Ce travail s'inscrit dans la problématique de l'optimisation des transferts thermiques et électriques dans les composites à matrice polymère. Il a été démontré que l'introduction de particules conductrices dans une matrice isolante permet d'en augmenter la conductivité thermique. À l'échelle macroscopique, les mécanismes résistifs sont influencés par un jeu complexe de paramètres : nature des constituants, morphologie de la phase dispersée et interactions entre matrice et particules. L'influence de ces différents paramètres sur les propriétés thermiques de composites PEEK/particules d'argent submicroniques a été analysée. Les données expérimentales ont été comparées à des modèles afin d'interpréter l'origine structurale de l'évolution de la conductivité thermique observée. L'approche complète des mécanismes de conduction thermique implique l'analyse des composantes capacitive et diffusive. La capacité calorifique, la diffusivité thermique et la conductivité thermique sont liées aux échelles microscopiques et macroscopiques. Ces propriétés ont été étudiées en fonction du taux de particules et de la température. / This work deals with the optimization of thermal transport mechanisms in polymer-based composites. It has been demonstrated that the introduction of conductive particles in a polymer matrix contributes to thermal conductivity enhancement. At macroscopic scale, resistive mechanisms are ruled by a complex set of parameters: constituents' nature, dispersed phase morphology and matrix/particles interactions. The influence of these parameters on PEEK/silver submicron particles composites has been studied. Experimental data have been compared to models to analyse the structural origin of thermal conductivity evolution. A global approach to study heat transport mechanisms imply the multiscale understanding of capacitive and diffusive contributions. Heat capacity, thermal diffusivity and thermal conductivity have been studied as a function of particles content and temperature.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la nanothermique, c'est à dire, l'étude des transferts de chaleur à l'échelle du nanomètre, pour lesquels la loi de Fourier n'est plus valide. A cette échelle, l'interface domine le transport thermique par sa résistance au flux d'énergie thermique. Cetterésistance se manifeste par une discontinuité de la température aux interfaces. Il est important de pouvoir la prédire afin de contrôler et aménager les flux thermiques dans les application en microélectroniques où la taille des transistors modernes devient nanomètrique. Le but de cette thèse est d'une part, d'étudier la transmission angulaire des phonons et prédire la résistance de Kapitza aux interfaces entre solides, de quantifier le transfert d'énergie assuré par les phonons au travers d'un gap de vide nanométrique, et d'autre part d'étudier le transfert thermique dans un système nanoparticule cœur-coquille immergé dans l'eau. Nous avons développé une nouvelle méthode de dynamique de réseau couplée à l'utilisation de constantes de force issus des calculs ab-initio. Cette méthode permet d'obtenir la transmission des phonons entre deux solides, en fonction de leur fréquence et vecteur d'onde, en tenant comptede la dispersion des phonons en volume dans les deux milieux. Nous avons également appliqué la méthode pour décrire le transfert thermique à travers un gap de vide entre deux solides. Enfin, nous nous sommes intéressés au transfert thermique autour d'une nanoparticule (NP) immergée dans l'eau et chauffée par un faisceau laser. Nous avons comparé l'efficacité de chauffage des NPs homogènes d'or à celles de type cœur-coquille or-silice / This thesis is devoted to the study of interfacial thermal transport at the nanoscale where Fourier’s law is not valid. This is because, at this scale, phonon mean free path becomes smaller to the characteristic length of the system, thus the heat transfer is no longer diffusive but rather ballistic. As a consequence, the thermal boundary resistance (TBR) becomes a determinant factor in heat transfer. The goal of this thesis is, firstly, to study phonon transmission and predict the thermal boundary conductance at interface between two solids. To this end, we have developed a new approach, which combines lattice dynamics calculations and inputs from ab initio, and we have applied our LD model to two types of solid structures: the face-centered cubic (FCC) crystal solid and the diamond-like crystal solid.Secondly, we aim to quantify the phononic contribution in heat transfer across a nanometric vacuum gap that separates two solids. We have used this ab initio LD model to predict the contribution of phonons in the heat transfer across a vacuum gap in two systems: the Au/vacuum-gap/Au and the Si/vacuum-gap/Si. Our results indicate that phonons do contribute significantly to heat transfer across a nanometric/subnanometric vacuum gap. Finally, we have investigated heat transfer in a system made of a core-shell nanoparticle (NP) immersed in water and heated by a laser pulse. We have used the four temperatures model, we have solved numerically the heat transfer equations in the system, taking into account the thermal boundary resistance (TBR) and the interfacial electron-phonon coupling

