Rozprawy doktorskie na temat „Aluminium Granulaire”

Les circuits supraconducteurs font partie d'un groupe croissant de plates-formes matérielles qui ont démontré avec succès le traitement quantique de l'information, de la correction quantique des erreurs à l'amplification limitée quantiquement. Le développement de circuits quantiques pour le traitement de l'information nécessite la mise en œuvre de résonateurs micro-ondes à très faibles pertes et de petites dimensions. Une ressource importante pour la miniaturisation des résonateurs est l'inductance cinétique des supraconducteurs, Lk , qui peut dépasser l'inductance magnétique (« géométrique ») Lg de plusieurs ordres de grandeur dans les films supraconducteurs étroits et minces. En raison de sa densité de courant critique élevée par rapport aux jonctions Josephson à base d'aluminium, de sa résistance aux champs magnétiques externes et de sa faible dissipation, de sa cohérence élevée dans le domaine des micro-ondes et de sa non-linéarité intrinsèque, l'aluminium granulaire ou GrAl, constitué de nano-grains d'aluminium dans une matrice d'AlOₓ, est un choix intéressant pour les systèmes hybrides supraconducteurs fonctionnant aux radiofréquences. Dans cette thèse, nous explorons la possibilité d'utiliser le GrAl pour obtenir une inductance cinétique élevée avec les plus faibles pertes micro-ondes possibles. Bien que le GrAl ait été utilisé avec succès dans des bits quantiques tel le fluxonium, la réalisation de processeurs quantiques supraconducteurs nécessite une amélioration de leur cohérence de plusieurs ordres de grandeur. Cette tâche est compliquée par le fait que plusieurs types d'imperfections, à la fois microscopiques et macroscopiques, sont présents simultanément, en fonction de la conception du système, de la technologie de microfabrication et des matériaux. Nous montrons que la grande sensibilité des propriétés des couches minces de GrAl à la teneur en oxygène pendant le dépôt entraîne d'importants problèmes de reproductibilité et d'homogénéité, et nous apportons plusieurs solutions pour contourner ces difficultés inhérentes. Dans un second temps, nous caractérisons les propriétés supraconductrices de résonateurs en couches minces de GrAl (30nm) et étudions le meilleur compromis entre une inductance cinétique élevée et un matériau sans perte. En particulier, nous présentons des échantillons de résonateurs avec des inductances cinétiques allant jusqu'à 4,5 nH par carré avec des facteurs de qualité interne à faible nombre de photons de l'ordre de 10⁵. Nous étudions également les sources de bruit micro-ondes dans GrAl par le biais d'analyses spectrales du bruit
Superconducting circuits are part of a growing group of hardware platforms which successfully demonstrated quantum information processing, from quantum error correction to quantum limited amplification. The development of quantum circuits for information processing requires the implementation of ultra low-loss microwave resonators with small dimensions. An important resource for resonator miniaturization is the kinetic inductance of superconductors, Lk , which can exceed the magnetic (“geometrical”) inductance Lg by several orders of magnitude in narrow and thin superconducting films. Due to its large critical current density compared to aluminium based Josephson junctions, its resilience to external magnetic fields, and its low dissipation, its high coherence in the microwave domain and its intrinsic non-linearity, granular aluminum (or GrAl), self-assembled nano-grains of aluminium in a matrix of AlOₓ is an attractive choice for superconducting hybrid systems operating at radio-frequencies. In this PhD, we explore the possibility of using GrAl for obtaining superinductances with low microwave losses. Although GrAl has been successfully employed e.g. in fluxonium quantum bits, the realization of superconducting quantum processors still requires orders of magnitude improvements in coherence. This task is complicated by the fact that several types of imperfections, both microscopic and macroscopic, are concomitantly present, depending on system design, micro-fabrication technology, and materials. We show that the great sensitivity of GrAl thin film properties to oxygen content during deposition leads to important reproducibility and homogeneity issues, and we bring several solutions to circumvent these inherent difficulties. In a second time, we characterize the superconducting properties of GrAl thin films (30nm) resonators and investigate the best trade-off between having high kinetic inductance and a lossless material. In particular, we present resonator samples with kinetic inductances up to 4.5 nH per square with low photon number internal quality factors of the order of 10⁵. We also investigate the microwave sources of noise in GrAl through resonator frequency noise spectral analyses

Etude dans des milieux inhomogenes: couches minces d'or granulaires et cermets au-al::(2)o::(3) dans un regime isolant ou conducteur. Analyse des relations entre la morphologie, la conductivite en courant continu, la magnetoresistance, les proprietes optiques. Etude a l'aide de la theorie de champ moyen de bruggeman, de la fonction dielectrique optique. Mise en evidence a la percolation d'un cross-over de la concentration critique en fonction de l'epaisseur et d'un comportement critique caracteristique de l'absorption optique. Explication theorique par une correlation entre l'inverse du temps de relaxation des electrons de conduction et la tortuosite de la morphologie fractale

Thèse (D.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2006.
