Etude de proprietes thermiques de cristaux-liquides par deflexion photothermique

SIGLEINIST T 73558 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Etude de composites à base de nanotubes de carbone par la radiométrie photothermique infrarouge

Ce travail concerne l'étude des paramètres thermiques et électriques de matériaux composites. Nous avons développé différentes procédures autour de la radiométrie photothermique infrarouge qui permettent de mesurer avec précision l'ensemble des paramètres thermiques de tout type de matériau solide quelque soit sa nature. Ces procédures ont été développées à partir de l'expression de la température de surface de l'échantillon analysé. Elles permettent la détermination des paramètres thermiques de manière analytique sans recourir à une procédure d'ajustement numérique. Pour chacune des procédures propose es, une étude théorique a permis d'évaluer la précision sur la détermination des paramètres thermiques en fonction des différents paramètres expérimentaux. La sensibilité du signal aux paramètres thermiques a également été étudiée. Les méthodologies mises au point permettent d'étudier le comportement thermique à une température donnée ou en fonction de la température. Une partie de ce travail a porté sur la validation expérimentale de ces procédures par la mesure des paramètres thermique de divers échantillons : un carbone vitreux, un tantalate de lithium, une céramique PZT. L'évolution des paramètres thermiques de certains de ces échantillons a également été étudiée en fonction de la température. La dernière partie de ce travail a été consacrée à étudier le comportement thermique et électrique de composites à base de nanotubes de carbone. Après avoir passé en revue les caractéristiques physiques des nanotubes et de leurs applications, nous avons étudié l'évolution des paramètres thermiques de composites KBr/ nanotubes de carbone en fonction de leur concentration en nanotubes de carbone. La conductivité électrique de ces composites a été étudiée à l'aide de la méthode des 4 points et comparée au comportement thermique. Bien qu'une percolation électrique soit observée, aucune percolation thermique n'est à relever. Différentes hypothèses ont été formulées afin d'expliquer ce comportement. Plusieurs modèles disponibles dans la littérature ont été utilisés afin de modéliser et de comprendre les comportements électrique et thermique de ces composites.This work relates to the study of the thermal and electrical parameters of composites materials. We have developed various procedures around the infrared radiometry which make it possible to measure with precision all thermal parameters of any type of solids materials. These procedures were developed starting from the expression of the surface temperature of the analyzed sample. They allow the determination of the thermal parameters in an analytical way without resorting to a procedure of numerical adjustment. For each procedure suggested, a theoretical study evaluate the precision on the determination of the thermal parameters function of the various experimental parameters. The sensitivity of the signal to the thermal parameters was also studied. The methodologies developped make it possible to study the thermal behavior at a given temperature or according to the temperature. Part of this work is devoted to the experimental validation of these procedures by the measurement of the thermal parameters of various samples : vitreous carbon, lithium tantalate, PZT ceramic. The evolution of the thermal parameters of some of these samples was also studied according to the temperature. The last part of this work was devoted to study the thermal and electrical behavior of carbon nanotubes based composites. After having reviewed the physical characteristics of the nanotubes and their applications, we have studied the evolution of the thermal parameters of KBr/carbon nanotubes composites according to their concentration in carbon nanotubes. The electrical conductivity of these composites was studied using the four points prob method and was compared with the thermal behavior. Although an electrical percolation is observed, no thermal percolation is noted. Various assumptions were formulated in order to explain this behavior. Several models available in the literature were used in order to model and to understand the electrical and thermal behavior of these composites.DUNKERQUE-BU Lettres Sci.Hum. (591832101) / SudocSudocFranceF

Etude du transport thremique dans des fluides complexes par calorimètrie photopyroélectrique

