde. Dans ce régime de température, il a été possible d'examiner les excitations à très faible énergie de l'état supraconducteur à l'aide d'un champ magnétique finement ajusté. De cette manière, un portrait très détaillé de la dispersion en énergie des quasiparticules a été dressé. Nous ne détectons pas de quasiparticules à énergie nulle et excluons donc la présence de noeuds sur le gap supraconducteur. Nous observons un comportement de supraconducteur à deux bandes, suggérant que les deux poches de la surface de Fermi ont des gaps différents dont les amplitudes diffèrent par un facteur 10. De plus, la grandeur du plus petit de ces deux gaps varie lorsque le niveau de désordre du matériau change, ce qui suggère que le petit gap est anisotrope. Cette dernière observation permet de réconcilier les études antérieures puisqu'une anisotropie du gap peut engendrer des noeuds accidentels sur le gap si le niveau de désordre du matériau est suffisament bas. Quelques études très récentes, parues en même temps que les résultats présentés ici, corroborent le scénario proposé et sont présentées à la fin du mémoire.

La problématique de la sauvegarde de l’énergie pose un certain nombre de défis à la science, en particulier celui de son efficacité. La conception et la caractérisation de nouveaux matériaux isolants thermiques plus performants se révèlent donc fondamentales dans cette perspective. Les aérogels se présentent comme de sérieux candidats dans ce domaine, leur procédé de fabrication confère à certains d’entre eux des caractéristiques extrêmes telles qu’une grande porosité et une faible masse volumique. La caractérisation thermique de tels matériaux est délicate, leur faible sensibilité aux flux thermiques qui les traversent rend les méthodes connues difficiles à mettre en œuvre. A travers l’étude d’échantillons d’aérogels de faible poids moléculaire conçus au LCPM, une méthode de caractérisation adaptée a été développée. Cette méthode de type « tri-couche » offre les avantages d’être robuste et de s’affranchir de la connaissance de paramètres difficiles à atteindre dans de tels cas. La description et la validation de cette méthode sont l’objet principal de ce travail. Par ailleurs, les mesures de conductivité thermique sous vide ont été exploitées et ont permis une compréhension plus poussée de la structure de ces aérogels. Les résultats obtenus dans cette étude ouvrent donc des perspectives en vue de l’optimisation de nouvelles solutions pour l’isolation thermique / The issue of preserving energy raises a number of challenges to science, particularly its efficiency. The conception and characterization of new more efficient thermal insulating materials prove fundamental in this regard. Aerogels appear as serious candidates in this area, their manufacturing process provides extreme characteristics such as high porosity and low density for some of them. Thermal characterization of such materials is tricky, their low sensitivity to heat flux makes well-known methods difficult to implement. Through the study of low molecular weight aerogel samples designed by the LCPM a characterization method suitable to these samples has been developed by the LEMTA. This “three-layers” method offers the advantages of being robust and to overcome the knowledge of parameters that are difficult to reach in such cases. Describing and validating this method is the main object of this work. In addition, thermal conductivity measurements under vacuum have been processed which allowed a deeper understanding of the structure of aerogels. The results obtained this study open perspectives for the optimization of new solutions for thermal insulation

Les structures géothermiques agissent comme éléments échangeurs de chaleur en plus de leur rôle majeur en tant que structures porteuses. De ce fait, ils sont soumis à des sollicitations thermiques en plus des charges mécaniques. Cependant, leurs méthodes de dimensionnement ne sont pas encore clairement définies. Ce travail est divisé en deux parties principales qui couvrent le dimensionnement thermique et mécanique des pieux géothermiques et des parois moulées. En ce qui concerne les performances thermiques des structures géothermiques, deux stratégies sont introduites qui sont capables d'évaluer les énergies conductives et advectives échangées admissibles. Ils permettent de distinguer les différentes formes d'énergies échangées et montrent comment elles peuvent varier en cas de chargement thermique cyclique. Des modèles numériques couplés thermo-hydraulique bidimensionnels et tridimensionnels ont été réalisés et la performance thermique des structures géothermiques a été évaluée en fonction des deux approches présentées. En ce qui concerne le dimensionnement mécanique, ce travail couvre les problèmes liés au choix de la sollicitation thermique que le concepteur doit considérer pour la conception mécanique des structures géothermiques telles que le nombre de cycles, l'amplitude thermique cyclique et l'influence de l'ordre de chargement thermique. Ce travail traite ces problèmes dans le but de faciliter la conception des structures géothermiques. Des recommandations sont données pour la conception mécanique des pieux géothermiques et des parois moulées basées sur les résultats obtenus à partir des analyses numériques thermo-mécanique. / Geothermal structures act as heat exchanger elements in addition to their major role as bearing structures. Thus, they are subjected to thermal solicitations as well as to mechanical loading. However, their design methods are not clearly defined yet. This work is divided into two main parts that cover the thermal and mechanical design of thermo-active piles and diaphragm walls. Regarding the thermal performance of geothermal structures, two strategies are introduced that are capable to evaluate the allowable exchanged conductive and advective energies. They help to distinguish between different forms of exchanged energies and show how they may vary under cyclic thermal loading. Two and three dimensional hydro-thermal numerical models have been conducted and the thermal performance of geothermal structures has been evaluated based on the two presented approaches. Regarding the mechanical design, this work covers the issues related to the choice of the thermal solicitation that the designer has to consider for the mechanical design of geothermal structures such as the number of cycles, cyclic thermal amplitude, and influence of the thermal loading order. This work deals with these issues with the aim to facilitate the design of geothermal structures. Recommendations are given for the mechanical design of both thermo-active piles and diaphragm walls based on the results obtained from the thermo-mechanical numerical analyses.