L'objectif de ce projet de recherche est de contribuer au développement de barrières environnementales pour la protection de composites SiC/SiC contre la corrosion à haute température. Pour synthétiser ces revêtements céramiques, le procédé de projection thermique par plasma RF à partir de précurseurs liquides a été choisi pour sa capacité à produire des revêtements nanostructurés de compositions chimiques complexes. Un plan d'expériences a permis d'isoler les paramètres du procédé (concentration des précurseurs, distance de projection et pression de travail) ayant une influence sur la structure des revêtements (épaisseur et densité). La chimie des précurseurs est également un paramètre important car elle conditionne tous les phénomènes physicochimiques mis en jeu lors de la transformation des gouttelettes de précurseurs solvatés en particules solides. Les revêtements de disilicate d'yttrium Y2Si2O7 et de disilicate de lutécium Lu2Si2O7 synthétisés sont sensibles au frittage à haute température. Une phase additionnelle de zircone (non miscible) a permis de stabiliser la microstructure des revêtements en évitant la croissance anormale des grains après plusieurs heures à 1500°C. Les revêtements de silicates de terres rares ont été également testés dans un four spécialement conçu pour opérer des cycles thermiques jusqu'à 1400°C sous atmosphère saturée en vapeur d'eau. Les essais de validation des performances de corrosion ont montré des vitesses d'érosion du carbure de silicium de 1 µm/h à 1200°C, ce qui est observé pour des conditions réelles de corrosion dans des turboréacteurs de l'aviation civile. Après 24 heures à 1200°C sous atmosphère saturée de vapeur d'eau, les revêtements de silicates de terres rares ont montré leur efficacité pour la protection des composites à matrice céramique de type SiC/SiC. Ces essais de corrosion/cyclage thermique ont également permis de confirmer les deux principaux points faibles de ces barrières environnementales, à savoir les fissures ouvertes sur le substrat (permettant la pénétration des espèces corrosives jusqu'au substrat) et le développement d'une couche de cristobalite à l'interface substrat/barrière environnementale (source de microfissures lorsque le système est soumis à des cycles thermiques).

La consommation énergétique en France a pour origine principale le secteur résidentiel et tertiaire. En environnement urbain, l’habitat est encore principalement ancien, avec des déperditions importantes. L’amélioration des performances énergétiques passe par la quantification des pertes, basée sur une méthode globale de mesure par caméra infrarouge à haute résolution spatiale.L’interprétation des images obtenues nécessite une description des termes radiatifs composant le signal, pour cela un simulateur original est mis au point. A partir d’une scène tridimensionnelle maillée, le champ de température est calculé pour les parois 1D et pour les ponts thermiques 2D, par le programme thermique développé à cet effet, SUSHI qui s’appuie sur un pré-calcul d’éclairement solaire et un pré-calcul de réponse indicielle 2D. Le signal du capteur infrarouge est alors modélisé en adaptant le code radiatif MOHICANS.Cette chaîne logicielle a l’originalité de proposer une fusion efficace des simulations de la réponse dynamique en température et en luminance de zones présentant un transfert 1Dà travers la paroi et de zones présentant un transfert 2D.La mise en œuvre de la campagne expérimentale BATIR a permis de mesurer le comportement thermique d’une façade de bâtiment et de son environnement radiato-convectif. Une validation ponctuelle des températures calculées par SUSHI a été réalisée par confrontation à une mesure par thermocouple. Des caméras infrarouges ont été mises en œuvre afin de collecter la luminance issue de la façade étudiée en bande II et III. Les luminances calculées par MOHICANS sont comparées à ces acquisitions, et valident la chaîne logicielle à ce niveau. / The main origin of the energy consumption in France is the residential and commercial sector. In urban environment, housing is mostly old, which means high heat losses. The improvement of energy performances requires the quantification of heat losses. This quantification may be based on a global measurement by an infrared camera with high spatial resolution.The infrared image interpretation requires a description of the radiative terms that make up the signal. For that purpose, a novel simulator is developed. The temperature field is calculated from a meshed three-dimensional scene composed of 1D walls and 2D thermal bridges. This operation is realized by the developed thermal software SUSHI, which is based on solar irradiance pre-computation and on 2D unitary response pre-computation. The software uses as input environmental data measured in the field. The infrared sensor signal is then modelled by adapting the radiative program MOHICANS. This software chain has the distinct advantage of an efficient fusion of dynamic response simulations of temperature and radiance, for areas with unidirectional and 2D heat transfer.The experimental campaign BATIR was set-up for measuring the thermal behavior of a building façade and its convective and radiative environment. A local validation of temperature calculation by SUSHI was realized through a comparison with thermocouple measurement results. Infrared cameras were operated in order to collect the radiance coming from the analyzed façade in band II and III. The radiances calculated by MOHICANS were compared with these acquisitions in order to validate the software chain at this level.

