identifier: Labonté, M. (2014). Les bioplastiques dans les emballages rigides : le matériau, sa mise en forme et sa modélisation  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les bioplastiques sont de plus en plus utilisés pour de multiples applications. De tous les bioplastiques disponibles sur le marché, le polylactide (PLA) est le bioplastique le plus répandu à cause de ses propriétés améliorées et de son prix de plus en plus compétitif. Parmi toutes les applications possibles pour le PLA, les contenants rigides à usage unique utilisés dans le domaine alimentaire et dans les produits de consommation tel l'électronique, offrent un fort potentiel de développement. Ces contenants sont majoritairement moulés par thermoformage en continu, avec ou sans l'aide de poinçon assisté. Le matériau présentement privilégié pour ces contenants est le polyéthylène téréphtalate sous sa forme amorphe (aPET). En 2004, profitant de son aspect écologique, de l'introduction du concept de développement durable et de la dépendance aux plastiques issus du pétrole, une première commercialisation et des essais de moulage de PLA furent réalisés. On voulait substituer le PET comme matériau pour des applications ciblées en alimentation rapide. Le PLA proposé ne contenait aucun additif particulier et présentait un comportement mécanique tout juste adéquat. Son aspect vert n'a pas su compenser pour ses faiblesses mécaniques. De plus, sa mise en oeuvre par thermoformage n'était pas à la hauteur de la substitution : sont survenus des problèmes d'éclatement et des craquelures lors de l'alimentation et de la découpe. Ces problèmes ne se présentaient pas avec le PET; lequel profitait de près de 20 ans de développement. Les transformateurs se rappellent de cette première expérience peu concluante, d'où l'intérêt mitigé manifesté pour le PLA par la suite. Cette recherche vise à prouver qu'il est possible de développer une utilisation commerciale à partir d'un PLA naturel, en le rendant plus résistant à l'impact durant sa mise en forme et lors de son utilisation comme contenant. Le PLA Ingeo™ 2003D de NatureWorks LLC est celui qui a été retenu. Ce PLA est conçu pour l'extrusion de feuilles minces qui seront transformées par thermoformage, en des contenants translucides. Il est aussi disponible commercialement et selon des prix pouvant permettre une certaine compétitivité. Dans un premier volet, dont le but est d'améliorer la performance du PLA à l'impact, des mélanges ont été réalisés en le combinant à différents plastifiants naturels tels que des citrates et de l'huile de castor ainsi que certains additifs élastomériques de type shell-core. Ces mélanges ont été transformés en feuilles minces de 400 μm à l'aide d'une extrudeuse mono-vis, profitant ainsi d'une orientation bénéfique, mécaniquement parlant. La résistance à l'impact des feuilles a vi été évaluée selon le test ASTM D5420 Impact Gardner en lieu et place du test ASTM D256 Résistance Izod normalement utilisé en recherche, afin de prendre en considération la forme finale et l'orientation moléculaire des feuilles de PLA. Par l'ajout de certains additifs, la résistance à l'impact a été augmentée d'environ 600 % par rapport à une feuille extrudée uniquement avec le PLA Ingeo™ 2003D; ceci, tout en maintenant un haut niveau de transparence et un minimum de diffusion lumineuse (haze). Le résultat de ce volet est le dépôt d'un brevet, conjointement avec le partenaire commercial, sur la formulation en revendiquant plus que ce seul aspect. Lors du second volet de la recherche, deux formulations optimalisées ont été transformées industriellement par un partenaire industriel, en feuilles de 400 μm, selon des standards de qualité industrielle. Chez un deuxième partenaire industriel, les deux formulations en feuilles ont été transformées à l'aide d'une presse de thermoformage sous vide avec poinçon assisté (THAP), en des contenants de 1 000 ml. Les conditions ou paramètres de production pour ces contenants en PLA (amélioré) ont été comparés, sur les plans qualitatif et quantitatif, à ceux d'une production normale de ces mêmes contenants moulés en PET. Les conditions de mise en oeuvre observées ont été comparables en utilisant le même équipement, les mêmes moules et poinçons ainsi que les mêmes couteaux de découpe. Outre quelques changements mineurs dans les conditions de moulage, les PLA améliorés ont semblé être plus faciles à découper que le PET, car des pressions plus faibles étaient requises. La cadence de production obtenue pour le moulage de PLA a été la même que celle obtenue pour le moulage du PET. Nous avons conclu qu'une situation de substitution sans modification majeure (drop-in) est donc possible sans perte de qualité significative. Finalement, comme dernier volet, différentes formes du poinçon ont été évaluées pour une optimisation de la distribution des épaisseurs de paroi (DÉP) dans le cas d'un contenant de 500 ml moulé en aPET. Et ce, en considérant que l'utilisation d'un poinçon lors du thermoformage par le vide assisté par poinçon (THAP) influence directement la DÉP du contenant, à cause du pré-étirement de la feuille chaude par le poinçon. Dans ce cas précis, les formes et géométries ont été préalablement dessinées sous SolidWorks™ et importées dans le logiciel de modélisation ThermoView™ du Conseil National de Recherches du Canada. Une première série de six formes ont été modélisées individuellement et leurs DÉP ont été analysées avec rigueur. À la suite de vii cette analyse, une deuxième série, composée de trois différents poinçons, a été conçue. Cette deuxième série de poinçons a été également modélisée et la DÉP en résultant fut analysée. En parallèle, ces trois même poinçons ont été usinés et installés sur le même équipement que celui utilisé régulièrement pour le thermoformage des contenants. Une production d'environ 8 000 contenants a été réalisée. Des échantillons significatifs ont été sélectionnés. Les épaisseurs aux coins, aux côtés et au fond de contenants ont été mesurées et comparées à celles issues de la dernière série de simulations. Les épaisseurs réelles et celles obtenues par modélisation ont été comparées. Une forte reproduction a été obtenue pour les coins et les côtés. Seules les épaisseurs du fond du contenant étaient moins en concordance. Les volets de la recherche ont fait l'objet de deux articles scientifiques, soumis pour fins de publication à des revues avec comité de lecture. À la suite des résultats obtenus suite à tous les travaux et activités réalisées dans le cadre de cette recherche doctorale, nous sommes convaincus qu'on peut se servir du PLA comme bioplastique pour la production de contenants rigides à usage unique et ce, en utilisant les outillages et équipements normalement utilisés pour le aPET.  