Littérature scientifique sur le sujet « Freins – Matériaux – Propriétés thermiques »

Depuis plusieurs années, un intérêt croissant pour les matériaux alternatifs dans les bâtiments a commencé à être développé afin d’obtenir des structures à faible impact environnemental et avec des propriétés multifonctionnelles. L’intérêt d’utilisation des matériaux légers est justifié par une prise de conscience environnementale, dans le but de contribuer à la valorisation du matériau argileux du Sénégal. Différentes formulations ont été réalisées dans cette expérimentation afin de développer à partir de la formule du mortier traditionnel, un nouveau matériau de construction composé de 50% Typha Australis, le reste complété d’argile et de ciment à différentes proportions dans le but d’optimiser les propriétés mécaniques et thermiques. Les meilleures propriétés mécaniques et thermiques ont été obtenues lorsque le ciment est majoritaire par rapport à l’argile. A certaines proportions (~ 25%), l’argile avec son indice de plasticité de presque 27% joue le même rôle que le ciment.

Le graphène en particulier, et les matériaux 2D en général, sont une nouvelle filière de matériaux aux propriétés physiques très intéressantes. Leurs propriétés électroniques, thermiques et mécaniques en font des matériaux de choix pour de nombreuses applications, dans les domaines aussi que les technologies de l’information et de la communication, la santé, l’énergie, le transport. Compte tenu des potentialités de ces matériaux, de nombreux grands programmes de recherche se sont développés au niveau international, pour étudier ces matériaux, et bénéficier des innovations qui en découleraient pour le développement de nouveaux emplois et de nouvelles richesses. Sur le plan de la formation, avec le soutien du GIP CNFM et de l’IDEFI FINMINA obtenu par le réseau du CNFM, le pôle CNFM de Lille s’est doté de nouveaux équipements qui permettent d’explorer, d’analyser, et de fabriquer des composants et systèmes avec ces matériaux 2D. Il s’agit notamment d’un four de croissance de graphène, d’un spectromètre Raman permettant de caractériser les matériaux 2D, du développement d’un système de transfert du graphène sur un matériau hôte. Cette communication va présenter la méthodologies mise en place, pour sensibiliser les étudiants du master 2 sur la manipulation de ces nouveaux matériaux.

Les méthodes dynamiques de mesure des propriétés thermiques des matériaux sont basées sur l'observation du comportement d'échantillons soumis à une excitation dont les caractéristiques sont connues. Ces méthodes dynamiques sont habituellement classées en fonction du type d'excitation thermique, les plus utilisées étant l'échelon, le pulse de Dirac, la modulation sinusoïdale et plus récemment les séquences pseudo-aléatoires. Chacune de ces familles de méthodes comportent avantages et inconvénients qui font que l'une ou l'autre peut être plus pertinente dans une configuration donnée. Afin d’initier les étudiants à l’identification par méthode périodique, une maquette expérimentale dédiée aux travaux pratiques a été développée. L’objectif est, à partir d’un dispositif économique, d’illustrer les potentialités de cette approche. Nécessitant quelques connaissances en thermique, la maquette exposée peut être utilisée en premier ou second cycle universitaire.

Le sol algérien est riche en matériaux pouzzolaniques naturels, tels que la perlite naturelle, dans la région ouest plus précisément Hammam Boughrara à Maghnia (Tlemcen). Malheureusement, ils ne sont pas encore totalement exploités. La perlite, grâce à ses composants chimiques en l’occurrence la silice et l'alumine qui lui procurent des propriétés intéressantes, s’octroie le privilège d’être utilisée comme un ajout minéral actif dans la production du ciment. Cette étude contribue à apporter plus de données relatives à la valorisation de la perlite comme substitut partiel au ciment. Pour ce faire des mortiers contenant différents taux de perlite (0%, 10%, 15%, 20% et 25%) ont été confectionnés. Les comportements des cinq formulations à l’état frais (consistance, maniabilité et prise) et à l’état durci (absorption capillaire, propriétés thermo-physiques et résistances à la compression) ont été étudiés. Les résultats de l’étude expérimentale prouvent que la perlite de Maghnia influe positivement sur les propriétés des mortiers. La possibilité de l’employer à des dosages allant jusqu’à 25% dans le but de diminuer le taux du ciment implique un avantage économique et écologique. Par ailleurs, un comportement mécanique à compression satisfaisant à long terme pour un taux de perlite de 20%, a été noté. En outre, les mortiers composés de perlite présentent de faibles conductivités thermiques ce qui permet de mettre en évidence l’effet bénéfique de la perlite comme isolant thermique et l’intérêt de valoriser cet ajout.

