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Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été réalisés au sein du Laboratoire

Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été réalisés au sein du Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (LAPLACE) de Toulouse sous la direction de Monsieur Vincent BLEY, Maître de conférences à l’université Toulouse III, et Monsieur David MALEC, Professeur à l’université Toulouse III. Je leur exprime en premier lieu toute ma gratitude pour leur encadrement durant toute la durée de ma thèse. Leurs précieux conseils et leurs encouragements ont permis de mener ce travail à son terme. J’adresse mes profonds remerciements à Monsieur Petru NOTINGHER, Professeur à l’université Montpellier II, ainsi qu’à Monsieur Dominique TOURNIER, Maitre de conférences à l’INSA Lyon, pour avoir évalué mon travail de thèse et pour avoir accepté d’en être les rapporteurs. Je tiens à souligner leur grande disponibilité pour rédiger les rapports permettant ainsi de respecter les délais administratifs. Je remercie Monsieur Claude ESTOURNES, Directeur de recherche au CNRS (CIRIMAT), qui m’a fait l’honneur et le plaisir de présider le jury de soutenance. J’ai été particulièrement sensible et honoré par la présence dans mon jury de thèse de Monsieur Renaud METZ, Maître de conférences à l’université de Montpellier II, de Monsieur Jonathan MOREL, Docteur Ingénieur chez TRIDELTA PARAFOUDRES S.A., et de Monsieur Houmam MOUSSA, Docteur Ingénieur chez Labinal Power Systems du groupe SAFRAN. Pour les nombreuses discussions, très fructueuses lors des réunions qui ont permis d’orienter cette étude, je remercie le consortium des industriels partenaires du projet PREFACE. J’exprime toute ma reconnaissance à Monsieur Michel DUNAND et Monsieur Mounir ABDI dont les connaissances sur les problématiques foudre dans un environnement aéronautique m’ont fait découvrir un univers inconnu mais passionnant. Côté partenaires du projet, je tiens à remercier Claude ESTOURNES, Sophie GUILLEMET-FRITSCH, Yannick BEYNET du laboratoire CIRIMAT pour leur agréable collaboration. Un double remerciement à Yannick, qui arrivé en cours de projet, a pris la relève de Fabien BOUREL dans un contexte délicat, sans lequel je n’aurais pu mener à bien cette thèse. Toujours dans les partenaires du projet, j’exprime toute ma reconnaissance à Jonathan MOREL, Frédéric MALPIECE de chez TRIDELTA PARAFOUDRES S.A. pour leur accompagnement ainsi que pour les essais de vieillissement. Au passage, j’en profite pour souhaiter une bonne continuation à Antoine IZOULET. Remerciements Remerciements Je remercie Monsieur Christian LAURENT, directeur du LAPLACE, de m’avoir accueilli dans son laboratoire. J’adresse ma profonde reconnaissance à tout le personnel du LAPLACE de manière générale pour la formidable ambiance de travail dont j’ai pu profiter. Je tiens à mentionner le plaisir que j’ai eu à travailler au sein du groupe « Matériaux Diélectriques dans la conversion de l’Energie » (MDCE) et à remercier tous les membres permanents du groupe (Jean-Pascal CAMBRONNE, Thierry LEBEY, Zarel VALDEZ NAVA, Sombel DIAHAM, Lionel LAUDEBAT, Marie-Laure LOCATELLI, Philippe CASTELAN, Nadine LAHOUD, Céline COMBETTES, Sorin DINCULESCU) pour le temps qu’ils m’ont consacré au cours de ces années ainsi que leurs conseils qui ont contribué à l’aboutissement de cette thèse. Je tiens également à remercier à nouveau Monsieur Jean-Pascal CAMBRONNE, responsable du groupe MDCE, mais également responsable de la formation de Master 2 recherche, pour m’avoir donné la chance d’effectuer un Master 2 recherche dont l’orientation « matériaux pour l’électrotechnique » a été plus qu’enrichissante. Je remercie bien évidement tous mes collègues de bureau, passés et présents, qui ont contribué à créer une ambiance de travail chaleureuse (pour ne faire qu’une liste des présents, François le Patron, Trung alias Pierre, Simon le Plombier, que les anciens me pardonnent). Ces remerciements sont également destinés à tous les collègues Doctorants et Post-Doctorants avec qui j’ai partagé des moments dans et hors laboratoire très agréables. Une mention spéciale pour les « MDCE » Guillaume, Laurent, Thibaut, Bang, Lumei (à votre tour), Chafé (ce qui se passe à Cancùn reste à Cancùn), Elyse, Zenjebil, Cédric, Cyril, Louis, Enrico… mais également pour Abder, Abdé, Lucie, Chérif, Mustapha, et les sacrés footeux Quyen et Xuan. Pour le soutien que vous m’avez apporté tout au long de ma thèse, je vous exprime toute mon amitié. Que les absents m’excusent, faire une liste exhaustive des personnes rencontrées est hasardeux, mais à coup sûr j’ai pensé à vous à un moment… Qu’il me soit permis ici de remercier l’ensemble des amis pour le soutien et les encouragements qu’ils m’ont transmis tout au long de ces années. Sur un plan plus personnel, je voudrais remercier l’ensemble de ma famille de m’avoir constamment encouragé et aidé à franchir les obstacles surtout pendant les moments de doute. Que mes parents, qui seront les seuls désignés par pudeur, y trouvent une pensée pleine d’affection. Les mots sont insuffisants pour exprimer combien je leur suis reconnaissant… Merci est bien trop faible pour témoigner votre impact sur l’aboutissement de cette thèse… Que tous mes proches (qui ne seront encore là non plus pas désignés, mais ils/elles se reconnaitront j’en suis sûr), reçoivent toute mon affection pour être restés toujours présents pendant cette période de vie en ermite. 1 I ) LA FOUDRE EN AERONAUTIQUE ................................................................................ 13 I-1) Historique................................................................................................................................................ 