Academic literature on the topic 'Fibres optiques – Effets des hautes températures'

EDF souhaite utiliser la technologie de mesure de température répartie par capteur à fibre optique utilisant l’effet Raman pour réaliser des cartographies de température de certains composants de centrales nucléaires. Les conditions environnementales auxquelles le capteur à fibre optique est soumis sont particulièrement agressives (température de 350 °C et rayonnements gamma ionisants). Les rayonnements ionisants sont responsables de la création de défauts structurels au cœur de la fibre, qui atténuent sa transmission lumineuse, et dont les effets engendrent une erreur de mesure de température pouvant aller jusqu'à l’interruption totale de la mesure. La haute température, quant à elle, dégrade le revêtement protecteur de la fibre optique, ce qui la fragilise mécaniquement. Des irradiations gamma in situ sur des fibres optiques multimodes commerciales à revêtement or protégées par une gaine en acier inoxydable ont été réalisées, à l’aide de deux sources de rayonnements différentes, pour observer l'atténuation radio-induite du capteur à fibre optique en fonction du débit de dose et de la dose cumulée. Les effets du rayonnement à température ambiante, puis à haute température, ont été observés. Ce travail expérimental démontre que la haute température peut être maîtrisée grâce à une fibre à revêtement or, et que la haute température est bénéfique contre l’atténuation de la fibre engendrée par l’irradiation. La mise en œuvre de capteur de température à fibre optique en environnement sévère devient possible, ainsi que l’estimation des incertitudes sur la mesure associée<br>EDF is working on Raman distributed temperature sensing using optical fiber sensors in order to map temperature of nuclear power plants big components. The sensor has to sustain harsh environmental conditions (temperatures up to 350 °C and gamma ionizing radiations). Ionizing radiations can create structural defects inside the fiber’s core, which attenuate the light transmission. This phenomenon can lead to temperature measurements errors until no measurement is possible. As for high temperature, it can affect the fiber coating, which mitigate the fiber mechanical resistance.Gamma rays in situ irradiations have been carried out over commercial off-the-shelf multimode gold coated fibers protected with a stainless steel metal tubing, with two different radiation sources, in order to observe radiation-induced attenuation over dose rate or cumulated dose. Effects of gamma rays over gold coated optical fiber sensors have been observed at both room anhigh temperature.This experimental work enlightens that high temperature can be controlled with gold coated fibers, and that the radiation-induced attenuation downsides can efficiently be balanced with high temperature. Implementation of a Raman distributed temperature optical fiber sensor in such harsh environments becomes possible, as well as the associated estimation of measurement uncertainty

Les capteurs de température à fibres optiques possèdent de nombreux avantages tels que leurs faibles tailles et poids ainsi que leurs immunités à une large bande du spectre électromagnétique. La technologie des réseaux de Bragg inscrits sur fibre optique présente les mêmes avantages et ils sont de plus ultra-rapides, permettant de mesurer la température avec une précision meilleure que 0,5°C. Cependant pour des milieux radiatifs tels que l’espace ou le cœur des réacteurs nucléaires les performances de ces réseaux peuvent être affectés par les radiations ou des effets combinés des radiations et de la température. Dans ce manuscrit nous avons étudié la vulnérabilité de trois types de réseaux de Bragg : les réseaux de type I photo-inscrits avec des lasers continus ou pulsés, les réseaux de type R –Régénération – identiques aux réseaux de type I mais ayant subi un recuit à haute température (&gt; 600°C) et caractérisés par une excellente tenue aux hautes températures (&gt; 1000°C), et les réseaux de type II inscrits avec des lasers femtosecondes connus pour résister aux hautes températures. Même après un recuit à haute température (300°C) les réseaux de type I ne sont pas stables aux radiations. Les réseaux de type R ne sont également pas stables sous radiation à température ambiante alors que pour des températures d’irradiations supérieures à 150°C le réseau présente sous rayons X une incertitude sur la mesure inférieure à 1°C. Enfin après un recuit à haute température les réseaux