La p. de t. porte en outre: Thèse présentée à l'Université du Québec à Chicoutimi pour l'obtention du doctorat en ingénierie. CaQCU Bibliogr.: f. 130-147. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

L'empilement maîtrisé de granules de différentes tailles est un concept utilisé dans la plupart de procédés de mise en forme de matériau. Cette organisation hiérarchique est connue pour améliorer les propriétés d'écoulement à l'étape de mise en forme et les caractéristiques mécaniques du matériau final. Il est apparu intéressant d'appliquer ce concept à la mise en forme par extrusion de supports de catalyseurs avec des petites (2 µm) et grosses (19 µm) granules d'alumine poreuse dont l'assemblage est assurée par un liant traditionnel, la boehmite peptisée et neutralisée, ou par un liant plus original, le phosphate d'aluminium. L'étude vise ainsi à évaluer l'effet du liant et de la microstructure multi-échelles apportée par l'organisation hiérarchique des granules, sur les propriétés texturales et mécaniques des supports. Le contrôle des conditions de mise en forme et l'optimisation de la formulation des deux liants ont permis d'obtenir des extrudés à microstructure comparable entre la boehmite et le phosphate d'aluminium et variable en fonction de la proportion de petites. Cette population remplit les espaces entre les grosses granules de manière optimale entre 40 et 60% pds et les desserre aux plus fortes teneurs. La rétraction du liant au cours des traitements thermiques génère un volume de macropores qui est minimisé lorsque les petites granules comblent les espaces formés par les grosses. La macroporosité minimale conduit à de meilleures résistances à la rupture (par tests d'écrasement de type brésilien) et les matériaux les plus résistants sont ceux mis en forme avec le phosphate d'aluminium. Ce résultat est expliqué par la nature très cohésive de ce liant formée in situ par réaction de l'acide phosphorique avec la boehmite et la périphérie des granules d'alumine. Dans ce cas, la rupture a lieu au sein des granules différemment des supports mis en forme avec la boehmite peptisée à l'acide nitrique qui présentent une rupture à l'interface granule-liant. Les matériaux à microstructure multi-échelles présentent également une meilleure ténacité déterminée par des essais de flexion trois points. Le phosphate d'aluminium étant un liant non-poreux conduit à des supports avec une mésoporosité plus faible. Les nouveaux supports à microstructure multi-échelles semblent prometteurs pour des nombreuses applications catalytiques sensibles aux propriétés diffusionnelles et mécaniques
The controlled packing of different sized-granules is a concept widely used in most of the shaping material processes. This hierarchical organization is known to improve the flow properties during shaping and the mechanical characteristics of the finished material. It seemed interesting to apply this concept in order to prepare catalyst supports by extrusion containing small (2 µm) and large (19 µm) porous alumina granules assembled by a traditional binder, the peptized and neutralized boehmite, or by a more original, an aluminum phosphate binder. This study aims to investigate the effect of binder type and of the multiscale microstructure achieved by the packing of different granules size on textural and mechanical support properties. The control of kneading and extrusion conditions associated with the optimized binder formulation, conducted to similar microstructures with both binders according to the amount of each granular population. Small granules fills better the residual spaces between the larges between 40 and 60 wt.% and loosens them with strongest contents. Binder shrinkage during heat treatment generates a macroporosity which is minimized when small granules fills the voids formed by the larger ones. Minimal macroporosity leads to better crushing resistance (by Brazilian test) and the most resistant materials are the ones shaped with the aluminum phosphate. This result is explained by the high cohesive capacity of this binder obtained in situ by reaction of the phosphoric acid with the boehmite and the border of the alumina granules. In this case, the breakage takes place inside the granules differently from the supports shaped with the peptized boehmite by nitric acid which present a breakage at the granule-binder interface. Also, the multiscale microstructure materials present a better tenacity determined by three point bending. Aluminum phosphate being a non-porous binder, leads to supports with a weaker mesoporosity. The new multiscale microstructure supports seem interesting for several catalytic applications that are sensitive to diffusivity and mechanical properties