13 I-2) Types d’orages, répartition, naissance et mécanisme d’un coup de foudre .......................................... 14 I-3) Quelques chiffres sur le risque de foudroiement d’un aéronef .............................................................. 14 I-4) Processus d’accroche sur un aéronef ..................................................................................................... 16 I-4-1) Eclair intercepté par l’aéronef ........................................................................................................ 16 I-4-2) Eclair déclenché par la présence de l’aéronef ................................................................................ 16 I-5) Les effets de la foudre sur un aéronef .................................................................................................... 17 I-5-1) Les effets directs ............................................................................................................................. 18 I-5-2) Les effets indirects .......................................................................................................................... 18 I-6) Phénomènes électromagnétiques lors d’un foudroiement .................................................................... 19 I-6-1) Couplage résistif ............................................................................................................................. 19 I-6-2) Couplage magnétique ..................................................................................................................... 19 I-6-3) Couplage capacitif .......................................................................................................................... 20 I-7) Le courant foudre en aéronautique ........................................................................................................ 21 I-7-1) Caractéristiques du courant foudre ................................................................................................ 21 I-7-2) La réglementation internationale ................................................................................................... 23 I-7-3) « Zoning » d’un aéronef ................................................................................................................. 28 II ) VERS L’AVION « PLUS ELECTRIQUE » ET « PLUS COMPOSITE » ................................... 30 II-1) Vers le « plus » électrique ....................................................................................................................... 30 II-1-1) Généralités sur les sources d’énergies embarquées ...................................................................... 30 II-1-2) Evolution de l’énergie électrique .................................................................................................... 31 II-1-3) Pourquoi privilégier l’énergie électrique ? ..................................................................................... 34 II-2) Les composites en aéronautique ............................................................................................................ 36 II-2-1) Structure des matériaux composites .............................................................................................. 37 II-2-2) Evolution de l’utilisation de matériaux composites en aéronautique ............................................ 40 II-2-3) Intérêts et inconvénients ................................................................................................................ 41 II-3) Les nouvelles contraintes face à l’impact foudre .................................................................................... 44 II-3-1) Nouvelles contraintes liées à l'évolution de la structure ............................................................... 44 II-3-2) Nouvelles contraintes liées à l'évolution des systèmes.................................................................. 45 II-4) Le projet PREFACE ................................................................................................................................... 46 INTRODUCTION GENERALE ............................................................................ 5 CHAPITRE I : PRESENTATION DU CONTEXTE .................................................. 9 Sommaire Sommaire 2 I ) GENERALITES ............................................................................................................ 53 II ) CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ............................................................................ 55 II-1) Caractéristique courant-tension I(V) ou J(E) ........................................................................................... 55 II-2) Définitions des paramètres électriques .................................................................................................. 57 III ) CONSTITUTION ET STRUCTURE DU MATERIAU ......................................................... 59 III-1) Technique d’élaboration ......................................................................................................................... 59 III-2) Frittage .................................................................................................................................................... 61 III-3) Rôle des dopants ..................................................................................................................................... 62 III-4) Microstructure ........................................................................................................................................ 63 III-5) Le joint de grains microvaristance élémentaire ...................................................................................... 