de type II sont stables sous radiation, avec une erreur sur la mesure de température de moins de 1°C<br>Optical fiber temperature sensors have numerous advantages such as their small sizes, low weights and their immunity to a large band of the electromagnetic spectrum. The fiber Bragg gratings technology has the same advantages than the other optical sensors and is also characterized with an ultra-fast time response with a temperature accuracy better than 0.5°C. For nuclear environments such as near-Earth space or a nuclear reactor core the radiation – and the temperature – influence the performances of Bragg gratings. In this manuscript, we studied the behaviors of three gratings types: type I gratings are photo-inscribed with continuum or pulsed laser. They cannot resist to temperature higher than 400°C. Type R – Regenerated – gratings are done as type I with a further high-temperature treatment (&gt; 600°C) to create a new grating resistant to temperatures exceeding 1000°C. Type II gratings are inscribed with femtosecond laser and are well-known to have a thermal stability as good as type R gratings. Regarding their responses to radiation and thermal constraints, type I gratings are unstable under radiations even with pre-thermal annealing (300°C). In addition, larger is the dose-rate or the accumulated dose larger the grating degradation is. Type R gratings are unstable under radiations at room temperature. However for the irradiation temperature above 150°C these gratings present an equivalent temperature error due to radiations of less than 1°C. After a thermal treatment at a temperature above 450°C, type II gratings are stable under radiations at room temperature (less than 1°C of radiation induced error)

Les travaux de thèse portent sur la réalisation de capteurs à fibre optique protégés par un revêtement résistant aux hautes températures, supérieures à 350 °C. Une partie des travaux est réalisée sur tour de fibrage dans l’optique d’améliorer la fiabilité mécanique de ces capteurs compacts.Les premiers travaux présentés se focalisent sur l’étude microstructurale par microscopie électronique à transmission de réseaux de Bragg point par point inscrits par un laser femtoseconde. Les observations démontrent un gradient chimique du germanium au niveau des modifications périodiques. Ce gradient expliquerait en partie les évolutions spectrales de ces capteurs à 1000 °C.La deuxième étude montre le potentiel des fibres dopées en nanoparticules de zircone pour les mesures réparties à 800 °C par réflectométrie fréquentielle exploitant la rétrodiffusion Rayleigh. Ces fibres présentent une meilleure stabilité de mesure de température que les fibres classiquement employées pour la télécommunication optique.La troisième étude porte sur la protection mécanique des fibres optiques par un revêtement « hautes températures ». Pour la première fois, les silicones chargées sont étudiées comme revêtement pour fibre optique. Le comportement du revêtement est étudié jusqu’à 470 °C à l’aide de réseaux de Bragg protégés par dip-coating. Le revêtement est aussi déposé sur fibre lors de sa fabrication sur tour de fibrage. Plus de 100 mètres de fibre sont protégées en continu avec une épaisseur d’environ 13 µm<br>The Ph.D. work focuses on the realisation of optical fibre sensors protected by a high-temperature resistant coating. The aim application temperature is above 350 °C. One part of the work is done on a fibre draw tower to improve the mechanical reliability of these compact sensors.The first part of the presented work focuses on the microstructural study of point-by-point fibre Bragg gratings. These gratings are inscribed in the optical fibre core with a femtosecond laser. The analysis by transmission electronic microscopy shows germanium chemical gradient near the periodic modifications. This gradient could partially explain the spectral evolutions of these sensors at 1000 °C.The second study shows the performances of zirconia nanoparticle-doped optical fibres for distributed sensing at 800 °C by Optical Frequency Domain Reflectometry. These fibres have a better stability of temperature measurement than conventional fibres for optical telecommunication.The third study is related to the mechanical protection of optical fibres by a high-temperature resistant coating. For the first time, a silicone coating with fillers is studied like a coating for optical fibre. The coating is applied on fibre Bragg gratings by dip-coating to study the behaviour of the coating on the fibre up to 470 °C. Then the coating is applied on an optical fibre by using a fibre draw tower. A 100 meter-length fibre is protected with a thickness of around 13 µm