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la compréhension des phénomènes de transport thermique dans des milieux inhomogènes. Les études réalisées ont pour objectif une meilleure connaissance des paramètres qui influencent le comportement thermique de ces systèmes. Dans un premier chapitre, nous introduisons les techniques photothermiques et leurs applications. Nous détaillons la théorie de la technique photopyroélectrique, laquelle constitue le point de départ pour le développement d une méthodologie adaptée à la mesure des paramètres thermiques de matériaux liquides ou semi-liquides. Le second chapitre est consacré à la présentation d une méthodologie nouvelle pour la mesure des paramètres thermiques. Les différentes procédures de mesure sont validées sur des fluides standards. Le signal pyroélectrique est mesuré en fonction de la variation de l épaisseur de l échantillon. La phase du signal contient l information concernant la diffusivité thermique, alors que l effusivité thermique est mesurée à partir d une combinaison de l amplitude et de la phase du signal. Cette nouvelle approche dans l analyse du signal photothermique a permis une nette amélioration de la précision et de la reproductibilité des mesures de ces paramètres. Dans une troisième partie, nous proposons l étude de quelques mélanges binaires et nous montrons que la calorimétrie photopyroélectrique peut être utilisée pour mettre en évidence des phénomènes d associations moléculaires. Enfin, dans le quatrième chapitre, nous présentons des mesures réalisées sur des dispersions polymère cristal liquide (PDLC). La morphologie ségrégée de ces composites à base de cristaux liquides est très intéressante pour l étude du transport de chaleur dans des systèmes hétérogènes à structure micrométrique. Dans ces composites, les caractéristiques thermiques des inclusions peuvent être modifiées sans pour autant modifier les caractéristiques physiques du système, (même nombre, même taille et même dispersion des inclusions). Cela est obtenu en imposant un champ électrique au composite qui oriente les molécules dans les gouttelettes de cristal liquide modifiant ainsi leurs propriétés thermiques. Les résultats sont analysés à travers l utilisation de plusieurs modèles permettant de décrire les transferts de chaleur dans ces milieux composites. Le rôle important des résistances thermiques d interface est mis en évidence. La comparaison entre le comportement thermique du cristal liquide libre et confiné permet de montrer l effet du confinement.In this work, a new methodology for the simultaneous determination of thermal parameters (thermal diffusivity, thermal effusivity, thermal conductivity and heat capacity) and pyroelectric coefficient of a pyroelectric material has been developed. This methodology is based on the study of pyroelectric signal generated by the pyroelectric sample when irradiated by a light source intensity modulated. Initially, a theoretical model was developed from the general theory of technique photopyroelectric corresponding to a configuration of the cell as simple as possible. A normalization procedure pyroelectric signal was proposed to eliminate experimental parameters whose value is difficult to estimate. Different procedures for determining the thermal parameters of pyroelectric sample have been proposed : they may be reduced from the development phase or the amplitude of the normalized frequancy modulation. For each of the proposed procedures, a detailed study has assessed the error in determining thermal parameters based on experimental parameters. For measurements based on temperature, two different procedures have been proposed : the first is based on the combination of phase and amplitude of the signal at a given frequency modulation, the latter uses the value of the normalized phase two different frequencies. In addition, it has been shown that the temperature dependence of pyroelectric coefficient could also be measured from the amplitude of the pyroelectric signal. Another application of the method is the measurement of thermal effusivity liquid when the pyroelectric material is well characterized, then playing the role of sensor. It is not necessary to know the thickness of liquid film in thermal contact with the pyroelectric material, which makes measuring simple and applicable to highly viscous fluids. Finally, the first measurements of thermal parameters performed on a ferroelectric liquid crystal were presented. The pyroelectric signal obtained as a funtion of frequency and temperature is similar to that obtained with a pyroelectric material classic . The method allows the characterization of ferroelectric liquid crytals also produced in film form. The results obtained for a single crystal, a ceramic, a polymer and a ferroelectric liquid crystal have shown that the method could be applied for the characterization of pyroelectric materials of any kind.DUNKERQUE-BU Lettres Sci.Hum. (591832101) / SudocSudocFranceF

Caractérisations thermiques de composites polymères dispersés dans du cristal liquide et de matériaux composites thermoélectriques à base de polymères avec les techniques photothermiques