65 IV ) MECANISME DE CONDUCTION ................................................................................ 66 IV-1) Modèles associés de barrière de potentiel de type SCHOTTKY .............................................................. 66 IV-2) Les différents modèles physiques de l’effet varistance envisagés.......................................................... 68 IV-2-1) Modèle de M. MATSUOKA ............................................................................................................. 68 IV-2-2) Modèle de J. D. LEVINE ................................................................................................................... 68 IV-2-3) Modèle de L. M. LEVINSON et ses collaborateurs .......................................................................... 69 IV-2-4) Modèle de G. E. PIKE ...................................................................................................................... 70 IV-2-5) Modèle de O. DORLANNE ............................................................................................................... 70 IV-3) En résumé ............................................................................................................................................... 70 V ) DEGRADATION ET VIEILLISSEMENT DES VARISTANCES ZNO ...................................... 71 V-1) Généralités .............................................................................................................................................. 71 V-2) Phénomènes provoquant la destruction d’une varistance ..................................................................... 72 V-2-1) Emballement thermique ................................................................................................................. 72 V-2-2) Perforation et fracture ................................................................................................................... 72 V-3) Phénomènes provoquant la dégradation d’une varistance .................................................................... 73 V-3-1) Dégradation lors du fonctionnement répété de chocs de courant ................................................ 73 V-3-2) Vieillissement sous la tension de service et l’effet de la température ........................................... 73 V-4) « Détection » de dégradation/vieillissement .......................................................................................... 73 V-4-1) Effet de dégradation/vieillissement sur les paramètres électriques des varistances .................... 73 V-4-2) Mesures et tests de dégradation .................................................................................................... 74 V-5) Mécanismes de dégradation ................................................................................................................... 75 V-5-1) Modèle de K. EDA ........................................................................................................................... 75 V-5-2) Modèle de T. K. GUPTA et ses collaborateurs ................................................................................ 76 V-5-3) Modèle de C. G. SHIRLEY et W. M. PAULSON ................................................................................. 76 V-5-4) Modèles de S. SATO et ses collaborateurs ..................................................................................... 77 VI ) FRITTAGE PAR SPARK PLASMA SINTERING (SPS) OU FRITTAGE FLASH ...................... 77 VI-1) Principe du frittage flash (SPS) ................................................................................................................ 77 VI-2) Le débat des mécanismes impliqués dans le frittage SPS ....................................................................... 79 VI-3) Intérêts pour la réalisation de varistances .............................................................................................. 80 VI-4) Description du matériel de frittage ......................................................................................................... 81 CHAPITRE II : VARISTANCES ZNO .................................................................. 49 Sommaire 3 I ) REVUE CRITIQUE DE LA CARACTERISTIQUE I(V) DES VARISTANCES ZNO ...................... 87 II ) CARACTERISATION AUX COURANTS FAIBLES............................................................. 90 II-1) Spectroscopie diélectrique ..................................................................................................................... 90 II-1-1) Principe de mesure ......................................................................................................................... 90 II-1-2) Dispositifs de mesure ..................................................................................................................... 91 II-1-3) Relevé fréquentiel .......................................................................................................................... 92 II-2) Courants transitoires sous polarisation continue ................................................................................... 95 II-2-1) Définitions ...................................................................................................................................... 95 II-2-2) Relevé courant-temps .................................................................................................................... 96 II-2-3) Influence de la température ........................................................................................................... 99 II-3) Dispositifs de caractérisation I(V), J(E) aux courants faibles (tension continue - bas niveau) .............. 102 II-4) Caractéristiques électriques uploads/Geographie/2014tou30098 1 .pdf