Le travail réalisé porte sur l'analyse des mécanismes microscopiques de la rupture inter granulaire des alliages Al. Li. Cu. Mg. (Zr). Par une méthodologie expérimentale originale, nous avons montré que la rupture dans ces alliages est liée à leur mode de déformation plastique particulier. En effet, on observe qu'une seule famille de plans. De glissement est principalement activée, en raison d'une texture cristallographique marquée, et du cisaillement des précipités Al Li. Il s'en suit des incompatibilités de déformation entre les grains qui entraînent une localisation de la déformation près des joints de grains et l'apparition d'un glissement sinueux très grossier. Les ruptures inter granulaires sont dues principalement à l'effet de l'interaction avec les joints de grains, des glissements rectilignes et sinueux. D'autre part la précipitation inter granulaire de la phase quasi-crystalline T et de la présence d'une zone dénudée en précipités Al Li, favorisent l'amorçage inter granulaire des fissures en raison des incompatibilités de déformation plastique entre la phase T2 et la matrice. Dans la dernière partie, nous développons un modèle d'amorçage pour les fissures inter granulaires à partir d'un empilement de dislocations contre les joints de grains. Ce modèle appliqué au cas des états revenus conduit à une vision assez claire de la rupture inter granulaire dans les alliages Al. Li. Cu. Mg. (Zr)
This work is concerned with the microscopic mechanisms of inter granular fracture in an Al. Li. Cu. Mg. (Zr) alloy. By means of an original approach, it has been shown that the fracture of this alloy is due to his specific plastic deformation mode. Indeed, only a one single slip system is mainly activated due to a very pronounced crystallographic texture and the shearing of Al Li precipitates. Therefore incompatible deformation occurs between contiguous grains. It induces a localisation of the plastic deformation near the grain boundaries and the initiation of a very coarsened and sinuous slip. Inter granular granular cracks are mainly due to the interaction of slips with grain boundaries. The crack initiation is also enhanced because of the plastically interaction stress field induced by incompatibility problems between: the T2 phase and the precipitate free zone. In the last part of this work an inter granular crack initiation model is proposed from the formation of dislocations pile ups against the grain boundaries. This model leads to à clear understanding of the inter granular fracture in the againg Al. Li. Cu. Mg. (Zr) alloys

La ségrégation est une expression générale qui décrit un rassemblement d'atomes autour des défauts d'un matériau. La sonde atomique tomographique a été utilisée pour analyser à une échelle nanométrique la répartition des atomes près de défauts linéaires et plans. Le bore est ajouté en quantité infinitésimale dans l'alliage Fe-40Al (structure ordonnée B2) pour augmenter sa résistance mécanique à température ambiante. La répartition spatiale des atomes de bore dans les grains de l'alliage Fe-40Al montre que ces atomes ségrégent sur les parois d'antiphase et les fautes d'empilements. L'image d'une atmosphère de Cottrell a été visualisée pour la première fois à une échelle nanométrique. L'enrichissement en bore au cœur de la dislocation s'accompagne d'un appauvrissement en aluminium. Le bore se substituerait aux atomes d'aluminium. Cette ségrégation de bore sur les défauts de l'alliage Fe-40Al semble responsable de la stabilisation d'une nouvelle microstructure. L'utilisation conjointe de la microscopie électronique en transmission et de la sonde atomique a permis d'étudier sur plusieurs joints de grains, la relation entre leur chimie et leur structure. Un superalliage à base de nickel N18 dopé au bore constitue le support expérimental de cette étude. Le bore, le molybdène et le chrome ségrégent aux joints. Mais ces analyses démontrent que les joints dits généraux sont les plus riches en bore. Quand cet enrichissement en bore atteint et dépasse 5 atomes par nanomètre carré, une zone désordonnée de deux nanomètres d'épaisseur sépare toujours les précipités ordonnés et le plan du joint. Dans le plan d'un joint de grains, des atomes ségrégés forment des cellules parallélépipédiques. Cette répartition semble provenir de la position légèrement désorientée par rapport à une position de coïncidence, de ce joint.