La caractérisation des matériaux par méthode non destructive est largement répandue dans l’industrie. La méthode s’appuie souvent sur l’analyse d’un signal provenant d’un capteur (ultrason, courants de Foucault, bruit Barkhausen ou autres), afin d’évaluer une caractéristique du matériau telle que la dureté superficielle, la profondeur des traitements thermiques et thermochimiques, etc. Tout d’abord, il est nécessaire d’avoir une corrélation physique entre la propriété physique et la réponse du moyen de contrôle mise en oeuvre. Ensuite, le signal acquis doit être enregistré dans des conditions optimales qui permettent de transcrire l’information nécessaire à la caractérisation. Mais malgré ces précautions, il arrive dans certains cas que la corrélation entre ces propriétés physiques et le signal soit difficile à établir. Cela est dû principalement à la complexité de la propriété physique recherchée et aux multiples interactions avec d’autres facteurs influents qui donne lieu à une faible corrélation entre le paramètre suivi et celle-ci. En effet, les méthodes classiques sont souvent basées sur l’analyse d’un seul paramètre, comme le Root Mean Square (RMS), le maximum ou le kurtosis par exemple, afin de corréler la propriété du matériau à ce dernier. Mais cette corrélation reste incomplète puisqu’elle ne décrit pas toute la déformation du signal en fonction de la propriété recherchée. Dans cet article, nous proposons d’utiliser une méthode multi paramètres qui permet, à partir d’un signal, d’extraire des paramètres pertinents qui décrivent correctement le signal, et de les utiliser afin de remonter à des propriétés mécaniques telles que la profondeur de cémentation ou les contraintes résiduelles. Des algorithmes de Machine Learning et/ou de Deep Learning sont utilisés, et les résultats sont comparés entre eux.

Les Contrôles Non Destructifs (CND) usuels, tels que les ultrasons ou les rayons X, peuvent, dans certains cas, atteindre leurs limites d’utilisation. C’est le cas, par exemple, pour des composants revêtus de revêtements de protection polymères/élastomères épais, de revêtements poreux tels que les barrières thermiques ou bien encore de patches (composites, bandages) de réparation- lorsque la structure a déjà fait l’objet d’une intervention de maintenance – qui sont particulièrement atténuants pour les Ultrasons. L’utilisation des rayons X, en particulier en tangentiel, rencontre un certain succès mais présente des limitations liées à la géométrie des composants à inspecter, de même qu’en raison de leur dangerosité et complexité de mise en oeuvre. Ils sont par ailleurs peu sensibles aux faibles hétérogénéités dans les matériaux, rendant par là-même difficile la détection précoce de certains défauts. Les ondes Térahertz sont des ondes électromagnétiques dont les propriétés sont très intéressantes et ouvrent de nouvelles perspectives pour le CND. Sans danger et ne nécessitant aucun contact avec la structure, elles traversent aisément les matériaux non conducteurs électriques, qu’ils soient minces, épais, massifs ou poreux, y compris multicouches. Elles sont très sensibles aux faibles hétérogénéités ainsi qu’à la présence d’eau et d’humidité. On les met en oeuvre pour mesurer des épaisseurs, caractériser les interfaces, réaliser des cartographies 2D/3D et détecter, dimensionner et localiser des défauts, même sur des pièces de grandes dimensions. Elles permettent notamment la détection de corrosion, de décollements, de fuites et plus généralement de défauts, sous et à l’intérieur des matériaux et complètent utilement les technologies de contrôle usuelles. Elles constituent une alternative pertinente aux CND existants pour répondre à des problématiques de contrôle mal ou non résolues. TERAKALIS, société spécialisée en ingénierie TéraHertz, présente dans cet article les avantages et limites de la technologie THz pour le contrôle de matériaux et revêtements de forte épaisseur et la détection de défauts dans ces revêtements ainsi qu’aux interfaces.

L'observation du comportement thermomécanique des freins illustre un cas pratique de fatigue en présence de points chauds répartis angulairement sur la surface du disque. Dans le but de prédire la fissuration des disques, une approche énergétique est développée, qui vise à définir un seuil d'énergie au delà duquel on aura apparition d'une fissure macroscopique. Sur la base de l'intégrale M définie dans le cas élastique par Knowles et Sternberg pour une symétrie de dilatation, le comportement thermoplastique est introduit. A partir de l'inégalité de Clausius-Duhem et de la formation d'un lagrangien dans le cas de la thermoplasticité, le comportement thermoplastique est introduit dans l'intégrale M par le théorème du lagrangien nul. On peut alors, par l'utilisation du théorème de Noether obtenir une intégrale M* composée d'une intégrale de contour et d'une intégrale de surface. M* est indépendante du contour sous réserve de respecter les conditions d'obtention de la symétrie variationnelle. Ces conditions sont très sévères dans un espace à deux dimensions elles correspondent à une uniformité des déplacements. Seule la solution du problème de Flamant peut répondre à ces conditions. L'étude d'une sollicitation thermique dans le cadre du cylindre épais, pour lequel l'uniformité des déplacements n'est plus respectée, montre la nécessite de modifier l'intégrale M* si l'on veut obtenir l'indépendance du contour. Une modification des intégrales utilisées dans le cas du cylindre épais dans le domaine élastique et thermoplastique est proposée pour rendre ces intégrales indépendantes du contour. La modification de ces intégrales est ensuite généralisée aux applications ou le déplacement est du type u = r-[alpha]. Différents exemples d'applications permettent de valider la conformité des résultats théoriques et numériques.

