Optical emission spectroscopy as a process-monitoring tool in PECVD of amorphous carbon coatings

Dans ce projet de recherche, le dépôt des couches minces de carbone amorphe (généralement connu sous le nom de DLC pour Diamond-Like Carbon en anglais) par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD pour Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition en anglais) a été étudié en utilisant la Spectroscopie d’Émission Optique (OES) et l’analyse partielle par régression des moindres carrés (PLSR). L’objectif de ce mémoire est d’établir un modèle statistique pour prévoir les propriétés des revêtements DLC selon les paramètres du procédé de déposition ou selon les données acquises par OES. Deux séries d’analyse PLSR ont été réalisées. La première examine la corrélation entre les paramètres du procédé et les caractéristiques du plasma pour obtenir une meilleure compréhension du processus de dépôt. La deuxième série montre le potentiel de la technique d’OES comme outil de surveillance du procédé et de prédiction des propriétés de la couche déposée. Les résultats montrent que la prédiction des propriétés des revêtements DLC qui était possible jusqu’à maintenant en se basant sur les paramètres du procédé (la pression, la puissance, et le mode du plasma), serait envisageable désormais grâce aux informations obtenues par OES du plasma (particulièrement les indices qui sont reliées aux concentrations des espèces dans le plasma). En effet, les données obtenues par OES peuvent être utilisées pour surveiller directement le processus de dépôt plutôt que faire une étude complète de l’effet des paramètres du processus, ceux-ci étant strictement reliés au réacteur plasma et étant variables d’un laboratoire à l’autre. La perspective de l’application d’un modèle PLSR intégrant les données de l’OES est aussi démontrée dans cette recherche afin d’élaborer et surveiller un dépôt avec une structure graduelle.

Caractérisation des propriétés mécaniques de la pâte de carbone à 150°C dans le but d’optimiser la mise en forme des anodes utilisées dans les cuves Hall-Héroult

Les anodes de carbone sont des éléments consommables servant d’électrode dans la réaction électrochimique d’une cuve Hall-Héroult. Ces dernières sont produites massivement via une chaine de production dont la mise en forme est une des étapes critiques puisqu’elle définit une partie de leur qualité. Le procédé de mise en forme actuel n’est pas pleinement optimisé. Des gradients de densité importants à l’intérieur des anodes diminuent leur performance dans les cuves d’électrolyse. Encore aujourd’hui, les anodes de carbone sont produites avec comme seuls critères de qualité leur densité globale et leurs propriétés mécaniques finales. La manufacture d’anodes est optimisée de façon empirique directement sur la chaine de production. Cependant, la qualité d’une anode se résume en une conductivité électrique uniforme afin de minimiser les concentrations de courant qui ont plusieurs effets néfastes sur leur performance et sur les coûts de production d’aluminium. Cette thèse est basée sur l’hypothèse que la conductivité électrique de l’anode n’est influencée que par sa densité considérant une composition chimique uniforme. L’objectif est de caractériser les paramètres d’un modèle afin de nourrir une loi constitutive qui permettra de modéliser la mise en forme des blocs anodiques. L’utilisation de la modélisation numérique permet d’analyser le comportement de la pâte lors de sa mise en forme. Ainsi, il devient possible de prédire les gradients de densité à l’intérieur des anodes et d’optimiser les paramètres de mise en forme pour en améliorer leur qualité. Le modèle sélectionné est basé sur les propriétés mécaniques et tribologiques réelles de la pâte. La thèse débute avec une étude comportementale qui a pour objectif d’améliorer la compréhension des comportements constitutifs de la pâte observés lors d’essais de pressage préliminaires. Cette étude est basée sur des essais de pressage de pâte de carbone chaude produite dans un moule rigide et sur des essais de pressage d’agrégats secs à l’intérieur du même moule instrumenté d’un piézoélectrique permettant d’enregistrer les émissions acoustiques. Cette analyse a précédé la caractérisation des propriétés de la pâte afin de mieux interpréter son comportement mécanique étant donné la nature complexe de ce matériau carboné dont les propriétés mécaniques sont évolutives en fonction de la masse volumique. Un premier montage expérimental a été spécifiquement développé afin de caractériser le module de Young et le coefficient de Poisson de la pâte. Ce même montage a également servi dans la caractérisation de la viscosité (comportement temporel) de la pâte. Il n’existe aucun essai adapté pour caractériser ces propriétés pour ce type de matériau chauffé à 150°C. Un moule à paroi déformable instrumenté de jauges de déformation a été utilisé pour réaliser les essais. Un second montage a été développé pour caractériser les coefficients de friction statique et cinétique de la pâte aussi chauffée à 150°C. Le modèle a été exploité afin de caractériser les propriétés mécaniques de la pâte par identification inverse et pour simuler la mise en forme d’anodes de laboratoire. Les propriétés mécaniques de la pâte obtenues par la caractérisation expérimentale ont été comparées à celles obtenues par la méthode d’identification inverse. Les cartographies tirées des simulations ont également été comparées aux cartographies des anodes pressées en laboratoire. La tomodensitométrie a été utilisée pour produire ces dernières cartographies de densité. Les résultats des simulations confirment qu’il y a un potentiel majeur à l’utilisation de la modélisation numérique comme outil d’optimisation du procédé de mise en forme de la pâte de carbone. La modélisation numérique permet d’évaluer l’influence de chacun des paramètres de mise en forme sans interrompre la production et/ou d’implanter des changements coûteux dans la ligne de production. Cet outil permet donc d’explorer des avenues telles la modulation des paramètres fréquentiels, la modification de la distribution initiale de la pâte dans le moule, la possibilité de mouler l’anode inversée (upside down), etc. afin d’optimiser le processus de mise en forme et d’augmenter la qualité des anodes.