Dans un contexte accru d’économie circulaire et de valorisation des matières premières recyclées, les mâchefers d’incinération de déchets non dangereux (MIDND) constituent des déchets granulaires minéraux identifiés comme ressources renouvelables potentiellement valorisables dans la filière construction, notamment dans le domaine des matériaux cimentaires (type mortier/béton). Compte tenu de l'origine et de la nature des granulats de mâchefers, dans une finalité de concourir à une meilleure compatibilité mâchefer/ciment, il apparait essentiel en premier lieu de considérer des fractions minérales de mâchefers au mieux épurées par l’optimisation de l’enlèvement des métaux ferreux, non-ferreux et indésirables. En second temps, tenant compte des spécificités physico-chimiques résultantes des mâchefers, le choix de la base cimentaire constitue le second facteur prépondérant en sus de la nécessité de meilleure qualité de la fraction minérale de mâchefer. Le présent travail doctoral traite spécifiquement de l’apport de l’utilisation d’un ciment sulfo-alumineux dans le contexte de valorisation des mâchefers en matrice cimentaire. Des sables de mâchefers améliorés de fraction 0/2 mm ont été élaborés et utilisés pour l’étude. Dans une première partie, les résultats de formulation de mortiers cimentaires (ciment Portland, noté OPC / ciment sulfo-alumineux, noté CSA) à base de mâchefers en substitution volumique partielle du sable naturel (25, 50 et 75 %) et totale (100 %), mettent en évidence l’apport bénéfique du ciment CSA sur les résistances en compression par comparaison aux mortiers OPC. Une analyse expérimentale du réseau poreux des mortiers à 90 jours révèle que la frange de porosité supérieure à 50 nm est nettement plus faible pour les mortiers CSA. La thèse met en évidence un résultat majeur et pionnier : en interaction mâchefer, le niveau de basicité du milieu réactionnel joue un rôle prépondérant sur le potentiel de dégagement gazeux (hydrogène) après la mise en œuvre et avant la prise. Ce gaz impacte le niveau de porosité de la frange la plus grossière des mortiers durcis. La seconde partie concerne l’étude physique et microstructurale des mortiers soumis à l’attaque à l’eau pure ou à attaque sulfatique pour des substitutions volumiques de 50 et 100 %, avec les témoins pour référentiels. Les observations MEB sur les différentes matrices mettent en évidence une nette moindre sensibilité des mortiers mâchefer/CSA que des mortiers mâchefer/OPC, traduit par des porosités, fissurations et épaisseurs dégradées moindres
In a world where circular economy and the valorization of raw materials is taking a greater importance, municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash is identified as potentially renewable resource in the construction field and more specifically in cementitious materials like mortar and concrete. Given the origin of the bottom ash and in order to have a better cement/MSWI bottom ash compatibility, the fraction used was as refined as possible by removing ferrous, non-ferrous and unwanted materials. The choice of the cement used is a critical factor as well because it affects the quality of the end product since MSWI bottom ash has particular physicochemical properties. The work in this PhD studies the advantages of using a sulfo-aluminate cement to valorize an improved 0/2 mm fraction of bottom ash that has been developed to be used in cementitious matrices. The first part presents the results of the mortar sample mixes containing bottom ash in a substitution by volume of the standard sand. To better highlight the effect of using a sulfo-aluminate (CSA), CSA mortars containing bottom ash were compared to a Portland cement (OPC) mortars, with substitution rates of 25 %, 50 %, 75 % and 100 % were used. A study of the porosity was then conducted at 90 days ; it shows that the pores larger to 50 nm are remarkably less present for CSA mortars. This thesis brings forward a major and innovative result : the level of alkalinity of the mortar plays an important role in the release of hydrogen gas after mixing and before setting. The presence of these gases creates large porosity in the hardened mortar samples. The second part studies the physical and microstructural aspects of the mortars after being immersed in aggressive environments : pure water and sulfate solution. The substitution rates used in this experiment were 50 % and 100 % by volume as well as the reference mortars with no bottom ash. These samples were then studied in the SEM which showed that CSA/bottom ash mortars were clearly less affected than the OPC/bottom ash mortars. This was highlighted by the porosity, the cracking and the depth of degraded zone

Dans cette etude nous nous sommes interesses aux relations entre les proprietes intrinseques d'une poudre comme sa granularite et sa compacite et son comportement rheologique en suspension dans l'eau. Le poudre etudiee est un ciment presentant une courbe granulometrique tres etalee (0 - 100m). Nous avons realise une etude systemique. Elle consiste a fractionner le ciment en plusieurs populations (quatre). Ces fractions ont ete melangees afin d'obtenir des populations presentant des courbes granulometriques tres variees. Nous avons caracterise ces poudres : etude granulaire, compacite, et etudie le comportement rheologique de ces poudres en suspension. Les tests d'ecoulement ont ete realises a l'aide d'un rheometre a contrainte impose. Les correlations observees entre la rheologie et la granularite peuvent s'expliquer par la combinaison de deux phenomenes mis en evidence par le melange : le phenomene de surface et d'agglomeration des particules fines et le phenomene de sedimentation des grosses particules. Nous observons un ecoulement maximum entre deux diametres, dans cette zone, nous montrons que le comportement rheologique est fonction de l'etalement granulaire et de la compacite de la poudre autrement dit de l'arrangement des grains.