ABSTRACT: Today, bioplastics are increasingly used in a variety of different applications. Out of all bioplastics available on the market, polylactide (PLA) is the most used due to its enhanced properties and its price competitiveness. Among all possible applications for PLA, rigid, single use containers, for the food industry and consumer products such as electronics, show the greatest potential for development. These containers are mostly molded using a thermoforming process, with or without a plug assist technology. The presently preferred material for these containers is polyethylene terephthalate in its amorphous form (aPET). Taking advantage of the marketing of environmental impact and introduction of the idea of sustainable development, the first marketing and molding trials of PLA were carried out in 2004. PLA suppliers wanted to replace the aPET as material for targeted fast-food applications. At that time, the proposed PLA contained no specific additive and barely had adequate mechanical performance compared to aPET. The environmental and sustainable aspects associated with PLA were not able to compensate for the mechanical gaps in performance. Moreover, its implementation via thermoforming was a challenge to substitute with problems of shattering and cracking that occurred during the feeding and die-cutting stages. These problems did not occur with aPET, which took advantage of nearly 20 years of technical development. Processors or thermoformers remember that first inconclusive and negative experience; their mix feelings around PLA's processability still strongly remain today. This research aims to prove that it is possible to develop a commercially viable biobased PLA, making it more resistant to impact through formulation modifications as well as improvements to the processing through plug assist vacuum thermoforming (PATH). Ingeo™ PLA 2003D from NatureWorks LLC was the PLA used for this research. This semi crystalline PLA is designed for the extrusion of thin sheets and the thermoforming in transparent containers. It is also available commercially as its prices may allow some competitiveness with aPET containers. This research is divided in three parts. In the first part, aims to improve the performance of PLA's impact properties through new formulations that were prepared by combining different natural plasticizers such as citrate and castor oil and some elastomeric additives. These compounds were processed into thin sheet of 400 microns using a single-screw extruder, and gaining in mechanical behaviors from this beneficial polymer orientation. By adding certain ix additives, impact resistance was increased by nearly 600 % compared to an extruded neat Ingeo™ PLA 2003D sheet, while maintaining a high level of transparency and minimal haze. In the second part of this research, two optimized formulations were industrially processed by an industrial partner into sheet rolls of 400 μm thick and according to industrial quality standards. With the collaboration of a second industrial partner, these two formulation sheet rolls were transformed using a thermoforming press plug assisted, into containers of 1000 ml. Processing parameters for producing these containers with improved PLA formulations were compared, from qualitative and quantitative points of view to the normal containers molded in aPET. Processing conditions were observed as comparable using the same equipment, molds, dies and die-cutting system as aPET. Besides some minor changes in molding conditions, the improved PLA formulations appeared to be easier to die-cut than aPET because lower pressure was required. The production rate (i.e. cycle time) obtained for molding the improved PLA formulations, was the same as the rate obtained for molding aPET. We concluded that a drop-in solution (i.e. without major modifications) was possible without any significant loss in quality. Finally, the thermoforming plug forms were evaluated for optimization of wall thicknesses distribution (WTD) in the case of a 500 ml container molded in aPET. It is assumed that a well-designed plug will influences the WTD, mainly during the pre-stretching of the warm sheet and should bring additional thickness from bottom surface to corners and sides of a container. In this case, shapes and geometries of mold and plug have been previously drawn in SolidWorks ™ and imported into the ThermoView ™ modeling software, conceived by the Canadian National Research Council. A first series of six forms was modelised individually and the WTDs were analyzed rigorously. Following this analysis, a second series of three different plugs shapes, was designed. This second series of punches was also modelised and the WTD results were analyzed. In parallel, three plugs were fabricated and installed on the same equipment used for thermoforming these containers. Production of approximately 8000 containers was run and significant samples were selected. The thickness at the corners, sides and bottom of the containers were measured and compared with a series of simulations. High reproduction was obtained for the corners and sides. Only the bottom thickness of the containers was less x consistent. Two scientific papers, around these aspects, were submitted for publication in peer-reviewed journals. In conclusion, we believe that a PLA can be specially formulated to improve its impact properties in such a way that it can be used for the production of single-use containers while maintaining the same tools and equipment used normally for processing of aPET containers.