L'augmentation continue des énergies et des puissances de freinage des systèmes ferroviaires a conduit peu à peu les disques de freins vers leurs limites d'utilisation, mises en évidence par des échauffements thermiques considérables (supérieurs à 1000°C) et par l'apparition de fissures en surface des pistes de frottement. Les travaux présentés ont consiste à développer des modèles numériques du comportement thermomécanique des disques de freins, afin de mieux comprendre les phénomènes engendrés et de prédire les niveaux de performance et d'endurance face à une sollicitation donnée. Pour appréhender les gradients thermiques effectifs de surface, la dynamique de contact de la garniture est introduite, régie par les variations de l'usure, des dilatations thermiques, des champs de pression de contact, des caractéristiques des matériaux ou encore des déformations plastiques. L'utilisation de techniques expérimentales récentes par thermographie infrarouge sur objets tournants, s'est avérée cruciale pour la mise en évidence des phénomènes tels que les cercles de feu et pour la validation des modèles numériques correspondants. Il a pu être montré expérimentalement et numériquement que le développement de points chauds stabilisés sur la surface du disque pouvait provenir du flambement du disque dû à l'état de compression circonférentielle, et qui serait initié lors de la transition élasto-plastique. La présence de ces points chauds correspond à la sollicitation thermomécanique la plus endommageante pour le disque, pour laquelle il a pu être démontré le risque d'une sollicitation caractéristique de la fatigue thermique oligocyclique, dont les premiers calculs montrent qu'elle peut être à l'origine de la fissuration des disques. La compréhension de ces phénomènes et les modèles développés doivent permettre de définir et de repousser les limites des systèmes actuels, afin d'augmenter les capacités de charge et les vitesses de service des véhicules ferroviaires.

Le freinage roue-semelle, principalement utilisé dans le transport frêt, est un système ancien mais qui reste économique de par son architecture. Il présente l'inconvénient majeur de solliciter directement la roue. Les enjeux sécuritaires et de performances nécessitent des procédures d'homologation longues et coûteuses pour l'acceptation d'une roue ou d'une semelle en service commercial. Cette étude vise à développer des outils numériques permettant la présélection d'un couple roue-semelle face à une application donnée et le développement de nouvelles solutions. Les objectifs des deux partenaires de cette étude, Valdunes, fabricant de roues et Flertex, fabricant de semelles, sont plus précisement : l'évolution des contraintes résiduelles dans la roue sous sollicitations de freinage et la prédiction des températures dans le couple roue-semelle. La première phase de ce travail a consisté en une investigation expérimentale approfondie permettant d'identifier les phénomènes prépondérants mis en jeu dans le freinage roue-semelle et d'orienter les modélisations numériques. L'analyse des freinages à l'aide d'une instrumentation thermique (thermocouples et caméra infrarouge) et mécanique (mesures de contraintes résiduelles) a permis d'établir une classification des différents gradients thermiques observés. Une distinction a pu être faite entre les freinages d'arrêts (localisations de type " bandes chaudes " étroites circulant dans le contact, avec peu de modifications des contraintes résiduelles) et les freinages de maintien (bandes chaudes larges et centrées dans le cas des semelles organiques et modification des contraintes résiduelles). La détermination des températures et des gradients thermiques est obtenue par une modélisation 2D thermomécanique du couple roue-semelle avec intégration des phénomènes d'usure et d'interface thermique. Elle permet la mise en évidence des phénomènes mis en jeu dans l'apparition et la circulation des bandes chaudes, par compétiton entre les phénomènes de dilatations thermiques et d'usure. Le modèle est validé par confrontation avec les mesures expérimentales
Une seconde modélisation est proposée permettant la prise en compte de la géométrie 3D de la semelle. L'originalité se situe dans la résolution thermique transitoire de la roue, basée sur un suivi temporel d'une section de roue suivie d'une reconstitution 3D. Les résultats permettent la prédiction des localisations sur toute la surface de frottement. L'utilisation conjointe de ces modèles permet de répondre à l'objectif de prédiction des gradients thermiques et de mise à disposition de moyens d'optimisation de la semelle. Pour le second objectif de prédiction de l'évolution des contraintes résiduelles dans les roues, la détermination de l'état initial, issu du traitement thermique, est nécessaire. Elle est réalisée à l'aide d'un modèle thermomécanique 2D axisymétrique. Le coefficient d'échange thermique, lors de la trempe, a été identifié sur un dispositif expérimental développé spécifiquement. Différentes simulations ont pu montrer l'importance du modèle de comportement du matériau de la roue sur la distribution des contraintes résiduelles, notamment la prise en compte des phénomènes visqueux. Les résultats indiquent une bonne prédiction de l'évolution des contraintes résiduelles, de compression après le traitement thermique puis leur passage en traction après freinages, en conformité avec les relevés expérimentaux. Des compléments sont en cours pour une meilleure identification du modèle de comportement du matériau de la roue

