Transfert thermique par rayonnement et conduction dans les matériaux poreux micro et nanostructures. Analogie transfert de phonons et de photons

Abstract

Lobjectif de cette thèse est de modéliser et de mieux comprendre le transfert thermique multi-échelle au sein de matériaux micro et nanoporeux. Les deux modes de transfert de chaleur conduction et rayonnement sont modélisés à partir de léquation de transport de particules de Boltzman (ETB) par lintermédiaire de lanalogie entre le photon et le phonon. Pour le transfert radiatif monodimensionnel, lETB est résolue par la méthode des ordonnées discrètes (MOD) basée sur lutilisation dune quadrature composée adaptée (QCA) afin dobtenir une répartition directionnelle précise des intensités. Les propriétés radiatives du milieu homogène équivalent associé au milieu réel, intervenant dans lETB sont déterminées par des modèles de diffusion simple et indépendante appelés théorie classique de Mie (TCM), approche en champ lointain (ACL) et approche en champ proche (ACP) dune part, et caractérisées par une méthode inverse didentification des paramètres dautre part. Les applications concernent deux types de matériaux différents : du quartz fondu contenant une faible fraction volumique de micro-bulles et des films de polymère contenant différentes concentrations de microsphères creuses. Ces matériaux sont caractérisés par une forte absorption aux longueurs donde infrarouge. La validité des méthodes est vérifiée par la comparaison des résultats issus des modèles avec des mesures expérimentales de transmittance et de réflectance hémisphériques. Si la concentration de particules est faible, les différents modèles de propriétés radiatives sont en bon accord entre eux et avec les résultats expérimentaux, dans le cas contraire, il est mis en évidence que lACL est la mieux appropriée. A partir de notre connaissance concernant le transfert radiatif dans les milieux poreux microstructurés, et de lanalogie phonon/photon nous avons développé une nouvelle approche du transfert conductif dans les matériaux nanoporeux. Cette thèse est la première analyse permettant une modélisation fine du transport dénergie phononique au sein dun film de Silicium contenant des pores nanométriques. Les pores contenus dans le film étant de forte concentration et dorientation très anisotropes, aucune des méthodes de résolution de lETB existantes nest adéquate. Une nouvelle méthode de Monte Carlo en régime permanent et en trois dimensions est développée pour simuler directement le transport de phonons (conduction thermique) dans ce matériau. La morphologie nanoporeuse est modélisée, dans un premier temps, comme une répartition aléatoire de pores sphériques non agglomérés dans le volume et dans un second temps par un modèle fractal, Two-scale modifié, plus proche de la structure réelle. Les résultats de modélisation sont comparés avec les données expérimentales de la littérature. Cette méthode de Monte Carlo a permis de mettre en évidence linfluence de la taille, de la fraction volumique et de la morphologie des pores. Elle présente un fort potentiel, elle permettra notamment de modéliser le transport de phonon dans les matériaux diélectriques cristallins à géométries complexes