identifier: Doumit, N. (2014). Étude d'intégration fonctionnelle du cycle de développement des produits et des communautés de pratique virtuelles  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Afin d'augmenter leur compétitivité, les industries manufacturières visent à réduire leurs cycles de développement de produits, sans toutefois pouvoir atténuer la complexité de leurs produits. Pour cela, il y a une nécessité d'échanger les informations de façon synchrone afin de partager les connaissances parmi les employés, souvent géodistants et multidisciplinaires. Une fois techniquement et humainement supporté, le flux d'information informelle augmente la productivité lors du développement de produits. Ainsi, les entreprises cherchent à exploiter les fonctionnalités des Réseaux Sociaux d'Entreprise (RSE). Effectué en milieu industriel, ce mémoire explore l'intégration fonctionnelle des technologies d'informations (TI) formelles comme la gestion de cycle de vie d'un produit (PLM), et les TI informelles telles que les RSE. Une revue de littérature a permis d'identifier les zones grises non abordées précédemment, notamment le lien entre les Communautés de Pratique Virtuelles (CdPV) et le développement de produit ainsi que le lien entre les solutions PLM et les RSE non contrôlés dans l'industrie aéronautique. Dans le but d'analyser l'état actuel en termes de la collaboration, l'auteure a effectué des enquêtes en ligne au sein d'un département ayant des employés géodistants, des entrevues semi-structurées et de la recherche dans la documentation existante. Deux maisons de qualités (PLM et RSE), adaptées aux systèmes d'informations, sont élaborées pour extraire des choix préliminaires du support au transfert de l'information en fonction de la nature du contenu. La combinaison des résultats via une catégorisation des besoins similaires permet d'émettre des recommandations au niveau des TI à utiliser. Les CdPV prennent part à cette solution en tant que facteurs humains dans le support de la maturité de l'information. L'auteure propose aussi des moyens efficaces d'en développer de nouvelles ou de supporter celles existantes. Pour conclure, la candidate démontre les limites de cette étude, émet des recommandations à l'entreprise et propose des futures pistes potentielles de solutions qui incluent le PLM 2.0 et les RSE non contrôlés.  ABSTRACT: Product development, subject to time constraints and system complexity, needs synchronous communication between different disciplines and locations in order to enable knowledge sharing. Being well supported, informal information flow increases productivity during product realization. Therefore, manufacturing industries are exploring the use of Enterprise Social Media (ESM) functionalities. This thesis explores the functional integration of formal information technologies such as Product Lifecycle Management (PLM) software with informal technologies as ESM through an industrial case study. Reviewing literature, the candidate has identified a gap between Virtual Communities of Practice (VCoP) and product development, as well as the correlation of PLM solutions and non-controlled ESM in the aerospace industry. In order to disseminate a descriptive study of the current collaboration status, the author has undertaken online surveys for geodistant employees of the same department, semi-structured interviews and research among existing documentations. Subsequently, a Quality Functional Analysis is performed via two modified House of Quality matrices (PLM and ESM) to assign a convenient support for information transfer independently of its content maturity. Users' needs are categorized, and for each category a choice of platform is made with further recommendation regarding the use of the function or the need of human intervention. VCoP form an integrated part of the solution where employees support the technical content. Thus, essential roles and responsibilities are presented to maintain existing CoP and develop new ones. Finally, the candidate presents the limits of this research, gives recommendations for the manufacturing industry and suggests potential continuation of this study using PLM 2.0 with non-controlled ESM tools.


identifier: Rezaei Kolahchi, A. (2014). Polyethylene Terephthalate (PET) Films Surface Modification Through Blending  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Contrôler l'adhérence de la surface des polymères est un problème clé de la technologie des surfaces, les polymères étant des matériaux communément utilisés depuis de nombreuses années. Deux aspects différents de la modification de surface sont abordés dans cette étude. Le premier est l'amélioration du caractère hydrophile, le second est la création d'une rugosité de surface du film de PET. Dans cette thèse, nous développons une approche nouvelle et simple pour modifier la surface d'un film de polyéthylène téréphtalate (PET) par un mélange de polymères en extrusion doublevis. Un exemple décrit dans la thèse utilise le polyéthylène glycol (PEG) dans le polyéthylène téréphtalate (PET) pour modifier la surface du film de PET. Le PEG est un polymère hydrophile avec un groupe fonctionnel carbonique et un pourcentage élevé d'oxygène par carbone dans sa structure chimique. Pour augmenter le taux de migration du PEG vers la surface du film, une faible quantité de polystyrène (PS) a été ajoutée dans le système comme troisième composant. Cette nouvelle méthode a été utilisée car les chaînes polymères du PEG, qui sont courtes, migrent facilement à la surface et reviennent dans la masse du polymère pendant la phase de refroidissement. Le PS à haut poids moléculaire étant fortement incompatible avec le PET stabilise les molécules de PEG dans la couche à la surface du film. L'enrichissement de la surface en PEG a été observé à l'interface polymère/air du film polymère composé du système PETPEG- PS tandis que pour le système binaire PET-PEG, une plus grande quantité de PEG a été distribuée au coeur de l'échantillon. Un autre exemple décrit la morphologie de la surface du film de mélange ternaire de polymères. Dans cette partie de l'étude, l'apparence de la surface du polymère tient compte de la migration des molécules du constituant minoritaire vers la couche supérieure en surface des films. Différents polymères, comme le PS, le PBAT, le PCL, le PMMA et le PLA, ont été utilisés en tant que seconde phase minoritaire dans un système contenant du PET et du PEG. Un taux de migration plus élevé du PEG vers l'interface polymère/air a été observé dans les systèmes avec des morphologies hydrophobes et le plus haut taux de migration pour le mélange PET/PS/PEG. L'énergie de surface la plus élevée est 54 mN/m pour le film composé de PET avec 5% en masse de PS et 7% en masse de PEG, la concentration optimale de PS par rapport à la concentration de PEG à la surface est alors 7% en masse. vi De plus, une nouvelle méthode a été proposée afin de créer une surface rugueuse des films de PET. Nous avons considéré l'épaississement de la phase de PS dans les films extrudés de PET. Afin de rendre la surface des films de PET rugueuse, une faible quantité de résine phénoxy PKHH a été utilisée pour changer la tension interfaciale du système PS/PET. Les effets compatibilisants du PKHH ont provoqué la formation de gouttelettes de PS plus petites, qui ont alors été capables de migrer plus facilement à travers la matrice de PET. Par la suite, aboutissant à une concentration élevée de PS localisée proche de la surface du film, cela a pris la forme de gouttelettes encapsulées juste sous la surface. La transformation de Fourier rapide en 2D des images AFM a indiqué que l'intensité de fluctuation des longueurs d'ondes à la surface du film pendant le recuit suivait une relation en loi puissance en fonction du temps et cette instabilité entraînerait l'apparition de la rugosité.  