L'occurrence en service commercial de fissures macroscopiques dans certains disques de frein TGV a pu être reliée au type de garniture utilisé. L'objectif de cette thèse est de comprendre cette relation, d'identifier les paramètres d'influence et de proposer des voies d'amélioration pour la conception de garnitures à risque de fissuration réduit. Le comportement thermique de quatre couples disque-garnitures est d'abord analysé par le biais d'une campagne expérimentale de freinage originale. Elle met en évidence différents types de localisations thermiques et permet d'identifier des signatures thermiques caractéristiques des garnitures. Le lien entre localisations thermiques et risques de fissuration est ensuite établi à l'aide d'une modélisation thermomécanique. Des indicateurs tenant compte des caractéristiques spatiales et temporelles des localisations thermiques ainsi que des niveaux de température atteints sont proposés. Ils permettent de classer les garnitures testées dans un graphe de " criticité ". Enfin, une étude d'influence des caractéristiques mécaniques et thermiques des garnitures sur les localisations engendrées permet de dégager des préconisations et des voies d'amélioration pour la conception de nouvelles garnitures. La caractérisation expérimentale du comportement de deux nouvelles garnitures, l'une s'approchant le plus des préconisations faites, l'autre s'en éloignant fortement, montre la pertinence de l'approche développée et la validité des préconisations

Les sollicitations thermiques élevées et répétées subies lors des freinages des trains à grande vitesse provoquent des fissures de fatigue thermique, entraînant une défaillance des matériaux de frein. Les patins de frein composites à base de cuivre (Cu) utilisés sous forme de poudres sont choisis pour améliorer la dissipation thermique des systèmes de freinage. Cependant, les nouvelles normes environnementales internationales exigent une réduction de la teneur en Cu, entrant en conflit avec le bon maintien des propriétés thermiques. Il est proposé dans ce travail d'utiliser des mousses de Cu architecturées avec un réseau continu sous la forme d'un volume élémentaire représentatif (VER) permettant un meilleur contrôle du flux thermique. Des simulations numériques FEM sont d'abord réalisées pour étudier la faisabilité de l'optimisation de la capacité de transfert de chaleur en passant par des mousses de Cu. Les résultats de la simulation montrent que la diffusivité thermique considérant les VERs peut être considérablement améliorées. En particulier localement, lorsque la taille du VER est réduite. Ainsi, le travail suivant se concentre sur la réduction de la taille du VER des mousses de Cu produites par la méthode de fabrication additive (FA) assistée par la fonderie à la cire perdue. Des patins bimétalliques basés sur des mousses de Cu sont ensuite produits par une technologie de pressage à chaud. Leur comportement thermique est étudié. Expérimentalement, les résultats montrent d'une part que les mousses de Cu avec une taille de VER jusqu'à 2 mm sont techniquement fabricables. D'autre part, un essai tribologique est effectué. Les mousses de Cu avec une taille réduite de VER peuvent optimiser la capacité de transfert de chaleur des patins de frein de manière significative en accord avec les résultats numériques. Enfin, cette nouvelle configuration montre la stabilité du freinage en favorisant la formation d'un troisième corps
The high and repeated thermal stresses during the braking of high-speed trains result in thermal fatigue cracks, leading to braking material failures. Composite braking pads based on copper (Cu) matrix in powder form are chosen to improve thermal dissipation of braking system. However, new international environmental standards require a reduction in Cu content, conflicting with maintaining the proper thermal properties. It is proposed in this work to utilize Cu foams architected with a continuous network in the form of a representative elementary volume (REV) enabling better control of heat flow. FEM numerical simulations are first carried out to investigate the feasibility of optimizing heat transfer ability by using Cu foams. Simulation results show that the thermal diffusivity considering REVs can be significantly improved. Especially locally, when the REV size is reduced. Thus, the following work focuses on reducing REV size of Cu foams produced by additive manufacturing (AM) assisted investment casting. Bimetallic pads based on Cu foams are then produced by a hot-pressing technology. Their thermal behavior of the produced pads is studied. Experimental results show that Cu foams with a REV size of up to 2 mm can be technically fabricated. In addition, a tribological test is also carried out. Cu foams with a reduced REV size can significantly optimize the heat transfer capacity of braking pads, in line with the numerical results. Finally, this new configuration demonstrates braking stability by promoting the formation of a third body