Au cours des deux dernières décennies, l'essai d'indentation à haute température a été développé progressivement afin de satisfaire aux exigences industrielles de plus en plus importantes. Pour garantir un bon niveau de précision des mesures, il faut résoudre les problèmes notamment associés à la température élevée tels que le choix du matériau de la pointe, la stabilité thermique du système, la conception du chauffage, etc. Cette thèse s'inscrit dans la problématique du développement de la méthodologie de l'essai d'indentation à haute température pour caractériser les matériaux métalliques. Une attention particulière a été accordée à la recherche des matériaux candidats pour la pointe et à la détermination des plages de forces et de pénétrations utilisées au bon fonctionnement d'un indenteur. Les analyses éléments finis nous aident d'étudier l'influence de défauts tels que la présence d'un revêtement mince et celle d'un défaut d'alignement entre l'axe d'indentation et la surface d'échantillon. Pour trouver un bon matériau de pointe, il est nécessaire de tester la stabilité géométrique et chimique de différents matériaux candidats pouvant remplacer le diamant à haute température. La collaboration avec la société suisse Anton Paar, qui se spécialise dans la fabrication des machines de mesure pour la caractérisation mécanique d'une grande variété de matériaux, permet de développer un nouvel équipement de micro- et nano-indentation à haute température. En utilisant le nouvel dispositif, nous avons pu réaliser des essais d'indentation pour caractériser des propriétés mécaniques de différents matériaux et vérifier la stabilité thermique de cet instrument. / Over the past two decades, the high-temperature indentation experiment has been developed gradually to meet increasingly high industrial demand. ln order to guarantee a good level of accuracy of the measurements, it is necessary to solve the problems associated with high temperature, such as the choice of the indenter material, the thermal stability of the system, heating design, etc. This thesis aims to develop the methodology of the high-temperature indentation experiment to characterize metallic materials. Particular attention has been given to the search for candidate materials for the tip and to the determination of the force and penetration ranges used for the correct operation of an indenter. The finite element analysis helps us to study the influence of defects such as the presence of a thin film and that of a misalignment between the indentation axis and the sample surface. To find a better indenter material, it is necessary to test the geometric and chemical stability of different candidate materials that can replace the diamond at elevated temperature. The collaboration with the Swiss company Anton Paar, which specializes in the manufacture of measuring machines for the mechanical characterization of a wide variety of materials, enables the development of new high-temperature micro- and nano­-indentation equipment. By using the new device, we were able to carry out the indentation tests to characterize the mechanical properties of different materials and to check the thermal stability of this new instrument.