ABSTRACT: Controlling the adhesion of the polymer surface is a key issue in surface science, since polymers have been a commonly used material for many years. The surface modification in this study includes two different aspects. One is to enhance the hydrophilicity and the other is to create the roughness on the PET film surface. In this thesis, we developed a novel and simple approach to modify polyethylene terephthalate (PET) film surface through polymer blending in twin-screw extruder. One example described in the thesis uses polyethylene glycol (PEG) in polyethylene terephthalate (PET) host to modify a PET film surface. PEG is a hydrophilic polymer with carbonic functional group and high percentage of oxygen per carbon in its chemical structure. Low content of polystyrene (PS) as a third component was used in the system to increase the rate of migration of PEG to the surface of the film. This novel method was effective because short PEG polymer chains migrate easily to the surface and move back toward the bulk of polymer during the cooling process. High molecular weight PS as a very incompatible polymer with PET stabilizes PEG molecules at the surface layer of the film. Surface enrichment of PEG was observed at the polymer/air interface of the polymer film containing PET-PEG-PS whereas for the PET-PEG binary blend more PEG was distributed within the bulk of the sample. Another example described the surface morphology of the ternary polymer blend film. In this part of the study the polymer surface make up considered by the migration of minor component molecules to the top surface layer of the films. Different polymers as a second minor phase such as PS, PBAT, PCL, PMMA and PLA were used in a system containing PET and PEG. Higher migration rate of PEG to the polymer/air interface was observed in the systems with non-wetting morphology and the highest in the PET/PS/PEG blend. The highest surface energy is 54 mN/m, for the PET-5wt%PS-7wt%PEG film so the optimum concentration of PS with respect to PEG concentration at the surface is 7wt%. Furthermore, a novel method to create roughness at the PET film surface was proposed. We considered the phase coarsening of PS in extruded thin films of PET. In order to roughen the surface of PET film, a small amount of PKHH phenoxy resin to change PS/PET interfacial viii tension was used. The compatibility effect of PKHH causes the formation of smaller PS droplets, which were able to migrate more easily through PET matrix. Consequently, resulting in a locally elevated concentration of PS near the surface of the film, took the form of encapsulated droplets just below the surface and coarsening the minor phase. The local concentration of PS eventually reached a level where a co-continuous morphology occurred, resulting in the instabilities on the surface of the film. 2D fast Fourier transforms of the AFM images indicated that the intensity of wavelength fluctuations at the film surface during annealing followed a power-law relationship as a function of time and the roughness appeared due to this instability.


identifier: Geoffroy, P. (2014). Programmation différentielle dynamique pour la commande optimale d'actionneurs biomimétiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les prothèses sont des dispositifs permettant de remplacer la fonction d'un organe ou d'un membre. Elles doivent donc être le plus biofidèle possible pour rendre aux patients l'intégralité de leurs capacités perdues. Dans le cas d'un membre, il est donc nécessaire de reproduire le comportement des muscles et des os lors des mouvements. Or, ce dernier est bien plus complexe qu'il n'y paraît, et ce notamment à cause de la cocontraction des muscles agonistes et antagonistes qui assure stabilité et protection des articulations et qui permet d'en moduler la rigidité. Ce dernier point est très important, pour deux raisons principales : il permet d'optimiser la consommation d'énergie et d'interagir avec l'environnement en toute sécurité. Afin de concevoir des prothèses biofidèles, il est donc pertinent de chercher à reproduire cette rigidité variable. Plusieurs approches ont été imaginées, celle que nous étudions ici consiste à employer des actionneurs à impédance variable. Ces actionneurs possèdent des ressorts dans leur mécanisme, que l'on peut régler de façon à changer la rigidité du système au cours du temps. Le problème principal lié à ces actionneurs est leur commande. Il est possible de la découpler, i.e. de contrôler séparément la rigidité et la position de l'actionneur, mais on n'exploite pas dans ce cas le plein potentiel de la rigidité variable. Notre problématique se résume donc ainsi : comment calculer la commande optimale non découplée d'un actionneur à impédance variable ? Dans un premier temps, nous avons modélisé un actionneur à impédance variable et linéarisé sa fonction d'évolution. Puis nous avons testé plusieurs algorithmes (la méthode par collocation et le régulateur linéaire quadratique) parmi les plus classiques en contrôle optimal pour le contrôler à impédance fixe. Si la méthode de collocation exigeait un trop long temps de calcul, les résultats avec le régulateur linéaire quadratique étaient très satisfaisants, tant en convergence qu'en stabilité. Toutefois, cette méthode n'est pas envisageable à impédance variable. En effet, la linéarisation des équations n'est plus possible. L'algorithme Differential Dynamic Programming (DDP) permet de résoudre le problème de contrôle optimal pour des systèmes non-linéaires. Son fonctionnement se rapproche de celui d'un descente de Newton dans laquelle on tiendrait compte des dérivées secondes, ce qui permet justement d'étudier des systèmes pour lesquels la linéarisation est impossible. Nous avons testé et validé cet algorithme en simulation, notamment sur un saut réalisé par un robot humanoïde équipé d'actionneurs à impédance variable. Néanmoins, la complexité de cet algorithme est très élevée et limite son utilisation en temps réel. Nous avons donc cherché à l'optimiser dans un second temps. Afin de limiter le nombre d'opérations effectuées au cours d'un calcul par DDP, nous avons employé l'hyptohèse de Gauss-Newton pour approcher les dérivées secondes. Nous avons alors reformulé l'algorithme en utilisant les racines carrées des matrices en jeu et diminué la complexité : de 11n3 opérations à chaque cycle à 3n3 opérations, où n est la taille de notre fenêtre de prévision. En conclusion, on a montré qu'il est possible de contrôler de manière non découplée un actionneur à impédance variable, grâce à l'algorithme DDP, en simulation. La suite future de ce travail en serait la validation expérimentale.  ABSTRACT: Prostheses are artificial devices that replace organs or limbs. Therefore, they must be as much biofidelic as possible to provide back to patients close to their lost capacities. In the case of a limb, the complete behavior of the muscles and bones has to be reproduced during movement. However, it is much more complex than it seems, especially because of the cocontraction of agonist and antagonist muscles. This phenomenon ensures stability and protection of the joints, but also the modulation of the stiffness. The later is very important for two main reasons : the optimization of energy consumption, and safe interaction with the environment. To design biofidelic prostheses, it is highly desirable to reproduce this variable stiffness. Several approaches have been proposed, the one we study here is to use of Variable Impedance Actuators (VIA). The mechanical system of these actuators have springs inside and so, the global stiffness can be changed over time. The main problem with VIA is their control. We can decouple it, this means controlling separately position and stiffness, but in this way, the full potential of variable stiffness is not exploited. Our research question can be summed up as follow : How to perform the optimal non decoupled control of VIA ? At first, we modelized a VIA and linearized its evolution function. Then, we tested several algorithms (collocation and Linear Quadratic Regulator (LQR)) among the classical methods to control it with fixed stiffness. The collocation method required a too long computation time, and we hence prefered the LQR. The results using LQR were very satisfactory both in terms of convergence and in robustness. However this method is not efficient with variable stiffness, and we can't linearize the equations. The algorithm Differential Dyamic Programming (DDP) solves optimal control problem for non linear systems. It is similar to a Newton descent, in which we take into account the second derivatives. This is precisely the key to non linearizable systems. We tested and validated with simulations this algorithm, using a jump performed by a humanoid robot with VIA. However, the complexity of DDP tends to be very high and limits its use in real time. We therefore sought to optimize it in a second time. To limit the number of operations performed during a computation, we used the Gauss Newton hyptohesis to approximate the second derivatives. We then used a square-root formulation of the DDP algorithm. The complexity decreased from 11n3 operations at each cycle to 3n3. To conclude, uncoupled control of VIA is possible using DDP in a simulation environment. The future step of this work would be the experimental validation of the results.