Cette thèse concerne le comportement des disques de frein sous une charge thermique, notamment l'évolution de la température et la déformation. On y examine aussi les possibilités de contrôler ce comportement. On modélise le disque dans son environnement par les différentes voies d'évacuation et d'injection de chaleur, notamment la convection, la conduction, le rayonnement et le flux de chaleur du au freinage. En ce qui concerne les voies d'évacuation de chaleur, la modélisation de la convection se révèle comme étant le problème principal car elle est liée aux conditions aérodynamiques autour du disque. On utilise une technique de subdivision de la surface du disque en attribuant des coefficients de convection différents aux sub-surfaces. La même technique est utilisée pour la modélisation du rayonnement. Le modèle est vérifié par des essais sur banc. On étudie si des modifications à la géométrie conduisent à des améliorations du comportement thermique. Pour étudier cette question, la méthode des plans d'expériences est utilisée
The following theses examines the behaviour of disc brake rotors under different thermal charges, namely the temperature and deformation. It considers as well the possibilities to influence this behavior. The disc brake rotor is modelised in its environnement by the different ways of heat evacuation and heat injection, namely convection, conduction, radiation and heat flux due to the breaking maneuvers. As far as it concerns the heat evacuation by convection, it reveals to be the most difficult and complex problem to modelise since the convection is linked to aerodynamic flow-conditions around the disc brake rotor. A technique of subdivision of the rotor surface is applied, linking individual convection coefficients to certain sub-surfaces. The same technique is used for the modelisation of the radiation. The model is verified by bench tests. Also modifications of rotor-geometry are examined with respect to their influence on the thermal behavior of the disc brake rotor. This examination is performed using a statistical design method