Ce travail s'inscrit dans un programme de modélisation de la solidification et de la macroségrégation incluant le transport des cristaux équiaxes. Dans la première partie de l'étude, nous avons montré que les phénomènes physiques élémentaires à l'origine de la macroségrégation de lingotins Al-Cu de solidification dirigée ascendante ou descendante incluent le mouvement du liquide interdendritique lié à la convection naturelle ainsi que le mouvement des cristaux equiaxes. Dans la seconde partie, nous avons mis en place une expérience de sédimentation/croissance de cristaux equiaxes dans un alliage NH4Cl-H2O en surfusion. Nous avons donné la vitesse de croissance moyenne du cristal en fonction de sa vitesse de chute moyenne et l'évolution de sa vitesse de chute fonction de sa taille. Une modélisation de ces resultats expérimentaux doit prendre en compte l'effet de la convection liée à la sédimentation des cristaux equiaxes sur la croissance.

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O processo de lixamento é indispensável para situações onde os processos anteriores de fabricação não foram capazes de garantir as dimensões finais da peça produzida ou quando a qualidade superficial desejada não foi atingida. Este processo é muito usado em indústrias de painéis e de móveis, no entanto, quase sempre é empregado de forma empírica, sem o conhecimento adequado. No presente trabalho analisou-se a influência da granulometria, do desgaste abrasivo e do material abrasivo no lixamento plano da Corymbia citriodora e do Pinus elliottii. O objetivo do trabalho foi estudar e compreender a correlação entre os fatores de entrada (granulometria da lixa, desgaste do abrasivo, tipo do abrasivo) sobre as variáveis de saída (potência de lixamento, emissão acústica, vibração, rugosidade e integridade superficial) no processo de lixamento. O sistema desenvolvido e utilizado foi composto por uma lixadeira plana, um sistema de aquisição de dados e um sistema eletromecânico de ensaios com acionamento pneumático. Para a análise da influência da granulometria, do desgaste e do tipo do abrasivo foram utilizadas três granulometrias (80, 100 e 120 mesh), três tipos de grão abrasivos (óxido de alumínio, carbeto de silício e óxido de zircônio), três níveis de desgaste do grão abrasivo (sem desgaste, desgaste intermediário, desgaste severo) e duas espécies de madeira sendo realizadas seis repetições para cada configuração de ensaio, totalizando 324 ensaios. Os resultados foram analisados estatisticamente através de análise de variância (ANOVA) com nível de significância de 5%, acompanhado do teste de Tukey, que compara as variações aos pares. O sistema eletromecânico de ensaios de lixamento projetado mostrou-se bastante eficiente na aquisição dos dados. O desgaste do grão abrasivo influenciou significativamente ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)
The sanding process is indispensable for situations where the manufacturing processes were not sufficient to ensure the final dimensions or when the desired surface quality was not achieved. This process is frequently used in panels and furniture industries, however, is almost always used empirically, without the proper knowledge. In the present study we analyzed the influence of particle size, abrasive wear and the abrasive type on Corymbia citriodora and Pinus elliottii sanding. The objective was to study and understand the correlation between the input factors (particle size, abrasive wear, abrasive type) on the output variables (power sanding, acoustic emission, vibration, roughness and surface integrity) in sanding process. The system developed and used consists of a flat sander, a data acquisition system and an electromechanical testing system with pneumatic actuation. It was used three particle sizes (80, 100 and 120 mesh), three types of grain abrasives (aluminum oxide, silicon carbide and zirconium oxide), three levels of abrasive wear (no wear, intermediate wear, severe wear) and two species of wood for the analysis, it was made six replications for each test configuration, totaling 324. The results were statistically analyzed using variance analysis (ANOVA) with a significance level of 5%, followed by the Tukey test, which compares the variations in pairs. The electromechanical testing system designed sanding proved to be very efficient in data acquisition. The abrasive wear influenced significantly roughness in both species and all abrasive grains types. The variables that wear influenced less were acoustic emission and vibration. The best values of roughness were obtained for aluminum oxide grains and the worst for silicon carbide grains. The SEM images and topography were important to understand the interaction of the abrasive grain with wood surface