identifier: Belqorchi, A. (2014). Application de la méthode de la réponse fréquentielle à l'arrêt "SSFR" sur une machine synchrone à pôles saillants de grande puissance  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La littérature scientifique est très pauvre en études visant à démontrer expérimentalement l'applicabilité de la méthode SSFR (Stand-Still Frequency Response) sur une machine synchrone, à pôles saillants, de grande puissance. En fait, peu de résultats suffisamment positifs existent et ce même sur des turboalternateurs. Par la présente contribution, l'auteur espère raviver l'intérêt pour l'application de la méthode SSFR aux machines synchrones à pôles saillants de grande puissance. L'objectif est de bâtir une base de données de mesures SSFR incluant la validation des résultats obtenus par comparaison avec ceux issus des essais classiques. Un objectif encore plus ambitieux est de démontrer l'aptitude de la méthode à générer un modèle petit et grand signal. À ce sujet, les chercheurs sont presque unanimes quant à l'incapacité du modèle SSFR à représenter l'alternateur lors de fortes perturbations comme le court-circuit triphasé instantané. Les difficultés soulevées par les chercheurs sont principalement : a- L'imprécision des mesures aux très basses fréquences b-La difficulté du positionnement du rotor selon les deux axes-d et q pour une machine synchrone à pôles saillants c-L'impact du niveau de courant de mesure sur les inductances de magnétisation des axes-d et q d-L'impact de la rotation sur le ou les circuits amortisseurs. Prenant acte des problèmes susmentionnés, l'auteur a conduit un essai SSFR sur une machine hydroélectrique de grande puissance (285 MVA). L'alternateur est à pôles saillants avec rotor à tôles laminées non isolées. Les amortisseurs des pôles adjacents sont connectés entre eux via les noyaux polaires et la jante du rotor. Le circuit amortisseur n'est pas affecté par la rotation et le nombre d'encoches par pôle et par phase est entier. L'auteur a entrepris certaines actions pour éliminer ou atténuer les sources d'ennuis. Ainsi, pour améliorer la précision de mesure aux très basses fréquences, l'instrumentation la plus précise disponible sur le marché, fut acquise.  ABSTRACT: Forty years after Watson and Manchur conducted the Stand-Still Frequency Response (SSFR) test on a large turbogenerator, the applicability of this technic on a powerful salient pole synchronous generator has yet to be confirmed. The scientific literature on the subject is rare and very few have attempted to compare SSFR parameter results with those deduced by classical tests. The validity of SSFR on large salient pole machines has still to be proven.  The present work aims in participating to fill this knowledge gap. It can be used to build a database of measurements highly needed to draw the validity of the technic. Also, the author hopes to demonstrate the potential of SSFR model to represent the machine, not only in cases of weak disturbances but also strong ones such as instantaneous three-phase short-circuit faults. The difficulties raised by previous searchers are:  The lack of accuracy in very low frequency measurements.  The difficulty in rotor positioning, according to d and q axes, in case of salient pole machines.  The measurement current level influence on magnetizing inductances, in axes-d and q.  The rotation impact on damper circuits for some rotors design. Aware of the above difficulties, the author conducted an SSFR test on a large salient pole machine (285 MVA). The generator under test has laminated non isolated rotor and an integral slot number. The damper windings in adjacent poles are connected together, via the polar core and the rotor rim. Finally, the damping circuit is unaffected by rotation. To improve the measurement accuracy, in very low frequencies, the most precise frequency response analyser available on the market was used. Besides, the frequency responses of the signals conditioning modules (i.e., isolation, amplification…) were accounted for to correct the four measured SSFR transfer functions. Immunization against noise and use of instrumentation in their optimum range, were other technics rigorously applied. Magnetizing inductances, being influenced by the measurement current magnitude, the latter was maintained constant in the range 1mHz-20Hz. Other problems such as the rotation impact on damper circuits or the difficulty of rotor positioning are eliminated or attenuated by the intrinsic characteristics of the machine.