Les matériaux composites connaissent un essor considérable lié au développement des industries automobiles, aéronautiques et aérospatiales. Les composites carbure de silicium-carbone-carbure de silicium (SiC/C/SiC) sont constitués de fibres de carbure de silicium, d'une interphase carbonée d'épaisseur 0,12 m et d'une matrice céramique de carbure de silicium. L'interphase carbonée joue un rôle prépondérant puisqu'elle rend le matériau plus tenace. Les composites SiC/C/SiC s'oxydent lorsqu'ils sont utilisés à haute température et l'oxydation de ces matériaux conduit à une détérioration de ses propriétés mécaniques. Il est alors apparu nécessaire de clarifier le comportement à l'oxydation du composite SiC/C/SiC et d'identifier les mécanismes d'oxydation ayant lieu à l'interphase. Le composite et les matériaux qui le constituent ont été oxydés à 900°C et 1200°C sous 10 mbar d'oxygène pur. Les gaz issus des réactions d'oxydation ont été quantitativement analysés par spectrométrie de masse. L'oxydation des fibres de carbure de silicium et de la matrice de carbure de silicium conduit à la formation d'une couche de silice en surface des matériaux. Le comportement à l'oxydation du composite à 900°C est influencé par la géométrie de l'éprouvette liée à la longueur du pore crée par la gazéification de l'interphase carbonée. Par contre, le composite s'auto-protège lors de son oxydation à 1200°C. En effet, les pores crées par la gazéification de l'interphase carbonée sont obstrués par la silice formée par oxydation des fibres et de la matrice. Cette auto-protection intervient avant la gazéification totale de l'interphase carbonée

Les objectifs de cette étude ont été 1) d’améliorer la stabilité dimensionnelle des panneaux de fibres de densité moyenne (MDF) par trois traitements physico-chimiques: a) l’estérification, b) l’addition de polypropylène maléaté et c) le traitement à haute température; 2) de déterminer l’effet de ces traitements sur les propriétés mécaniques, les profils de masse volumique et les propriétés de mouillage des panneaux et 3) de déterminer les modifications chimiques suite aux traitements. Des panneaux MDF ont été produits à partir de fibres estérifiées à 5 % d’anhydride maléique. Le traitement a réduit le gonflement en épaisseur et l’absorption d’eau après 2 heures d’immersion dans l’eau. Toutefois, le traitement n’a pas amélioré les propriétés physiques dans les autres conditions. L’angle de contact en retrait a augmenté et l’absorption d’eau par capillarité a diminué suite au traitement. Des panneaux MDF ont été produits avec deux types d’adhésifs (urée-formaldéhyde et mélamine-urée-formaldéhyde) et trois concentrations de polypropylène maléaté (0, 3 et 5 %). Les photomicrographies ont montré la formation d’agglomérats de polypropylène maléaté à l’intérieur des panneaux. Le traitement a réduit le gonflement en épaisseur et l’absorption d’eau après immersion dans l’eau. La dilatation et la contraction linéaire ont augmenté. Le gonflement et le retrait en épaisseur en conditions d’adsorption et de désorption ont diminué. Le traitement a aussi amélioré les propriétés mécaniques ainsi qu’augmenté les angles de contact et diminué l’absorption d’eau par capillarité. La spectroscopie infrarouge n’a pas détecté de réactions chimiques entre les fibres et le polypropylène maléaté. Des panneaux MDF ont été produits à partir de fibres non traitées et de fibres traitées à la chaleur à 150 et 180oC pendant 15, 30 et 60 minutes. Le traitement a réduit le gonflement en épaisseur et l’absorption d’eau après immersion dans l’eau. Le gonflement en épaisseur après des cycles répétés d’humidité relative a augmenté alors que les autres propriétés mesurées dans les mêmes conditions n’ont pas changé. Les angles de contact ont augmenté et l’absorption d’eau par capillarité a diminué. La spectroscopie des photoélectrons a montré une légère réduction du ratio O/C et des changements du ratio C1/C2 pour les fibres traitées.