PhTT

Phénomènes de transport thermique

Les mécanismes de transport thermique jouent un rôle important dans le développement de dispositifs techniques afin d’en accroître leur performance et leur fiabilité. Selon les applications, on cherchera à augmenter ou à diminuer la conduction thermique. Par exemple, concernant les matériaux thermoélectriques, l’efficacité de conversion de la chaleur en électricité est améliorée lorsque la conductivité thermique est minimisée. Inversement, d’autres procédés de conversion de l’énergie comme les échangeurs de chaleur, le stockage de l’hydrogène nécessitent une conductivité thermique élevée. Le « réglage » des paramètres thermiques implique de bien comprendre les processus thermophysiques se déroulant au sein des matériaux. Le transport thermique peut ainsi être modifié par la création d’interfaces, de défauts, par nanostructuration, par ajout d’inclusions ou encore par confinement spatial. L’étude des effets thermiques associés aux transitions structurales est également importante comme par exemple dans les matériaux à changement de phase pour stocker la chaleur, les mémoires à changement de phase pour densifier la quantité de données stockées, dans la conservation des tissus biologiques ou encore dans les dispositifs à cristaux liquides pour réduire leur temps de réponse et la valeur des champs électriques nécessaires. La compréhension au niveau fondamental des mécanismes physiques survenant aux différentes échelles est nécessaire afin de pouvoir par la suite optimiser les dispositifs précédemment mentionnés. Pour l’étude de ces mécanismes, l’UDSMM a développé des techniques de caractérisation photothermiques (photopyroélectricité, photothermoélectricité, radiométrie infrarouge, détection photoacoustique…), domaine dans lequel le laboratoire est internationalement reconnu. L’expertise acquise par notre laboratoire a permis de contribuer au développement dans différents domaines dont le détail est donné ci-dessous.

Effet Electrocalorique

L’effet électrocalorique (electrocaloric effect : ECE) correspond à la variation de température réversible d’un matériau polaire sous l’effet d’un champ électrique. Ce phénomène a connu un regain d’intérêt suite à la découverte d’un effet électrocalorique « géant » dans des films ferroélectriques, permettant d’envisager son application pour la réalisation de dispositif réfrigérant performant, à l’instar de l’effet magnétocalorique.La caractérisation de cet effet consiste en la mesure de l’évaluation de la variation de température suite à la l’application d’un champ électrique au matériau. L’UDSMM possède une bonne expertise dans la caractérisation thermique et électrique des matériaux ferroélectriques, sous forme de film minces ou de cristaux liquides par exemple. Les méthodes usuelles sont déjà disponibles au laboratoire et peuvent être complétées par des techniques plus spécifiques développées au laboratoire pour la caractérisation des propriétés thermiques de matériaux sous champ que sont les techniques photothermiques

Matériaux Thermoélectriques

Les générateurs thermoélectriques sont des matériaux qui génèrent de l’électricité lorsqu’une différence de température existe en leur sein. L’avènement des nanosciences a relancé l’étude de ces systèmes et laissent espérer des progrès par l’élaboration de matériaux nanostructurés.Le laboratoire a initié et mis au point une nouvelle technique, la photothermoélectricité (PTE), qui permet de déterminer de manière simple et précise les paramètres thermiques des matériaux thermoélectriques. Cela est réalisé à l’aide de l’analyse du signal délivré par le matériau thermoélectrique lorsqu’il est soumis à un gradient de température périodique. Notre laboratoire dispose ainsi d’un outil performant dans l’étude des matériaux thermoélectriques. Cet outil nous donne un avantage important dans l’étude et la caractérisation de ces matériaux.Dans ce contexte, les activités de l’unité dans le domaine des matériaux thermoélectriques concernent l’élaboration et la caractérisation de nanocomposites thermoélectriques hybrides, de matériaux thermoélectriques sous forme liquide et de types oxydes.
 