Dans le cadre du développement de nouvelles sources d’énergie durables, la récupération d'énergie est essentielle. La plupart des processus industriels entraînent une perte colossale de chaleur, la thermoélectricité a donc pleinement son rôle à jouer dans ce développement grâce à l'effet Seebeck qui consiste à convertir un gradient de température en énergie électrique. Un bon matériau thermoélectrique nécessite une conductivité électrique σ élevée, un grand coefficient Seebeck α ainsi qu'une conductivité thermique λ faible. Cependant, malgré de récentes avancées dans le domaine, l’utilisation en masse des matériaux thermoélectriques usuels devient difficile du fait de leur toxicité, leur faible abondance et leur coût. Le développement de nouveaux matériaux en respect des contraintes environnementales devient alors nécessaire. Ainsi, avec l’émergence d’une nouvelle famille de matériaux, à savoir les matériaux organiques thermoélectriques, à base de polymères conducteurs et de gels (aérogels/xérogels), de nouvelles perspectives sont envisageables. A l’instar de ces nouvelles avancées, le but de ce travail est de fonctionnaliser des matériaux super-isolants thermiques possédant une très faible conductivité thermique en leur conférant des propriétés thermoélectriques. Cela a d’abord été réalisé par des simulations numériques basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), ainsi que sur la dynamique moléculaire classique (DM), via différents modules appartenant au logiciel Materials Studio. Cela a permis de représenter numériquement et valider la structure de notre matériau, le xérogel de Résorcinol/Formaldéhyde. Une étude de dopage avec 5 % en particules de fer a ensuite été réalisée en DM afin d’étudier la dispersion des charges au sein du réseau RF et représenter le numériquement le matériau dopé en vue d’une future étude de ses propriétés thermoélectriques.Dans un second temps, l’objectif a été de définir le protocole de synthèse optimal en fonction des différents paramètres de synthèse et des différentes charges conductrices utilisées. L’étude de l’influence d’un traitement thermique par pyrolyse a alors permis l’amélioration de la conductivité électrique du matériau pur présentant un facteur de mérite ZT=2.7×〖10〗^(-16), (ZT=α^2 σT/λ permet de quantifier le rendement de la conversion thermoélectrique). Des dopages ont par la suite été effectués durant l’étape de gélification suivant différents taux de charge en vue d’atteindre un seuil de percolation. Un facteur de mérite ZT=2.4×〖10〗^(-3) a alors été obtenu avec un taux de dopage de 60 % en oxyde de graphène (GO). Cependant, ce type de dopant engendre un coût de synthèse trop important, nous nous sommes alors orientés vers d’autres types de charges, à savoir des fibres conductrices. Ceci a permis d’obtenir un ZT= 8.0×〖10〗^(-4) avec un taux de dopage de 10 % en fibres de polyacrylonitrile oxydée (PANOX). L’assemblage du module ainsi que la réalisation d’un banc d’essais ont par la suite permis de caractériser la performance thermoélectrique de nos différents matériaux. Une densité de puissance de l’ordre de 2 mW.m-2 a alors été obtenue avec le xérogel RF fibré PANOX d’une épaisseur de 1 cm et d’une surface de 50 cm² pour une différence de température de 30°C. Ce matériau a alors permis d’identifier une application dans le cadre de l’isolation thermique d’une batterie de véhicule hybride en vue de détecter une défaillance associée à la perte du vide. Finalement une étude se basant sur des modèles théoriques a démontré l’intérêt de poursuivre les recherches dans le but d’améliorer les propriétés thermoélectriques. Nous avons alors envisagé l’assemblage de modules composés de 1000 jonctions (p-p) puis (n-p) avec des matériaux cibles afin d’atteindre des niveaux de densité de puissance de plusieurs W.m-2 et des tensions de sortie de plusieurs V permettant de produire suffisamment d’énergie pour l’alimentation d’auxiliaires tels que des capteurs par exemple
In the search of new sustainable energies, the issue of energy harvesting is essential. Heat loss is involved in most of the industrial processes, thus thermoelectricity has its full role to play in this search through the Seebeck effect which consists in converting a temperature gradient into an electrical current. A good thermoelectric material requires a high electrical conductivity σ and Seebeck coefficient α and a low thermal conductivity λ. However, despite recent advances in the field, the use of conventional thermoelectric materials on a large scale becomes difficult due to their toxicity, low abundance and high cost. The development of new materials that respect environmental considerations has thus become necessary. Hence, with the emergence of a new family of materials, namely organic thermoelectric materials, based on conductive polymers and gels (aerogels/xerogels), new perspectives are now possible. In the frame of these new advances, the aim of this work is to functionalize thermal super-insulating materials with a very low thermal conductivity by adding thermoelectric properties. This was first done by numerical simulations based on density functional theory (DFT) and classical molecular dynamics (MD), via different modules included in the Materials Studio software. This allowed us to numerically represent and validate the structure of our thermal insulating material, the Resorcinol/Formaldehyde (RF) xerogel. A doping process with 5 % in iron particles was then performed using MD calculations in order to evaluate the dispersion of the charges within the RF network and to represent numerically the doped material for a future study of its thermoelectric properties via a Boltzmann formalism.In a second step, the objective was to identify the optimal synthesis protocol as a function of the different synthesis parameters and the different conductive dopants. The study of the influence of a thermal treatment by pyrolysis then allowed the improvement of the electrical conductivity of the pure material having a very low figure of merit ZT=2.7×〖10〗^(-16), (ZT=α^2 σT/λ is a measure of the efficiency of the thermoelectric conversion). A study of doping was then carried out during the gelling process according to different loading rates in order to reach a percolation threshold. A figure of merit ZT=2.4×〖10〗^(-3) was then obtained with a doping level of 60 % in graphene oxide (GO). However, this type of dopant generates a very high synthesis cost, which explain why we investigated other types of charges, namely electrically conductive fibers. In that case, we obtained a ZT= 8.0×〖10〗^(-4) with a doping level of 10 % in oxidized polyacrylonitrile fibers (PANOX). The assembly of the module and the realization of a test bench have made it possible to characterize the thermoelectric performance of our different materials. A power density of the order of 2 mW.m-2 was then obtained with the PANOX fiber-reinforced RF xerogel with a thickness of 1 cm and an surface area of 50 cm² for a temperature difference of 30°C. Thanks to this materials, we have identified an application as part of the thermal insulation of a hybrid vehicle battery in order to detect a failure associated with a vacuum loss. Finally, a study based on theoretical models has shown the interest of continuing research activities in order to improve the thermoelectric properties. We then considered the assembly of modules composed of 1000 junctions (pp) then (np) with target materials in order to reach higher power density levels of several W.m-2 and output voltages of several V to produce enough energy for the supply of auxiliaries such as sensors for example