<br>The objectives of this study were 1) to improve the dimensional stability of medium density fiberboards (MDF) by three physical or chemical treatments: a) esterification, b) maleated polypropylene wax and c) heat treatment; 2) to determine the effect of these treatments on the mechanical properties, vertical density profiles and wetting properties of the panels and 3) to determine the chemical modification following treatments. MDF panels were produced from fibers esterified with 5 % maleic anhydride. The esterification treatment showed a reduction in thickness swelling and water absorption after 2 hours water soaking independently of reaction time. However, the treatment did not improve the physical properties after 24 hours water soaking or after relative humidity repeated cycles. The receding contact angle increased while wicking decreased following esterification. MDF panels were produced from two resin types (urea-formaldehyde and melamine-urea-formaldehyde) and three maleated polypropylene contents (0, 3 and 5 %). Photomicrographs showed that maleated polypropylene forms agregates within the panels. The treatment showed an important reduction of thickness swelling and water absorption after water soaking. Linear expansion and contraction increased following treatment. Thickness swelling and shrinkage in adsorption and desorption conditions decreased following treatment. The treatment improved the mechanical properties. Advancing contact angles increased for panels treated and bonded with urea-formaldehyde. Receding contact angle increased with 5 % maleated polypropylene content while wicking decreased following the treatment independently of maleated polypropylene content. Infrared spectroscopy did not detect chemical reaction between the fibers and the maleated polypropylene. MDF panels were produced from untreated fibers and heat-treated fibers at 150 and 180oC for 15, 30 and 60 minutes. Heat treatment showed a reduction on thickness swelling and water absorption after water soaking. Thickness swelling increased after relative humidity repeated cycles. Linear expansion and contraction and springback were not improved by the treatment. The treatment showed no significant effect in the mechanical properties and vertical density profile of the panels. The advancing and receding contact angles increased while wicking decreased by the treatment. X-ray photoelectron spectroscopy showed slight decreases in O/C ratio and changes in C1/C2 ratio for heat-treated fibers.

Les matériaux à électrons fortement corrélés comptent parmi les systèmes les plus intrigants en raison de la richesse de leurs propriétés remarquables découvertes au cours de ces dernières décen nies telles que la supraconductivité haute Tc, la magnétorésistance colossale ou les conducteurs organiques. Lors de cette thèse, deux types de matériaux fortement corrélés récents ont été étudiés la quadruple pérovskite EuCu3fe4O12 et les conducteurs organiques type {Au(Et-thiazdt)2]. Le premier système présente une transition métal isolant à basse température (240K) tandis que le second transite isolant de MoU - métal sous pression. Grâce à des mesures de microspectroscopie infrarouge en conditions extrêmes, nous avons pu sonder l’électrodynamique de basse énergie de ces composés. Des calculs ab-initio de structure électronique nous ont alors permis de comprendre les mécanismes à l’origine des observations et de mieux connaître le rôle des corrélations électroniques<br>Materials with strongly correlated electrons belong to the most intriguing systems in condensed matter physics due to their great variety of properties discovered during the last decades such as high temperature superconductivity, molecular conductors and colossal magnetoresistance. During this thesis, two types of strongly correlated materials have been studied: the quadruple perovskite EuCu3fe4Oi2 and the molecular conductors [Au(Et-thiazdt)2J. EuCu3Fe4Oi2 undergoes a metal to insulator transition at low temperature (240K), and [Au(Et-thiazdt)2J goes from a Mott insulator to a correlated metal state under high pressure. Infrared microspectroscopy measurements allowed us to probe the low energy electrodynamic of these systems. Ab-initio calculations were also used to understand the mechanisms of the transitions and the role of electronic correlations in the material