Lors de cette thèse nous avons étudié le phénomène de convection thermique turbulente. La compréhension des mécanismes du flux thermique induit est encore un défi. Dans cette optique, deux approches innovantes ont été utilisées. La première a consisté en une approche Lagrangienne. Dans un premier temps, nous avons immergé une particule instrumentée munie de capteurs de température. Sa vitesse a été mesurée simultanément afin de calculer le flux thermique local transporté. En comparant les mesures effectuées à des simulations numériques et à des mesures Eulériennes, la pertinence de cette méthode a été révélée. Nous avons ensuite ensemencé l'écoulement avec des particules de diamètre inférieur à l'échelle dissipative du système. Nous avons alors pu effectuer les suivre en 3D et nous intéresser aux statistiques turbulentes, ainsi qu'à la dispersion de paires. Nous avons ensuite étudié une configuration où la plaque du bas comporte des rugosités contrôlées. Il est reconnu que cela amène une augmentation du transfert thermique supérieure à celle reliée à l'augmentation de surface. Nous avons mis en évidence des mécanismes possibles qui expliquent ce phénomène. Des mesures thermométriques dans une cellule remplie d'eau ainsi que des mesures vélocimétriques dans une cellule six fois plus grande remplie d'air ont permis d'observer un changement radical de la structure des couches limites au voisinage des rugosités, notamment l'apparition d'une couche limite turbulente. Ces mesures ont été accompagnées de mesures de vitesse de l'écoulement global qui ont révélé une augmentation drastique des fluctuations de vitesse ainsi que l'apparition d'un nouveau régime de turbulence. / In this work, turbulent thermal convection is studied. Undestanding the mechanisms of induced thermal flux is still a challenge. In this context we used two innovative approaches.The first one consists in a Lagrangian approach. An instrumented particle, designed for temperature measurements, is immersed in the flow. The simultaneous measurement of the temperature view from the particle and its velocity allowsto obtain local Lagrangian heat flux. By comparing these measurements with numerical simulation and Eulerian investigations we can assert the relevance of this method. Then we seeded the flow with particles whose diameter is smaller than the dissipative scale of the system. We performed 3D tracking to access to turbulent statistics and pair dipersion.On the other hand we study a configuration with controlled roughness on the bottom plate. It is well-known that it leads to thermal flux enhancement higher than the one linked to the surface increasing. We bring out possible mechanisms to explain this phenomenon. Thermometric measurements in water-filled cell and anemometric measurements in a six-time larger air-filled cell point out a dramatic change of the boundary layers structure close to roughness. Particularly a turbulent viscous boundary layer appears. Theses investigations are supplemented by velocity measurements of the global flow and reveal a large increase of velocity fluctuations and the appearance of a new turbulence regime.

Cette thèse avait pour objectif d’étudier les relations entre la microstructure de matériaux réfractaires et leurs propriétés thermomécaniques afin d’améliorer leur résistance aux chocs thermiques. En particulier, des modélisations numériques ont été réalisées afin de mieux comprendre la conception de la microstructure liée à des endommagements dus au différentiel de dilatation thermique. A cette fin, des résultats expérimentaux de matériaux simplifiés ont été utilisés comme référence pour l’approche numérique. Afin d’obtenir des résultats quantitatifs des phénomènes d’endommagement complexes, de nouveaux développements ont été apportés à une plate-forme de modélisation d’éléments discrets existante, nommée GranOO. Entre autre, une méthode de calibration direct des paramètres locaux ainsi une amélioration du concept de contrainte viriel ont été proposées. Ensuite, l’approche DEM a été appliquée afin de reproduire les endommagement thermiques lors du refroidissement des matériaux simplifiés et d’examiner leurs effets sur les propriétés apparentes. Les résultats obtenus de l’évolution du module de Young et du coefficient de dilatation thermique en fonction de température ont montré des tendances similaires avec les résultats expérimentaux. / The present thesis aimed at investigating the relationships between the microstructure of refractories and their thermomechanical properties in order to increase their thermal shock resistance. In particular, numerical modeling were carried out in order to better understand the design of microstructure involving damages due to thermal expansion mismatch during processing. For this purpose, experimental results on simplified materials were used as reference for this numerical approach. In order to obtain quantitative results of complex phenomena, new developments of an existing discrete element modeling platform, namely GranOO, were carried out. More specifically, direct calibration method of input parameters and improvement of virial stress concept were proposed. This DEM approach was then applied to reproduce thermal damages during cooling of simplified materials and to examine their effects on macroscopic properties. The obtained DEM results of evolution of Young’s modulus and thermal expansion coefficient as a function of temperature exhibited similar tendencies with experimental results