Du fait leur conductivité thermique élevée, les matériaux composites à matrice métallique et renfort carbone possèdent un fort potentiel d’application pour la gestion thermique en électronique. Ces travaux présentent le développement d’un nouveau procédé pour la synthèse de matériaux composites Ag/rGO (argent / « reduced Graphene Oxide ») et Ag/GF (argent / « Graphite Flakes ») par métallurgie des poudres. Ce procédé, inspiré des méthodes de « molecular level mixing », permet d’obtenir des poudres composites Ag/rGO dans lesquelles les nano-renforts sont individualisés jusqu’à une concentration volumique de 1 %. Lorsqu’il est appliqué à la synthèse de matériaux composites Ag/GF, ce dernier permet l’élaboration de matériaux composites denses avec une concentration volumique en graphite jusqu’à 70 % et une conductivité thermique jusqu’à 675 W.m-1.K-1 (426 W.m-1.K-1 pour l’argent pur). En outre, il a été montré que le procédé d’élaboration des poudres composites Ag/GF a une forte influence sur l’anisotropie structurale des matériaux massifs ainsi que sur la résistance thermique d’interface extrinsèque Ag-graphite. Le procédé d’élaboration développé dans ces travaux permet ainsi d’obtenir des matériaux ayant une conductivité thermique jusqu’à 19 % supérieure à celle des matériaux obtenus par un procédé de mélange conventionnel. Néanmoins, comme la plupart des matériaux composites métal/GF (à matrice Cu, Al, Mg et Fe), la dilatation thermique des matériaux composites Ag/GF présente des « anomalies ». En effet, l’anisotropie de leur coefficient d’expansion thermique (CTE) est opposée à leur anisotropie structurale, leur CTE a une dépendance anormalement élevée vis-à-vis de la température et ces matériaux présentent une instabilité dimensionnelle en cyclage thermique. S’il est communément admis dans la littérature que ces anomalies sont la conséquence des contraintes internes générées lors de l’élaboration des matériaux (du fait de la différence de CTE entre matrice et renfort), ce phénomène reste mal compris et difficile à maitriser. Une part importante de ces travaux est consacrée à l’étude de ces « anomalies » et en particulier à l’étude de l’influence des propriétés mécaniques de la matrice d’argent sur la dilation thermique des matériaux composites. Grâce à la combinaison des caractérisations d’EBSD, de DRX, de microdureté instrumentée et de microscopie, des phénomènes clés responsables des propriétés thermomécaniques des matériaux composites Ag/GF ont pu être identifiés. En particulier, il a été montré qu’une part importante des contraintes internes est relaxée via la déformation plastique de la matrice d’argent et la déformation pseudo plastique du graphite lors du refroidissement post-densification des matériaux composites. Ainsi, le contrôle des propriétés mécaniques de la matrice métallique (en particulier de sa limite d’élasticité) permet d’atténuer les anomalies en CTE et confère une meilleure stabilité dimensionnelle aux matériaux composites Ag/GF lors d’un cycle thermique. L’addition de rGO dans la matrice d’argent des matériaux composites Ag/GF a également permis de réduire l’instabilité dimensionnel des matériaux jusqu’à 50 % grâce aux propriétés d’amortissement du rGO
Due to their high thermal conductivity, metal matrix composite materials reinforced with carbon allotropes exhibit a high potential application for thermal management in electronics. This work deals with the elaboration of new synthesis process to produce Ag/rGO (silver/reduced Graphene Oxide) and Ag/GF (silver/Graphite Flakes) composite materials. This process, based on “molecular level mixing” methods, makes it possible to obtain Ag/rGO composite powders with individualized nano-reinforcements up to a concentration of 1 % in volume. Applied to the synthesis of Ag/GF composite materials, it allows to synthesize dense composite materials with a graphite concentration up to 70 % in volume and with a thermal conductivity up to 675 Wm-1.K-1 (426 Wm-1.K-1 for pure silver). Moreover, it has been shown that Ag/GF powders elaboration process has a strong influence on the structural anisotropy of bulk materials as well as on the extrinsic thermal boundary resistance Ag-graphite. The process developed in this work allows Ag/GF composite materials to reach thermal conductivity up to 19 % higher than the same materials synthesized by conventional mixing powder process. However, like most metal/GF composite materials (with Cu, Al, Mg and Fe matrix), thermal expansion of Ag/GF composite materials shows “anomalies”. Indeed, the anisotropy of their coefficient of thermal expansion (CTE) is opposed to their structural anisotropy, their CTE has an abnormally high dependence on temperature and these materials exhibit dimensional instability during thermal cycling. While it is commonly admit in literature that these “anomalies” are the consequence of internal stresses generated during materials densification (because of CTE mismatch between matrix and reinforcement), this phenomenon remains poorly understood and difficult to control. A significant part of this work is devoted to the study of these anomalies and especially to the study of the influence of matrix mechanical properties on composite materials thermal expansion. Thanks to EBSD, XRD, instrumented microhardness and microscopy analysis, key phenomena responsible of thermomechanical behavior of Ag/GF composite materials have been identified. Especially, it has been shown that a large part of the internal stresses is relaxed by plastic deformation of silver matrix and pseudo-plastic deformation of graphite during the post-densification cooling step of the materials. Thus, the control of mechanical properties of metallic matrix (especially of its elastic limit) makes it possible to attenuate the anomalies in CTE and confers a better dimensional stability to Ag / GF composite materials during thermal cycling. Finally, the addition of rGO in silver matrix of Ag/GF composites materials has also reduced material dimensional instability by up to 50 % thanks to the damping properties of rGO

Proposition et analyse des modeles mathématiques simples établis en regime varie, accessibles aux microordinateurs et rendant compte avec une precision suffisante du comportement thermique des batiments. Les parois opaques sont, dans un premier temps, modelises par differents schemas electriques dont la validite et les limites sont determinees. Proposition de deux modeles de batiment: le premier base sur une description globale des echanges thermiques, le second issu d'une analyse des phenomenes plus fine et d'un decoupage de l'habitat en deux zones. Large eventail de leurs possibilites, coherence des bilans thermiques obtenus a partir de simulations annuelles sont montres. En parallele, etude de la modelisation de la ventilation d'un logement.