 

Mélanges cryoprorecteurs : cryopréservation des systèmes biologiques

La vitrification des milieux biologiques est un procédé actuellement fortement étudié, en particulier par les biologistes qui sélectionnent des cryoprotecteurs bio-compatibles. Les études physiques fondamentales concernant la vitrification sont peu nombreuses, alors même que les processus mis en jeu dans ce procédé sont de type physico-chimique. Ces études physiques systématiques sont d’autant plus nécessaires que la vitrification conduit depuis peu à des résultats spectaculaires sur des organes complexes. Il s’agit par exemple de la préservation d’apex de vanille ou de Shih suivie de leur mise en culture, d’ovocytes de brebis, de tissu ovarien, de segments carotidiens, de cellules de racines, ou encore de reins de lapins réimplantés avec succès.Ce projet s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle thématique à l’UDSMM. Il s’agit d’étudier à l’aide de techniques photothermiques l’évolution des propriétés thermiques de mélanges cryoprotecteurs lors du refroidissement sur une plage de températures allant de l’ambiant à la température de l’azote liquide.

D’après Courbière et al. Gynécologie Obstétrique & Fertilité 37 ( 2009) 803-813

Membres de l’équipe

Mathieu Bardoux (MCF)

Sylvain Delenclos (MCF)

Michael Depriester (MCF)

Fabrice Goutier (MCF)

Abdelhak Hadj Sahraoui (Pr) (responsable d’équipe)

Stéphane Longuemart (MCF)

Doctorants

Karim Touati 2013-2016 Elaboration, caractérisation et modélisation de matériaux composites thermoélectriques hautes performances pour applications énergétiques.
Allen Matthew 2013-2016  Etudes photothermiques de mélanges cryoprotecteurs
Eliane Bsaibess 2015-2018 Caractérisation de l’effet électrocalorique dans les matériaux polaires

Post-doctorant

Jan Leys, contrat post-doctoral de l’ULCO. Calorimétrie et mesure de l’effet électrocalorique (2015)

 

Professeurs Invités

Pr. Dorin Dadarlat, NIRDIMT, Cluj-Napoca, Roumanie (Juin-Juillet 2015)

Pr. Christ Glorieux, KULeuven, Leuven, Belgique (2016)

 Publications récentes :

Touati, K., Depriester, M., Guilmeau, E., Sotelo, A., Sediles, M. M., Gascoin, F., & Hadj Sahraoui, A. . General approach of the photothermoelectric technique for thermal characterization of solid thermoelectric materials. J. Phys. D: Appl. Phys. 50  265501 ,2017. doi.org/10.1088/1361-6463/aa748d

Michal Pawlak, Mihaela Streza, Cristian Morari, Karol Strzałkowski, Michael Depriester and Mihai Chirtoc
Quantitative thermal wave phase imaging of an IR semi-transparent GaAs wafer using IR lock-in thermography, Meas. Sci. Technol. 28 025008, 2017 doi:10.1088/1361-6501/aa4f69

S. Venkatachalam, M. Depriester, A. Hadj Sahraoui, B. Capoen, M.R. Ammar, D. Hourlier, Thermal conductivity of Kapton-derived carbon, Carbon, Volume 114,134-140, 2017 doi:10.1016/j.carbon.2016.11.072.

M.A. Madre, Sh. Rasekh, K. Touati, C. Salvador, M. Depriester, M.A. Torres, P. Bosque, J.C. Diez, A. Sotelo, From nanosized precursors to high performance ceramics: The case of Bi2Ca2Co1.7Ox, Materials Letters, Volume 191, 14-16, 2017, doi:10.1016/j.matlet.2017.01.031.

K. Touati, M. Depriester, A. Hadj Sahraoui, C. Tripon, D. Dadarlat, Combined photopyroelectric-photothermoelectric detection for thermal characterization of liquid thermoelectrics, Thermochimica Acta, 642, 20, 39-44, 2016 doi: 10.1016/j.tca.2016.09.004.