Dans le cadre de l’évolution du plus grand accélérateur circulaire de particules « LHC », un important programme de mise à niveau sur l’ensemble des détecteurs qui le constitue a été lancé. Parmi eux, on retrouve la mise à niveau du détecteur LHCb qui comprend le remplacement complet de plusieurs sous-détecteurs. La fréquence de lecture élevée de 40MHz, sans précédent dans une expérience de physique des particules, et l’environnement de rayonnement sévère lié à l’augmentation de l’intensité du LHC, sont les principaux défis à relever par les nouveaux sous-détecteurs. Le travail présenté dans ce manuscrit, décrit une petite partie de l’évolution du détecteur LHCb. Le développement et la construction d’un nouveau trajectographe à grande échelle, basé sur une nouvelle technologie à fibres scintillantes «SciFi», lues avec des photomultiplicateurs au silicium «SiPM», est l’un des projets clés du programme de mise à niveau de LHCb. La première partie, consiste à étudier les échanges thermiques et à concevoir un système de refroidissement pour chaque Read-Out Box « ROB » qui contient deux cartes électroniques frontales « FE », et qui permettent de lire les données du détecteur. Ces dernières possèdent une dissipation thermique d’environ 110W.Pour assurer le bon fonctionnement des composants électroniques, il est obligatoire de mettre en place un refroidisseur. Des contraintes importantes sont prisent en compte dans cette étude, la première représente l’espace limité en regard du besoin du système de refroidissement, des interfaces électroniques et mécanique, la seconde concerne les SiPM. Reliés à l’électronique par des câbles flexibles, elles sont situées à proximité de l’électronique « FE » et leur température de fonctionnement doit être parfaitement réglée autour des -40°C. Des travaux de simulations numériques sur les logiciels FloTHERM et ANSYS ont été menés sur le banc expérimental réalisé au sein du laboratoire, et qui nous ont permis de déterminer la solution de refroidissement la mieux adaptée. Cette étude nous a aussi montré qu’il est plus que nécessaire d’intégrer des interfaces thermiques « IT» telles que des pâtes thermiques afin d’assurer un meilleur transfert de chaleur entre les composants électroniques et le refroidisseur. La deuxième partie, représente une étude approfondie sur les interfaces thermiques qui sont un point délicat de transfert de chaleur, car elles peuvent avoir plusieurs dizaines de pour cent de la résistance thermique globale. Pour garantir une utilisation adéquate et durable de ces matériaux, plusieurs paramètres ont été vérifiés, en particulier la dureté, la consistance (pas de production de graisse ou d’huile) et la conductivité thermique, grâce à un banc de mesures adapté d’après la méthode normalisé ASTM D5470, grâce auquel on a pu mesurer le flux de chaleur qui traverse l’échantillon d’interface thermique testé et qui est généré par une source chaude et un source froide qui sont montées aux extrémités de notre banc.Grâce à l’installation CHARME (CERN) et à la plate-forme PAVIRMA (Campus des Cézeaux), une série de mesure d’irradiations aux neutrons et aux rayons X sont également effectuées, correspondant à l’environnement dans lequel elles seront exposées dans l’expérience, d’un côté pour identifier les dégradations et changements possibles sur les résistances thermiques par l’analyse de l’impédance thermique, de l’autre pour identifier l’interface thermique qui convient le mieux à notre application et qui permet d’assurer un excellent échange thermique et donc un bon refroidissement de l’électronique frontale au sein du trajectographe du détecteur LHCb. / In the context of the evolution of the biggest circular accelerator of particles «LHC», an important program of upgrade on all the detectors which establishes itself was thrown. Among them, we find the upgrade of the detector LHCb which includes the complete replacement of several sub-detectors. The frequency of high reading of 40MHz, an unprecedented in an experiment of physical appearance of particles, and the environment of severe radiation bound to the increase of the intensity of the LHC, are the main challenges by the new sub-detectors. The work presented in this manuscript, described as a small part of the evolution of the LHCb detector. The development and the construction of a new wide-scale tracker, based on a new technology with scintillating fiber «SciFi», read with photomultipliers to the silicon «SiPM», is one of the key projects of the LHCb upgrade program. The first part, consists in studying the thermal exchanges and designing a cooling system for every Read-Out Box «ROB» which contains two electronic front-end « FE », and which allow to read the data of the detector. The latter has a thermal dissipation