L’étude des transferts de chaleur et de masse lors de l’évaporation de gouttes en mouvement et en interaction est un domaine complexe à cause des nombreux phénomènes en jeu. Les principaux paramètres influençant l’évaporation ont pu être étudiés indépendamment grâce à l’utilisation de diagnostics optiques de mesure non-intrusifs sur un train de gouttes monodisperse. Une technique basée sur la fluorescence induite par laser (LIF) à deux couleurs a été développée afin d’obtenir la température moyenne de gouttes de combustible mono et multicomposant. Afin de supprimer l'effet optique parasite engendré par des résonances morphologiquement dépendantes, un absorbeur non fluorescent a été ensemencé à faible concentration. L’évolution de la vitesse et de la taille des gouttes ont été investiguées grâce à une technique par ombroscopie quantitative qui permis la mesure très précise des taux d’évaporation. Une enceinte à haute température a été conçue afin de générer des conditions ambiantes maitrisées et propices à la formation d’une forte évaporation. Ainsi, les nombres de Nusselt et Sherwood ont été déterminés expérimentalement pour plusieurs combustibles dans diverses conditions d'injection. L'étude sur différents combustibles et à différentes températures d'injection a confirmé l’influence de la volatilité du combustible sur les transferts. L’influence du nombre de Reynolds a aussi été mise en évidence. L’étude de gouttes multicomposant a permis de montrer différentes phases d’échauffement et d’évaporation lors du temps de transit de la goutte liées aux différences de volatilité des combustibles du mélange. Les effets de différentes compositions ont aussi été investigués<br>The study of heat and mass transfers during the evaporation of moving and interacting droplets remain a complex field because of the various mechanisms in action. The main parameters influencing the evaporation of droplets have been studied separately thanks to non intrusive optical diagnostics that have been used on a monodisperse droplet stream. A technique based on two colors laser induced fluorescence (LIF) was developed to measure the temperature of mono and multicomponent evaporating fuel droplets. The liquid fuel is seeded by a non-fluorescent absorber to eliminate the effect of morphological dependant resonances. The size evolution was obtained thanks to shadow imaging which allowed precise measurements of evaporation rates. A hot chamber was conceived to create controlled ambient conditions around the droplets. Thereby, the Nusselt and Sherwood numbers, characterizing the heat and mass transfers, were deduced from the experimental data for various experimental conditions. The studies allowed confirming the influence of the volatility of the fuel regarding heat and mass transfers. The results also exhibit an influence of the Reynolds number. Finally, the study of multicomponent droplets had shown different heating and evaporating phases during the droplet transit time. Effects of various compositions have also been investigated

L’utilisation des thermoplastiques renforcés de fibres de verre courtes pour la fabrication de pièces de structure dans l’industrie des transports est croissante pour des applications structurelles en environnements chauds. La conception de telles pièces nécessite le développement d’un outil de dimensionnement en fatigue à hautes températures. La prise en compte de la distribution d’orientation des fibres (DOF), dû au procédé d’injection, hétérogène est essentielle.Ces travaux de thèse, cofinancés par la Direction Générale de l’Armement et la région Poitou-Charentes, proposent une approche complétement intégrée de la simulation du procédé d’injection à la prédiction de durée de vie en fatigue, dans un cadre viscoélastique, de pièces injectées en thermoplastiques renforcés, à 110°C.Différentes étapes jalonnent la structure de l’outil numérique qualifié de « Through Process Modelling » (TPM). A partir de la connaissance de la DOF au sein d’une pièce obtenue par simulation du procédé d’injection, les propriétés effectives anisotropes locales sont estimées par homogénéisation viscoélastique. Les champs mécaniques hétérogènes, associés à différents types/niveaux de chargement et obtenus par simulation éléments finis, sont post-traités pour extraire la grandeur mécanique équivalente en entrée d’un critère de fatigue énergétique fournissant la durée de vie de la pièce pour chacune de ces conditions de chargement.L’identification des paramètres du critère de fatigue, puis la validation de l’ensemble de la méthodologie, s’appuient sur des essais de fatigue en traction uniaxiale à 110°C. Ces essais sont réalisés, en enceinte climatique, sur éprouvettes découpées dans des plaques injectées de PA66GF30 selon différentes orientations par rapport à la direction d’injection, pour 2 rapports de charge (R = 0,1 et R = -1) et à 2Hz.Les prédictions de durées de vie sont très satisfaisantes. L’influence de la qualité de prédiction de la DOF en entrée de la chaîne de calcul sur les résultats est aussi discutée<br>The employment