Dans une première partie, une nouvelle méthodologie, précise et hautement sensible de caractérisation des paramètres thermiques de liquides par radiométrie photothermique est ici présentée. Deux configurations expérimentales sont proposées. Elles ont été testées et validées avec des matériaux liquides usuels aux paramètres thermiques connus. Par la suite, cette démarche a été utilisée pour l'étude de polymères dispersés dans des cristaux liquides. Les propriétés thermiques dynamiques de chaque échantillon ont été mesurées en fonction de l'amplitude du champ électrique appliqué à une fréquence donnée aussi bien qu'en fonction de la fréquence du champ électrique à une amplitude fixe. Cette étude a montré que les propriétés thermiques étaient sujettes aux effets du champ de dépolarisation aux basses fréquences. La seconde partie de ce manuscrit décrit la nouvelle technique photothermique basée sur l'effet thermoélectrique. Cette technique est utile pour caractériser thermiquement les matériaux thermoélectriques sans avoir à recourir à un capteur extérieur pour mesurer le changement de température. Une étude théorique et expérimentale est présentée. Ces expériences ont été réalisées avec des composites polyaniline/nanotubes de carbone par mesure de la tension générée par l'échantillon thermoélectrique chauffé par un faisceau laser. Des mesures additionnelles à l'aide de la radiométrie infrarouge sur ces mêmes échantillons ont été entreprises et les résultats sont en bon accord avec ceux précédemment trouvés. Enfin, la possibilité d'utiliser les matériaux thermoélectriques comme capteur photothermique au travers d'une cavité résonnante à ondes thermiques est évoquée.Primarily, newly developed, high sensitive and accurate methods for thermal characterization of liquids using photothermal radiometry are presented. Two experimental configurations are suggested, tested and validated with usual liquid materials. These methods are used to study polymer dispersed liquid crystal samples. Dynamic thermal properties of samples are analysed verses amplitude varying applied electric field with constant frequency as well as versus frequency varying electric field with constant amplitude. Our results clearly show the thermal properties of the samples are prone to depolarizing field effects at the lower frequencies of the applied electric field. The experimental results are modeled against existing theories to predict electric properties of the sample composites. Second part of the manuscript describes the development of a novel photothermal technique based on thermoelectric effect. This technique is particularly useful for thermally characterizing thermoelectric materials without using a separate sensor for measuring induced temperature changes. A theoretical and experimental study is presented. The experiments are done on polyaniline - carbon nanotube composite pellets by measuring Seebeck voltage generated by the samples upon heating by a modulated laser beam. Additional infrared radiometry experiments are done on the same samples and the results are in good agreement with those previously found. Later on, the possibility of photothermoelectric materials to be used as sensors for finding thermal transport properties of materials with a thermal wave resonant cavity is suggested.DUNKERQUE-SCD-Bib.electronique (591839901) / SudocSudocFranceF

Theory of the photothermally generated Seebeck voltage in harmonic regime

In this paper, a general theory of the photothermally induced Seebeck voltage in the harmonic regime is presented. Conditions highlighting coupling effects between temperature and electric fields are reported. In the frequency domain, thermoelectric materials are governed by two regimes separated by a cut-off frequency. Below this point, there is no manifestation of coupling on the voltage response. In its vicinity and beyond, coupling appears through an effective Seebeck coefficient and an effective thermal conductivity. From this last quantity, the figure of merit can be, in principle, theoretically determined from the ratio of thermal conductivities obtained respectively at high and low frequencies or from the maximum value of the complex thermal conductivity argument at the cut-off frequency

Electrocaloric Cooling Prototype Using Lead-Free Barium Titanate Multilayer Capacitors and Heat Transfer Fluid Motion

International audienceIn this paper, we describe the realization and the testing of an electrocaloric effect based refrigeration prototype. The prototype makes use of Active Electrocaloric Regenerator (AER) made of commercially available MultiLayer ceramics and exploits the oscillating motion of a heat transfer fluid in a thermodynamic refrigeration cycle. The setup allows the adjustment of various parameters and the effect of the frequency of the cycle as well as the volume displaced of the heat transfer fluid has been evidenced. An amplification regenerative factor of 1.25 has been reached, comparable to those of previously proposed electrocaloric refrigerator prototypes

Heat treatment of commercial polydimethylsiloxane PDMS precursors: Part II. Thermal properties of carbon-based ceramic nanocomposites

International audienc

General approach of the photothermoelectric technique for thermal characterization of solid thermoelectric materials

International audienceThis work focuses on the photothermoelectric (PTE) technique allowing the thermal characterization of solid-state thermoelectric (TE) materials. Previously, this technique was restricted to TE materials having low electrical conductivities. Here, the PTE technique is extended and generalized to all solid-state TE materials with low or high electrical conductivities. This is achieved by taking into account the Gaussian shape of the thermal excitation source. The formalism of this new methodology is developed and the procedure for extracting thermal parameters is proposed. For illustration, two different TE materials are studied with relatively high electrical conductivity (Bi2Te2.4Se0.6) and relatively low electrical conductivity (Bi2Ca2Co1.7Ox). The thermal properties of these two materials (thermal diffusivity, effusivity and conductivity) are found and compared to those obtained by the photothermal radiometry which is a well established technique. The good concordance between the results obtained by these two techniques demonstrates the relevance of the generalized PTE technique. One of the main advantages of this technique is its non use of an external sensor