about 110W. To ensure the smooth running of electronic components, it is compulsory to set up a cooler. Important constraints are taken into account in this study, the first one represents the space limited compared to the need for the cooling system, the electronic interfaces and mechanical, the second concerns the SiPM. Connected with the electronics by flexible cables, they are located near the electronics «FE» and their temperature of operation is perfectly settled around -40 ° C. Works of digital simulations on the software FloTHERM and ANSYS were led on the experimental bench realized within the laboratory, and which allowed us to determine the best adapted solution of cooling. This study also showed to us that he is more than necessity to integrate thermal interfaces «IT» such as thermal pastas to assure a better transfer of heat between electronic components and cooler. The second part, represents an in-depth study on the thermal interfaces which are a delicate point of transfer of heat, because they can have dozens percent of the global thermal resistance. To guarantee an adequate and sustainable use of these materials, several parameters were verified, in particular hardness, consistency (no production of fat or oil) and the thermal conductivity, thanks to a bench of measures adapted according to the method normalized ASTM D5470, with this bench we could measure the flow of heat through the tested thermal interface sample and which is generated by a hot source and a cold source that are mounted at the ends of our bench.With the installation CHARME (CERN) and PAVIRMA (Cézeaux), a series of measure of irradiations at the neutrons and the X-rays are also made, correspond-ing to the environment in which they will be exposed in the experience, on one side to identify the damages and the possible changes on the thermal resistances by the analysis of the thermal impedance, the other one to identify the thermal interface which suits best our application and which allows to assure an excellent thermal exchange and thus a good cooling of the frontal electronics within the trajectographe of the detector LHCb.

Les environnements ont tendance à être plus sévères (plus chauds et quelquefois plus froids). À ce titre, l'électronique de puissance haute température est un enjeu majeur pour le futur. Concernant les technologies d'assemblage à haute température, les brasures haute température comme l'alliage 88Au/12Ge, 97Au/3Si et 5Sn/95Pb pourraient supporter ces niveaux de contraintes thermiques, qui sont actuellement développées pour répondre à ces exigences. Nous avons effectué les caractérisations électriques, mécaniques et thermomécaniques des matériaux d'assemblage. Une étude thermique a réalisée par des méthodes expérimentales et des simulations numériques, l'étude numérique est réalisée sous ANSYS dans le but d'estimer les influences des différents paramètres sur la performance thermique de l'assemblage. En plus, les cyclages thermiques passif de grande amplitude sont effectués pour analyser la fiabilité des modules de puissance dans ces conditions d'utilisation.

Les phonons polaritons de surface (SPhPs) sont des ondes électromagnétiques de surface évanescentes générées par le couplage phonon-photon et se propageant le long d’une interface entre un milieu polaire (tel que SiO2 et SiC) et un diélectrique. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à de possibles applications des SPhPs pour améliorer les performances thermiques des nanosystèmes, en focalisant leur énergie thermique avec des micro- et nanostructures, en réduisant leurs angles de diffraction à travers des ouvertures sub-longueur d’onde, et en démontrant leur émission thermique cohérente large-bande. Nous avons aussi effectué des mesures par microscopie spectrophotométrique infrarouge de micro-objets et démontré l’excitation thermique de modes de grandes longueurs de propagation dans un large domaine spectral. Nos résultats sont obtenus sur des bases à la fois théoriques, de simulations numériques et expérimentales. Ces travaux sont pertinents dans les domaines liés au transfert thermique, à l’optique infrarouge, au rayonnement thermique de champ proche, à la microscopie infrarouge, et à la polaritonique. / Surface phonon-polaritons (SPhPs) are evanescent electromagnetic surface waves generated by the phononphoton coupling and that propagate along the interface of a polar medium (such as SiO2 and SiC) and a dielectric one. In this work, we investigate possible applications of SPhPs for enhancing the thermal performance of micro- and nanoscale devices, focusing of thermal energy with micro-structures, decreasing the diffraction angles of infrared radiation on subwavelength apertures, and demonstrating broadband coherent thermal emission. We also perform infrared spectroscopy microscopy measurements of microscale objects and demonstrate long-range thermally excited surface modes in a broad frequency range. The results presented in this thesis can have possible applications in fields related to heat transfer, infrared optics, near-field thermal radiation, infrared microscopy, and polaritonics.