The role of glass modifiers in the solubility of Tm3+ ions in As2S3 glasses

Au cours des années une variété des compositions de verre chalcogénure a été étudiée en tant qu’une matrice hôte pour les ions Terres Rares (TR). Pourtant, l’obtention d’une matrice de verre avec une haute solubilité des ions TR et la fabrication d’une fibre chalcogénure dopée au TR avec une bonne qualité optique reste toujours un grand défi. La présente thèse de doctorat se concentre sur l’étude de nouveaux systèmes vitreux comme des matrices hôtes pour le dopage des ions TR, ce qui a permis d’obtenir des fibres optiques dopées au TR qui sont transparents dans l’IR proche et moyenne. Les systèmes vitreux étudiés ont été basés sur le verre de sulfure d’arsenic (As2S3) co-dopé aux ions de Tm3+ et aux différents modificateurs du verre. Premièrement, l’addition de Gallium (Ga), comme un co-dopant, a été examinée et son influence sur les propriétés d’émission des ions de Tm a été explorée. Avec l’incorporation de Ga, la matrice d’As2S3 dopée au Tm a montré trois bandes d’émission à 1.2 μm (1H5→3H6), 1.4 μm (3H4→3F4) et 1.8 μm (3F4→3H6), sous l’excitation des longueurs d’onde de 698 nm et 800 nm. Les concentrations de Tm et de Ga ont été optimisées afin d’obtenir le meilleur rendement possible de photoluminescence. À partir de la composition optimale, la fibre Ga-As-S dopée au Tm3+ a été étirée et ses propriétés de luminescence ont été étudiées. Un mécanisme de formation structurale a été proposé pour ce système vitreux par la caractérisation structurale des verres Ga-As-S dopés au Tm3+, en utilisant la spectroscopie Raman et l’analyse de spectrométrie d’absorption des rayons X (EXAFS) à seuil K d’As, seuil K de Ga et seuil L3 de Tm et il a été corrélé avec les caractéristiques de luminescence de Tm. Dans la deuxième partie, la modification des verres As2S3 dopés au Tm3+, avec l’incorporation d’halogénures (Iode (I2)), a été étudiée en tant qu’une méthode pour l’adaptation des paramètres du procédé de purification afin d’obtenir une matrice de verre de haute pureté par distillation chimique. Les trois bandes d’émission susmentionnées ont été aussi bien observées pour ce système sous l’excitation à 800 nm. Les propriétés optiques, thermiques et structurelles de ces systèmes vitreux ont été caractérisées expérimentalement en fonction de la concentration d’I2 et de Tm dans le verre, où l’attention a été concentrée sur deux aspects principaux: l’influence de la concentration d’I2 sur l’intensité d’émission de Tm et les mécanismes responsables pour l’augmentation de la solubilité des ions de Tm dans la matrice d’As2S3 avec l’addition I2.

Utilisation d’arbres de faible vigueur provenant de forêts feuillues tempérées comme matière première pour la fabrication de granules de bois

La présente étude avait pour objectif de contribuer à une meilleure compréhension de la granulation des bois feuillus par l’évaluation de la possibilité technique de transformer des bois feuillus de faible vigueur (l’érable à sucre et le bouleau jaune) en granules conventionnels et granules de haute qualité, un type prometteur de transport énergétique. Trois études individuelles ont été réalisées et présentées dans cette thèse. La première étude visait à déterminer s’il y a des changements de teneur en extractibles, cendres, et lignine du bois entre les classes de vigueur des arbres. Les teneurs plus élevées en extractibles et en lignine dans les arbres peu vigoureux ont suggéré que ces derniers sont plus appropriés par rapport aux arbres vigoureux pour la conversion en biocombustibles solides. La deuxième étude visait à optimiser des procédés de granulation des bois feuillus. L’étude a porté sur l’influence des paramètres du procédé (la température et la force de compression) et des caractéristiques de la matière première (la taille des particules et la teneur en humidité) sur les propriétés physiques et mécaniques des granules de bois. Le procédé de granulation doit être effectué à une température d’environ 100 °C pour minimiser la force de friction dans le granulateur et à une teneur en humidité d’environ 11,2% pour maximiser la masse volumique et la résistance mécanique des granules produites. Cette étude a également confirmé que les arbres de faible qualité sont plus appropriés pour la fabrication de granules de bois que les arbres vigoureux. La troisième étude visait l’élaboration de granules de haute qualité. L’eau chaude à température élevée a été utilisée pour modifier les propriétés de la matière première avant granulation. Les caractéristiques de granulation du matériau traité ont été significativement améliorées. Les granules produites ont montré des propriétés améliorées incluant une plus faible teneur en cendres, une plus haute densité énergétique, une meilleure résistance à l’eau, et une meilleure résistance mécanique. Les résultats obtenus de toutes ces études ont démontré la nécessité de bien connaître les fondements de la granulation des bois feuillus et les solutions pratiques pour l’utilisation d’arbres feuillus de faible qualité, le premier peut être applicable pour le développement de procédés de granulation et le dernier peut contribuer à long terme à la restauration des forêts feuillues dégradées en termes de santé des forêts et de leur valeur.