identifier: Keshavarz Khorasgani, M. (2014). Synthesis and Characterization of Bismuth Telluride-Based Nanostructured Thermoelectric Composite Materials  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux et dispositifs thermoélectriques (TE) sont intéressants pour les applications en conversion d'énergie tels la récupération de chaleur, la climatisation et la réfrigération. Depuis les années 50, plusieurs efforts ont été déployés pour améliorer l'efficacité des matériaux TE pour la conversion d'énergie (amélioration de la figure de mérite ZT). Malgré ces efforts, la plupart des matériaux TE atteignent au mieux une valeur de ZT de l'ordre de 1. Pour améliorer la performance des alliages TE à base de tellurure de bismuth, nous avons développé des matériaux TE composites à partir de l'hypothèse que par addition d'interfaces dans la structure du matériau TE, il soit possible de réduire la conductibilité thermique par la diffusion des phonons sur ces interfaces. En suivant cette approche, on suppose que les propriétés de transport électronique ne seront pas grandement affectées, menant ainsi à une augmentation de ZT. Dans cette thèse, nous discuterons des procédés d'élaboration et de la caractérisation de deux types de composites TE basés sur le tellurure de bismuth. Le premier type de composite est obtenu en créant des interfaces cohérentes entre différentes phases miscibles de compositions chimiques similaires. Le second type de nanocomposite est fabriqué par l'addition de nano-particules d'une espèce différente menant à la présence d'interfaces incohérentes entre les particules et la matrice. Les étapes des procédés, la caractérisation micro- et nanostructurale ainsi que les propriétés thermoélectriques seront présentées dans cette thèse. Dans l'étude des composites avec interfaces cohérentes, nous avons produit différents mélanges d'alliages de type p de tellurure de bismuth et d'antimoine pour évaluer leurs propriétés TE et leur microstructure. Chaque composite est constitué de deux phases qui sont élaborées à partir de poudres par mécanosynthèse. Le composite est obtenu en extrudant à chaud différentes proportions des deux phases de compositions différentes. La taille de grains minimale pour les composites, évaluée par microscopie électronique à balayage, montre une réduction de 50% par rapport à la taille de grains de l'alliage (Bi0.2Sb0.8)2Te3 élaboré par la méthode conventionnelle. L'analyse par diffraction des rayons x (XRD) indique une décroissance systématique de la taille des cristallites dans e composite. Les mécanismes de diffusion des porteurs de charges ont été caractérisés à partir de mesures de l'effet Hall. Nous n'avons pas observé d'évidence de diffusion des porteurs dans ces composites. Aucune décroissance significative du facteur de puissance n'a été observée et de hautes valeurs de la figure de mérite ZT ont été obtenues, entre 0.86 et 1.04.  ABSTRACT: Thermoelectric (TE) materials and devices are attractive in solid-state energy conversion applications such as waste heat recovery, air-conditioning, and refrigeration. Since the 1950's lots of unremitting efforts have been made to enhance the efficiency of energy conversion in TE materials (i. e. improving the figure of merit (ZT)), however, most of commercial bulk TE materials still suffer from low efficiency with ZTs around unity. To enhance the performance of bismuth telluride based TE alloys, we have developed composite TE materials, based on the idea that introducing more engineered interfaces in the bulk TE materials may lead to thermal conductivity reduction due to increased phonon scattering by these interfaces. In this approach it is expected that the electronic transport properties of the material are not effectively affected. Consequently, ZT enhancement can be achieved. In this dissertation we will discuss synthesis and characterization of two types of bismuth telluride based bulk composite TE materials. The first type is engineered to contain the presence of coherent interfaces between phases in the material resulting from different mixtures of totally miscible compounds with similar composition. The second type includes the nanocomposites with embedded foreign nano-particles in which the matrix and the particles are delimited by incoherent interfaces. The synthesis procedure, micro- and nano-structures as well as thermoelectric properties of these composites will be presented. In our study on the composites with coherent interfaces, we produced a series of different composites of p-type bismuth antimony telluride alloys and studied their microstructure and thermoelectric properties. Each composite consists of two phases that were obtained in powder form by mechanical alloying. Mixed powders in various proportions of the two different phases were consolidated by hot extrusion to obtain each bulk composite. The minimum grain size of bulk composites as revealed by scanning electron microscopy shows a 50% reduction compared to the conventional (Bi0.2Sb0.8)2Te3 . XRD analysis indicates a systematic decrease of crystallite size in the composite materials. Scattering mechanisms of charge carriers were evaluated by Hall effect measurements. There is no evidence of carriers scattering linked to the composite nature in these materials. The composites show no significant degradation of the power factor and high peak ZT values ranging from 0.86 to 1.04. It was found, contrary to expectations that the thermal conductivity of the composites slightly increases compared to the conventional alloy.


identifier: Zohre Vand, A. (2014). Development of Polymer Nanocomposite Films and their Potential for Photovoltaic Cell Applications  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La forte demande en énergie due à la croissance continue de la population, au développement industriel rapide, à l'épuisement des ressources conventionnelles d'énergie, et à leurs impacts sur l'environnement nécessite de trouver les nouvelles sources d'énergie. En attendant, le développement de dispositifs rentables et efficaces afin de produire des énergies bon marché, renouvelables et propres est un sujet intéressant qui a retenu l'attention à la fois de la recherche industrielle et de la recherche académique. L'énergie solaire est une des sources d'énergie renouvelable la plus disponible et qui peut être convertie en électricité par l'intermédiaire des cellules solaires. Parmi les différents types de cellules solaires, les cellules solaires à pigments photosensibles (DSSC de l'anglais dye-sensitized solar cell), qui sont des matériels à bas coût, ont un grand potentiel pour produire de l'électricité solaire rentable. L'objectif de ce travail est de développer une photoélectrode flexible pour DSSC via un procédé rentable de mise en forme d'un polymère à température relativement basse. Des nanocomposites de polypropylène isotactique (iPP) et de dioxyde de titane (TiO2) contenant jusqu'à 15 % volumique (45,5 % massique) de TiO2 ont été produits par plusieurs passages en extrusion bi-vis à l'état fondu. L'effet de la quantité de particules de TiO2 et de la présence de PP modifié par de l'anhydride (AMPP), en tant que compatibilisant, sur la microstructure des nanocomposites a été étudié. Pour une quantité inférieure à 5 % volumique des nanoparticules, la dispersion de ces dernières dans le nanocomposite est améliorée par l'addition du AMPP. Cependant, pour une quantité supérieure à 5 % volumique des nanoparticules, le nombre et la taille des agrégats de TiO2, à la fois dans les nanocomposites compatibilisés ainsi que dans les non-compatibilisés, ont augmenté jusqu'à atteindre un réseau interconnecté de TiO2. Une analyse micromécanique des nanocomposites a montré que la résistance interfaciale entre la matrice polymérique et les particules de TiO2 était plus grande dans le système compatibilisé que dans le système non-compatibilisé. Puisque la conductivité électrique des nanocomposites iPP/TiO2 est une propriété importante exigée pour l'utilisation dans la photoélectrode, la corrélation entre la microstructure et la conductivité électrique des nanocomposites iPP/TiO2 a été étudiée dans la partie suivante de