of short glass fibres reinforced thermoplastics is increasing in the automotive industry for hot environment applications. The design of components in such conditions and with this type of materials under fatigue loading must be optimized using a fatigue life assessment methodology. The heterogeneous fibres orientation distribution (FOD), due to the injection process should be considered.This work, funded by the Direction Générale de l’Armement et Région Poitou-Charentes, suggests an integrated approach from the injection process simulation to the assessment of the fatigue life at 110°C of injected components in a viscoelastic framework.The methodology here advanced is called “Through Process Modelling” (TPM). From the FOD in the component given by the injection simulation, the anisotropic effective local properties are estimated using viscoelastic homogenisation. The heterogeneous mechanical fields obtained by finite element simulations, for different types/levels of loading, are post-processed in order to get the input equivalent mechanical quantity of an energetic fatigue criterion giving the fatigue life of the component in each of these loading conditions.The identification of the fatigue criterion parameters and the validation of the whole methodology rely on an experimental fatigue database for a PA66GF30. Uniaxial tensile fatigue tests are carried out at 110°C in a climatic chamber, for 2 stress ratios (R = 0,1 and R = -1) and at 2Hz. They are performed for specimens cut out from injected plates with different orientations with respect to the flow direction.The methodology leads to very good predictions. The influence of the prediction of the FOD, input of the calculation chain, on the results is discussed

Les barrières thermiques avec zircone EB-PVD pour les turbines aéronautiques sont soumises à des conditions extrêmes qui conduisent à l'écaillage du dépôt. La prévention de leur endommagement est donc nécessaire pour assurer l'intégrité des pièces. Afin de comprendre et de reproduire leur évolution dans une turbine, les barrières thermiques actuelles sont soumises à des essais longs de cyclage thermique. L'essai LASAT est un essai d'adhérence rapide à mettre en oeuvre qui se place en complément du cyclage thermique. L'impulsion laser appliquée sur la face nue de l'AM1 génère une onde de choc de compression qui se propage jusqu'à la surface libre de la zircone. La réflexion forme une onde de traction qui effectue le trajet inverse et peut rompre les interfaces qu'elle traverse. Le décohésion génère une tache blanche dans la zircone directement visible à l'oeil. Ce phénomène optique est élucidé en relation avec la microstructure de la zircone et la présence d'une fissure à l'interface. Pour connaitre le potentiel de l'essai, une large gamme d'échantillons avec différentes orientations du superalliage, quatre préparations de sous-couche, cinq microstructures de zircone et deux vieillissements thermiques ont été utilisés.Leur caractérisation a permis de les classer et de comparer leurs évolutions et leurs endommagements par cyclage thermique ou par LASAT. Le dimensionnement des fissures interfaciales par des méthodes non destructives a été réalisé par piézospectroscopie en exploitant les cartographies associées au signal defluorescence, par profilométrie et à partir de la tache blanche. Une approche simple et innovante exploitant et optimisant le comportement optique de la zircone est mise en place. Les tailles des fissures relevées ont mis en évidence le rôle des ondes 2D et permis la réalisation de l'essai LASAT-2D. Ici, ce n'est plus l'apparition de la fissure qui est recherchée, mais sa taille qui peut directement informer de l'adhérence à partir d'un seul choc laser. La modélisation numérique a confirmé le rôle de ces ondes 2D et leur potentield'utilisation par des abaques LASAT-2D. Ces courbes permettent de distinguer différentes préparations de barrières thermiques brutes d'élaboration ou vieillies. Un protocole complet est ainsi fourni pour le contrôle, la mesure et le suivi de la tenue mécanique de barrières thermiques sur des éprouvettes usuelles industrielles. Dans des essais complémentaires, le LASAT-2D a été appliqué en "face avant", avec le choc coté zircone, sur des éprouvettes et des pièces industrielles. Les mêmes tendances que pour le LASAT-2D développé dans cette thèse sont observées. Ceci autorise la perspective de l'application de cet essai et de cette méthodologie sur des formes complexes et fermées, telles les aubes de turbine.