Jan Leys, Christ Glorieux and Jan Thoen Temperature Dependence of Enthalpy and Heat Capacity of Alkanes and Related Phase Change Materials (PCMs) with a Peltier-element-based Adiabatic Scanning Calorimeter. MRS Advances, Available on CJO 2016 doi:10.1557/adv.2016.298

Streza M; Longuemart S.; Guilmeau E.; Strzalkowski K.; Touati K., Depriester M, Maignan A.;Hadj Sahraoui A., An active thermography approach for thermal and electrical characterization of thermoelectric materials, J. Phys. D : Appl. Phys., 49, 285601, 2016. DOI : 10.1088/0022-3727/49/28/285601

Leys Jan; Duponchel Benoît; Longuemart Stéphane; Glorieux Christ; Thoen Jan; A new calorimetric technique for phase change materials and its application to alkane-based PCMs, Materials for Renewable and Sustainable Energy, 5, 2016 :DOI: 10.1007/s40243-016-0068-y

Touati Karim; Depriester  Michael; Kuriakose  Maju; Hadj Sahraoui  Abdelhak, New methodology for the thermal characterization of thermoelectric liquids, Review of Scientific Instruments,  86,  9,  094901, 2015: DOI :10.1063/1.4930125

Dadarlat  Dorin; Misse  Patrick RN; Maignan  Antoine; Guilmeau Emmanuel; Turcu  Rodica; Vekas Ladislau; Tudoran  Cristian; Depriester  Michael; Hadj Sahraoui Abdelhak, Alternative Calorimetry Based on the Photothermoelectric (PTE) Effect: Application to Magnetic, Nanofluids, International Journal of Thermophysics, 1-11, 2015.

Dadarlat, D; Misse, PRN; Maignan, A; Guilmeau, E; Depriester, M; Kuriakose, M; Sahraoui, A Hadj; Thermoelectrics (TE) used as detectors of radiation: an alternative calorimetry based on the photothermoelectric (PTE) effect, Advanced Topics in Optoelectronics, Microelectronics, and Nanotechnologies, 92582R-10, 2015.

Roussel, Frederick; King, Roch Chen Yu; Kuriakose, Maju; Depriester, Mickael; Hadj-Sahraoui, Abdelhak; Gors, Carole; Addad, Ahmed; Brun, Jean-Francois, Electrical and thermal transport properties of polyaniline/silver composites and their use as thermoelectric materials, Synthetic Metals, 199, 196-204, 2015.

Islam Rakibul; Chan-Yu-King  Roch; Brun  Jean-François; Gors Carole; Addad  Ahmed; Depriester, Michael; Hadj-Sahraoui Abdelhak; Roussel Frederick, Transport and thermoelectric properties of polyaniline/reduced graphene oxide nanocomposites, Nanotechnology, 25, 47, 475705, 2014.

Leys, J., Tripathi, C. S. P., Glorieux, C., Zahn, S., Kirchner, B., Longuemart, S & Binnemans, K. (2014). Electrical conductivity and glass formation in nitrile-functionalized pyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ionic liquids: chain length and odd–even effects of the alkyl spacer between the pyrrolidinium ring and the nitrile group, Physical Chemistry Chemical Physics,16, 22, 10548-10557, 2014

Kuriakose, Maju; Depriester, Michael; King, Roch Chan Yu; Roussel, Frédérick; Abdelhak, Hadj Sahraoui, Use of Photothermally Generated Seebeck Voltage for Thermal Characterization of Thermoelectric Materials,Journal of Electronic Materials, 43, 6, 1740-1743, 2014.

Kuriakose, M; Longuemart, S; Depriester, M; Delenclos, S; Hadj Sahraoui, Maxwell-Wagner-Sillars effects on the thermal-transport properties of polymer-dispersed liquid crystals, Physical Review E, 89, 2, 022511,2014.

Dadarlat, D; Streza, M; King, R Chan Yu; Roussel, F; Kuriakose, M; Depriester, M; Guilmeau, E; Sahraoui, A Hadj; , »The photothermoelectric technique (PTE), an alternative photothermal calorimetry »,Measurement Science and Technology, 25, 1, 015603, 2014.

Hany, B. Duponchel, C. Poupin, A. Aboukaïs, D. Dewaele, J-B. Vogt, J. Bouquerel, H. Kassem, A. Mouftiez, S. Hariri, M. Milochova,   E.Bychkov, E. Abi-Aad,  Microstructural and mechanical properties of 9%Ni steels used for the construction of LNG   storage tanks.     Adv. Mat. Res. 936, 1953-1957, 2014