Afin d’optimiser le procédé de production de culasses automobiles en aluminium et d’améliorer sa fiabilité, une meilleure connaissance du comportement des noyaux de fonderie est nécessaire. Les noyaux sont des matériaux composés de grains de sable liés par une résine en faible proportion, et servent à mouler les conduits et cavités intérieurs des pièces métalliques. Au cours de leur cycle de vie, les noyaux sont amenés à subir de fortes températures et des sollicitations mécaniques complexes. L’objectif de cette étude est de caractériser le comportement thermomécanique des noyaux sous diverses sollicitations selon le taux de liant, la température et surtout l’état de dégradation de ce liant. En particulier, les travaux de cette thèse s’attardent sur les mécanismes d’endommagement et de fissuration des noyaux, dont la compréhension est la clé pour optimiser l’étape de débourrage qui consiste en la fracturation et l’élimination des noyaux. Les résultats de cette thèse serviront par ailleurs à nourrir un modèle numérique simulant le débourrage des pièces. Différents modes de chargements mécaniques ont été étudiés : flexion, compression, cisaillement, push-out, fatigue, fluage ou encore compression œdométrique. Ils correspondent à différents types de sollicitations, avec ou sans confinement du noyau, et permettent de caractériser soit le cœur ou la surface du matériau. L’endommagement peut être suivi grâce à la réalisation de cycles de décharge-recharge. Dans tous les cas, le comportement mécanique du noyau est fortement dépendant des propriétés et de l’état du liant. Ainsi, la dégradation thermique induite par la coulée de l’aluminium liquide modifie et dégrade nettement les propriétés du noyau. Des parallèles peuvent ainsi être dressés entre les propriétés du liant, le comportement mécanique du matériau sable/résine et l’endommagement microstructural observé après rupture
Better knowledge about the mechanical behavior of foundry sand cores is required in order to optimize the aluminum cylinder head production process. Sand cores allow the casting of complex shape metallic parts and are made of sand grains, bound with a resin in low proportion. Sand cores are subjected to high temperatures and complex mechanical load during the production process. This study aims at characterizing the thermomechanical behavior of sand cores under various loads depending on the binder proportion, the temperature and mostly the binder thermal degradation. Particularly, we focus on the cores damage and fracture mechanisms. The understanding of such phenomena could lead to an optimization of the decoring step, consisting in the fracture and removing of the core from the metallic part. Indeed, the results of this Ph.D. thesis will be used to implement a numerical model of the decoring process. Different kinds of mechanical loads have been studied: bending, compression, shear, push-out, fatigue, creep or also oedometric tests. They correspond to different kinds of load, with or without confining pressure and allow a characterization of the bulk or the surface of the material. The core damage is followed by mechanical tests with unload-reload cycles sequences. For all the cases, the core mechanical behavior is highly dependent on the binder properties and thermal degradation. For example, the thermal degradation induced by the aluminum casting modifies and degrades significantly the core properties. Analogies could be drawn between the binder properties, bonded-sand cores mechanical behavior and the evolution of the fracture surfaces

La manutention et la mise en œuvre des matériaux granulaires libèrent de fines particules de poussière qui, dans un contexte professionnel, peuvent gravement affecter la santé et la sécurité des travailleurs, ainsi que le fonctionnement global de l'installation. L’émission de poussières et la capacité d'un matériau à libérer des particules de poussière, dépendent de plusieurs paramètres relatifs au matériau mais aussi au procédé. Ces émissions sont généralement mesurées par des tests d'empoussièrement à l'échelle du laboratoire. Ces tests reposent principalement sur des études expérimentales et manquent de capacité prédictive fiable en raison d'une compréhension limitée des mécanismes mis en jeu et des interactions complexes entre particules, paroi et fluide, survenant simultanément pendant la génération de poussières. Dans le cadre du projet EU ITN T-MAPPP, cette thèse utilise des approches expérimentales et statistiques pour comprendre les mécanismes de génération de poussières en étudiant: a) les effets des caractéristiques des particules et poudres en vrac sur l’émission de poussières; b) la nature et l'ampleur des interactions entre particules, entre particules et parois, et entre particules et fluides; c) l'évolution de l'empoussièrement et des mécanismes de génération pour des applications de poudre de longue durée. Les résultats indiquent que les mécanismes de génération de poussière diffèrent en fonction de la taille des particules et de la distribution de taille de la poudre. Pour les échantillons d'essai et les conditions expérimentales donnés, les différences dans les modèles initiaux de libération de