Ce travail porte sur la valorisation de matériaux locaux au Cameroun en vue d'améliorer leurs performances en isolation thermique. Il s'agit dans un premier de temps de mettre au point de nouveaux matériaux locaux pour l'enveloppe de bâtiment. La pouzzolane naturelle et la sciure de bois qu'on trouve en abondance au Cameroun ont servi à réaliser des briques de terre plus légères et de meilleures performances thermiques que celles utilisées actuellement dans la construction des maisons. Les résultats expérimentaux portant sur les propriétés therrnophysiques montrent que les briques de terre en latérite+pouzzolane et en latérite+sciure de bois sont plus légères et possèdent de meilleures performances d'isolation thermiques que les briques en latérite simple. Les mesures de la résistance en compression faites sur des BTS incorporant de la pouzzolane naturelle et sur celles incorporant une quantité limitée de sciure de bois donnent des valeurs satisfaisantes. Ces résistances mécaniques sont de même ordre de grandeur que celles des BTS actuellement utilisées. La conductivité thermique et de la diffusivité thermique de ces matériaux augmente avec en teneur en eau. L'augmentation de la teneur en ciment dans les BTS étudiées entraîne une augmentation de la conductivité et une baisse de la diffusivité thermique. La modélisation des transferts couplés de chaleur et d'humidité a permis de déterminer les profils de température, d'humidité relative ct de teneur en eau. à travers une enveloppe de bâtiment faite de ces matériaux. Les faibles teneurs en eau relevées dans les différents cas permettent de conclure qu'il y a une faible possibilité de condensation de vapeur d'eau dans ces matériaux et par conséquent leur durabilité n'est pas mise en cause
In this work, an experimental study was carried out in order to determine the properties of local materials used as construction materials. The thermal properties of lateritic soil based materials were deterrnined. The effect of addition of natural pozzolan or sawdust in lateritic soil brick on the thermal properties is examined. It was shown that the effect of incorporation of natural pozzolan or sawdust is the decreasing of the thermal conductivity and density. The moisture content of these materials can modify their thermal performance. Thus a study of the influence of the water content on the thermal conductivity L and the thermal diffusivity a is presented. The effect of the increasing of cement content is to increase the thermal conductivity and to decrease the thermal diffusivity. The composite materials used for building shielding present sufficient mechanical strength and are suitable for constructions. The analysis is developed for the prediction of the temperature, relative humidity and water content behaviour within the walls. A numerical model HMtrans, developed for prediction of heat and rnoisture transfer in multi-Iayered building cornponents, is used to simulate the temperature, moisture content and humidity profiles within the building envelopes. The results allow the prediction of the duration of the exposed building walls to the local weather conditions. There is therefore minimum possibility of water condensation in the materials studied. The durability of buiIding envelopes made of lateritic soil bricks with incorporation of natural pozzolan or sawdust is not strongly affected by the climate conditions in tropical and equatorial regions

Les performances des matériaux métalliques couramment utilisés dans l'industrie alimentaire sont présentées notamment celles relatives à leurs propriétés chimiques, thermiques et mécaniques. Le choix de ces matériaux est discuté en fonction du contact direct ou indirect avec les aliments, le tout dans le contexte des législations nationales ou internationales en vigueur.

Avec un coût équivalent à 20 % de la consommation électrique mondiale, et des fluides frigorigènes fortement réglementés, l’industrie du froid doit faire face à plusieurs défis environnementaux tout en assurant son rôle fondamental pour divers secteurs (alimentaire, pharmaceutique, climatisation…). L’usage de suspensions de matériaux à changement de phase (MCP) en solution aqueuse, appelées « coulis », permet de stocker et transporter des quantités de froid par chaleur latente, un atout pour le dimensionnement et le rendement des installations. Parmi ces MCP, on trouve les hydrates (de sels, de gaz) dont certains possèdent les plus fortes chaleurs latentes sur la gamme 0-10 °C. Ce chapitre présente les propriétés fondamentales des hydrates, puis une revue des hydrates utilisés comme matériaux de stockage et de transport de froid. Les critères thermodynamiques, rhéologiques, thermiques, cinétiques, énergétiques et environnementaux d’utilisation des hydrates sont ensuite détaillés. Enfin, des exemples d’application des hydrates en réfrigération et en climatisation sont décrites.