cette recherche. Des mesures en courant continu (DC) de la conductivité électrique ont montré que les échantillons non-compatibilisés avaient un seuil de percolation électrique inférieur aux échantillons compatibilisés. De plus, les propriétés rhéologiques des nanocomposites ont conclu à un seuil de percolation rhéologique plus faible pour les systèmes non-compatibilisés, ce qui est en accordance avec les propriétés électriques. Quantitativement, les seuils de percolation rhéologique (5-7 % en volume) des nanocomposites compatibilisés ou non étaient inférieurs aux seuils de percolation électrique (5,3-7,5 % en volume). Il a été montré que le seuil de percolation élevé des nanocomposites compatibilisés a été obtenu grâce à une meilleure dispersion des nanoparticules de TiO2 en comparaison avec les systèmes non-compatibilisés. Cependant, en raison de la séparation des phases partielles de l'iPP et de l'AMPP et de la viscosité inférieure de la matrice polymérique dans le cas des nanocomposites compatibilisés contenant au minimum 7,5 % en volume de TiO2, les agrégats de TiO2 étaient plus denses dans ces systèmes que dans les nanocomposites non-compatibilisés. Des mesures rhéologiques non-linéaires ont aussi été effectuées afin d'étudier la microstructure des nanocomposites en-dessous et au-dessus de leur seuil de percolation. Des analyses échelonnées de tests de balayage en déformation ont montré une dimension fractale plus grande pour les systèmes compatibilisés que pour ceux non-compatibilisés, en concordance avec les observations morphologiques. Après avoir déterminé les caractéristiques morphologiques, électriques et rhéologiques des nanocomposites à base de iPP et TiO2 pour différentes compositions, des films nanocomposites basés sur les échantillons se situant au-dessus du seuil de percolation ont été préparés par extrusion de film. Ils ont été uniaxialement étirés pour préparer des films nanocomposites poreux. Les effets de la composition et des différents paramètres d'étirage pendant le procédé, comme la température d'étirage, le taux d'extension et le rapport d'étirage, sur la microstructure finale et les propriétés des films étirés ont été étudiés. Les observations au microscope électronique à balayage (MEB) ont montré que les pores été formés à cause du décollement interfacial entre le PP et les particules de TiO2. La porosité et la taille des pores augmentent lorsque la température d'étirage diminue et lorsque le rapport d'étirage augmente. La surface des pores augmente avec la porosité, fournissant une surface plus grande pour l'adsorption d'un colorant photosensible. Finalement, la fonctionnalité des films nanocomposites poreux comme électrodes pour DSSC a été examinée. Les films ont été sensibilisés avec un colorant inorganique (N719) et utilisés comme photoélectrode dans une structure sandwich DSSC. Les propriétés photo-électrochimiques des cellules ont été analysées par photocourant-tension (J-V) et par spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE). Le photocourant de court-circuit (JSC) ainsi que la tension en circuit ouvert (VOC) augmentent avec le rapport d'étirage des films nanocomposites. Le JSC et la VOC du DSSC des films nanocomposites étirés à 200 % étaient respectivement autour de 0.7 μA/cm2 et de 126 mV et, le taux de remplissage (FF) du système autour de 32 %.  ABSTRACT: High demand for energy due to continuous growth of population, rapid industrial development, depletion of conventional sources of energy, and their environmental impacts necessitate finding new sources of energy. Meanwhile, developing cost-effective and efficient devices to produce cheap, renewable, and clean energies is an interesting topic which has attracted great attention from both industrial and academic researchers. Solar energy is one of the most available sources of renewable energies that can be converted to electricity by solar cell. Among different types of solar cells, Die-Sensitized Solar Cell (DSSC), which consists of low cost materials, has a great potential to produce cost effective solar electricity. The objective of this work is to develop a flexible photoelectrode for DSSC via a cost-effective polymer processing method at relatively low temperatures. Nanocomposites of isotactic polypropylene (iPP) and titanium dioxide (TiO2) containing up to 15 vol% (45.5 wt%) of TiO2 were prepared by multi-pass melt twin-screw extrusion process. Effect of TiO2 nanoparticle content and presence of anhydride modified PP (AMPP), as a compatibilizer, on microstructure of the nanocomposites were investigated. Adding AMPP improved dispersion of the nanoparticles at volume contents less than 5 vol%. However, number and size of TiO2 aggregates in both compatibilized and uncompatibilized nanocomposites containing more than 5 vol% of TiO2 increased enough to result in an interconnected network of TiO2. A micromechanical analysis on the nanocomposites showed that interfacial strength between polymer matrix and TiO2 nanoparticles in the compatibilized nanocomposites were stronger than in the uncompatibilized nanocomposites. Since electrical conductivity of the iPP/TiO2 nanocomposites is an important property required for the photoelectrode application, correlation between microstructure and electrical conductivity of the iPP/TiO2 nanocomposites were studied in the other part of this research. DC electrical conductivity measurements showed lower electrical percolation threshold for the uncompatibilized samples compared to the compatibilized ones. In additional, rheological properties of the nanocomposites resulted in lower rheological percolation threshold for the uncompatibilized system. It was in a qualitative agreement with the results of electrical properties. Quantitatively, rheological percolation thresholds (5-7 vol%) of both uncompatibilized and compatibilized nanocomposites were lower than the electrical percolation thresholds (5.3-7.5 vol%). It was shown that the higher percolation threshold in the compatibilized nanocomposites was due to their better dispersion of the TiO2 nanoparticles compared to the uncompatibilized ones. However, TiO2 aggregates in the compatibilized nanocomposites with TiO2 content above 7.5 vol% were denser than those in the uncompatibilized nanocomposites. It was due to partial phase separation of iPP and AMPP and lower viscosity of the polymer matrices of the nanocomposites. Nonlinear rheological measurements were also performed to investigate microstructure of the nanocomposites below and over their percolation thresholds. Scaling analysis of strain sweep tests resulted in larger fractal dimension for the compatibilized samples confirming the morphological observations. After identifying morphological, electrical, and rheological characteristics of the iPP/TiO2 nanocomposites with different compositions, nanocomposite films based on the samples above the percolation threshold were prepared by film extrusion. They were uniaxially stretched to prepare porous nanocomposite films. Effects of composition and different stretching process parameters such as drawing temperature, extension rate, and stretching ratio on the final microstructure and properties of the stretched films were studied. SEM observation showed that the pores were formed due to interfacial debonding between PP and TiO2. Porosity and average pore size increased by decreasing drawing temperature and increasing stretching ratio. Pore surface area increased with porosity, providing larger area for adsorption of a photosensitive dye. Finally, functionality of the porous nanocomposite films as photoelectrodes for DSSC was examined. The films were sensitized with an inorganic dye (N719) and used as a photoelectrode in a sandwich-like DSSC. Photo-electrochemical properties of the cells were analyzed by photocurrent-voltage (J-V) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Both short circuit photocurrent (Jsc) and open circuit voltage (Voc) increased with stretching ratio of the nanocomposite films. Jsc and Voc of the DSSC based on 200 % stretched nanocomposite films were around 0.7 μA/cm2 and 126 mV respectively and, fill factor (FF) of the system was around 32 %.