poussière peuvent être caractérisées par trois groupes différents de poudres : - des poudres contenant des particules cohésives fines, - des poudres bimodales (constituées de fines et de grosses particules), - et enfin des poudres constituées de grosses particules. Tandis que la cohésion globale, surtout celle due aux forces de van der Waals (mesurée à l'aide de testeurs de cisaillement) détermine le niveau de poussières pour les poudres fines, de telle sorte qu'une cohésion globale plus élevée conduit à moins de poussière, la fraction de particules fines et la cohésion déterminent toutes deux l'empoussièrement provenant des poudres bi-modales. Les grosses particules peuvent émettre de la poussière uniquement par usure des particules primaires en particules fines aérosolisables plus petites. L'analyse d'un mouvement de particules tracées à l'intérieur d'un tube cylindrique agité par un testeur d'empoussiérage à vortex montre une nature cyclique du mouvement des particules. Le mouvement des particules (position et vitesse) est symétrique et isotrope dans le plan horizontal, les vitesses radiales les plus basses et les plus élevées étant proches du centre du tube et de la paroi, respectivement. Les particules ont tendance à s'élever lentement au milieu du tube tout en descendant rapidement près de la paroi. Les valeurs les plus élevées de la vitesse se trouvent aux hauteurs les plus élevées et près de la paroi interne du tube à essai, où les densités de population sont les plus faibles. Les valeurs plus élevées de la vitesse pourraient provenir d’une diminution du nombre de chocs due à des densités de population plus faibles. L'augmentation de la taille des particules et des vitesses de rotation des tourbillons tend à augmenter la vitesse des particules tandis que l'augmentation de la masse de poudre conduit à une diminution de la vitesse des particules pour des vitesses de rotation allant jusqu'à 1500 tr / min. Pour les échantillons donnés (carbure de silicium, alumine et coke d'acétylène) et les conditions expérimentales, l'empoussièrement initial est déterminé par la fraction de fines particules respirables présentes dans la poudre, mais les modèles et les niveaux de génération de poussière à long terme sont influencés par le comportement d’attrition matérielle
Handling and processing of granular material release fine solid dust particles, which in an occupational setting, can severely affect worker health & safety and the overall plant operation. Dustiness or the ability of a material to release dust particles depends on several material and process parameters and is usually measured by lab-scale dustiness testers. Dustiness tests remain mostly experimental studies and lack reliable predictive ability due to limited understanding of the dust generation mechanisms and the complex interactions between the particles, wall and fluid, occurring simultaneously during dust generation. In the framework of EU ITN project T-MAPPP, this thesis uses an experimental approach to understand the dust generation mechanisms by studying: a) the effects of key bulk and particle properties on powder dustiness; b) the nature and magnitude of inter-particle, particle-wall and particle-fluid interactions; c) the evolution of dustiness and generation mechanisms for long duration powder applications. The results indicate that the dust generation mechanisms differ based on particle size and size distribution of the powder. For the given test samples and experimental conditions, the differences in powder dustiness and dust emission patterns can be characterized by three different groups of powders; powders containing fine cohesive particles, bi-modal (consisting of fine and large particles) powders and lastly, powders consisting of only large particles. While bulk cohesion, especially that stemming from van der Waals forces (measured using shear testers) determines the level of dustiness for the fine powders (in such a way that higher bulk cohesion leads to lower dustiness), both the fraction of fine particles and cohesion determine the dustiness of bi-modal powders. The large particles can emit dust only through attrition of the primary particles into smaller aerosolizable fine particles. Analysis of a traced particle motion inside a cylindrical tube agitated by a vortex shaker dustiness tester shows the cyclic nature of the particle motion. The motion (position and velocity) is symmetric and isotropic in the horizontal plane with lowest radial velocities close to the tube centre and highest at the boundary wall of the test tube. The particles tend to rise up slowly in the middle of the tube while descending rapidly close to the wall. The highest values of the velocity are found at the highest heights and close to the wall of the test tube, where the population densities are lowest. Increasing particle size and vortex rotation speeds tends to increase particle velocity whereas increase in powder mass leads to a decrease in particle velocity for rotation speeds up to 1500 rpm. For the given samples (silicon carbide, alumina and acetylene coke) and the experimental conditions, the initial dustiness is determined by the fraction of fine respirable particles present in the powder but the long-term dust generation patterns and levels are influenced by the material attrition behaviour. Dust is generated by the fragmentation and/or abrasion of primary particles, which may lead to the production and emission of fine daughter particles as dust. The samples with large irregularly shaped particles are likely to show high dustiness by shedding angular corners through inter-particle and particle-wall collisions, thus becoming more spherical in shape. On the contrary, the smaller particles are more resistant to abrasion and generate relatively less dust. While the vortex shaker dustiness tests show similar trends as an attrition tester, our study using alumina and acetylene coke indicate that the results are not interchangeable. Results from this thesis help understand the influence of powder and process parameters which may be manipulated to reduce dust generation. Furthermore, experimental results can be used to develop and validate numerical models to predict dustiness

In this thesis we study a novel soft-matter system that imitates motility. Our system consists of a few asymmetrically tapered brass rods and aluminium beads which are confined between two vertically shaking plates. The rods are motile due to interplay of their the fore-aft asymmetric shape, vibrational energy input, and the mechanics of contact with the bounding surfaces. Experiments done by our col- laborators revealed that the system undergoes a phase transition from a disordered state to an ordered coherently moving flock above a critical bead concentration. We have used time-driven numerical simulations and analytical theory to understand the physics underlying the phenomenon.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
Circuitos supercondutores quânticos oferecem um leque abrangente de aplicações em campos como a computação quântica, com qubits supercondutores, detecção de radiação na forma de detectores de indutância cinética (KIDs). Estes circuitos são compostos por filmes finos de materiais supercondutores, como Alúminio, depositados sobre um substrato dieléctrico, como silício ou safira, e funcionam a temperaturas criogénicas de algumas dezenas de mili-Kelvins. A eficiência destes circuitos pode ser prejudicada pela presença de excitações do estado supercondutor fundamental a que damos o nome de quase-partículas, que criam um canal para dissipação e introduzem ruído no sistema. Neste texto propomos que a propagação de fonões no substrato pode actuar como mediador para a criação destas partículas. Introduzimos também uma estratégia para suprimir este fenómeno implementando traps de fonões, com o objectivo de suprimir a propagação de fonões no substrato. Testamos os efeitos de armadilhas de fonões feitas a partir de Alumínio em ressonadores de Alumínio granulado. E medimos um aumento no factor de qualidade interno de até três vezes, no regime em que apenas um fotão circula os ressonadores. Observamos também a supressão parcial do ruído 1/f e da taxa e energia de eventos estocásticos. Indicando que a criação de quase-partículas é de facto mediada pela propagação de fonões, e que a implementação de armadilhas de fonões pode de facto melhorar o desempenho de circuitos supercondutores quânticos.
Superconducting quantum circuits are an active field of research with various applications such as in fault tolerant quantum computation, with superconducting quantum bits showing good performance, and radiation detection, in the form of kinetic inductance detectors (KIDs). These circuits are made of thin films of superconducting materials, such as Aluminum, deposited over a dielectric substrate, such as Silicon or Sapphire, operating at cryogenic temperatures of a few tens of mili-Kelvin. Their efficiency can be degraded by the presence of excitations of the superconducting ground state called quasi-particles which behave mostly like electrons. They add a channel for dissipation and introduce noise to the system. In this text we propose, that phonon propagation in the substrate can act as a mediator for the creation of these quasi-particles, and introduce a strategy to suppress this phenomena by implementing phonon traps. We tested the effects of Aluminum phonon traps in granular Aluminum resonators and measured an increase of internal quality factor in the single photon regime of up to a factor of three. We also observed a partial suppression of 1/f noise and of rate and maximum energy of stochastic bursts, indicating that quasi-particle creation is in fact partially mediated by phonon propagation in the substrate, as hypothesized, and that the implementation of phonon traps is an efficient, easy to implement way of improving the performance of superconducting quantum circuits.