identifier: Adhikary, S. (2014). Electric and Magnetic One- And Two-Dimensionally Tuned Parameter-Agile Substrate Integrated Waveguide Components and Devices  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les composants micro-ondes et millimétriques accordables constituent des éléments importants rencontrés dans les systèmes de radiocommunications et radars. En effet, ils donnent la possibilité à ces derniers d'être adaptables et ajustables. Or, ces deux caractéristiques sont importantes puisqu'elles permettent aux systèmes de s'adapter à des changements de leurs spécifications sans avoir à changer leurs circuits. Il peut y avoir en effet plusieurs raisons qui amèneraient à procéder à des modifications de spécifications d'un système : des variations des conditions environnementales (liées à la température, l'humidité, ou encore aux vibrations), et des changements liés à des contraintes de nouveaux clients comme par exemple l'utilisation de nouvelles bandes de fréquence ou de canaux. Il serait vraiment peu efficace d'avoir à reconcevoir l'ensemble du système afin de satisfaire de nouvelles performances. Ainsi, il est important de concevoir le système de façon à ce qu'il puisse s'ajuster ou se corriger pour toutes modifications qui pourraient arriver. Par exemple, si la réponse fréquentielle d'un filtre passe-bas commence à glisser vers des fréquences plus basses avec une augmentation de la température, le système le mettant en oeuvre pourrait ne plus être en mesure de recevoir ou transmettre de l'information dans cette bande de fréquence. Cependant, si le même filtre peut être ajusté en fréquence, il sera alors possible de le corriger et de le refaire fonctionner dans ses spécifications d'origine. Dans la littérature, on trouve de nombreuses méthodes qui permettent de concevoir des éléments et composants ajustables aux fréquences micro-ondes. Les méthodes employées les plus populaires mettent en oeuvre : des composants semi-conducteurs (tels que des diodes varicaps, des diodes PIN et des transistors), des microsystèmes électromécaniques (ou MEMS pour microelectro- mechanical systems), des matériaux ferroélectriques et des matériaux ferromagnétiques. Dans certaines de ces conceptions, des combinaisons de ces différentes méthodes ont également été adoptées afin d'obtenir de meilleures performances. Ce travail présente de nouveaux types de composants micro-ondes ajustables basés sur les Guides d'onde Intégrés au Substrat (GIS). La technologie GIS peut être considérée comme une forme planaire de la technologie guide d'onde conventionnelle, dont elle hérite de la plupart des propriétés. Par exemple, comme pour les guides d'onde conventionnels, les guides GIS sont faibles pertes et peuvent être mis en oeuvre pour de fortes puissances. Bien que le GIS soit similaire au guide d'onde sur de nombreux aspects, il présente une taille et un coût plus réduit.  ABSTRACT: Microwave and millimeter wave tunable devices, circuits and components are one of the most important parts in any communication and radar system design. The tunable devices, circuits and components which are integrated into a system enable it to become more adaptive and flexible in nature. The adaptive and flexible system can be reconfigured to follow the changes that occur into its variable or adjustable specifications without changing its hardware design. There may be several reasons that could lead to the change in the system specifications: changes in the environmental conditions (related to temperature, humidity, and vibration), and changes due to new customer requirements, for example, the inclusion of a new operating frequency band or channel. It would be very impractical to re-design all the system components just to meet the new performance criteria. Hence, it is important to design the system in a way that it can adjust or correct itself for any changes that might occur. For example, if a band-pass filter frequency response begins to drift towards a lower frequency value with the increase in temperature, it might not be able to receive or transmit valuable information at this frequency band. However, if the same band pass filter can be made frequency tunable, it will be able to get self-corrected and bring its frequency response back to the original value. In literature, there are many methods that are used in realizing tunable microwave circuits and components. The most popular methods in the realization of tunable components make use of semiconductor elements and devices (including varactor diodes, PIN diodes, and transistors), micro-electro-mechanical systems (MEMS) switches and capacitors, ferroelectric materials, and ferromagnetic materials. In some of the designs to achieve a better tuning performance, even combinations of two different tuning methods have also been adopted. In this work, new types of microwave tunable devices, circuits and components based on substrate integrated waveguide (SIW) are presented. SIW technology can be considered as a synthesized planar form of rectangular waveguide, and inherits almost all of its properties. For example, similar to rectangular waveguide, SIW is lower in loss, it can be used for higher power applications compared to conventional planar counterparts, and it is lower in cost. Although SIW is similar to rectangular waveguide in many aspects, it holds a significant difference in terms of size. Rectangular waveguide is usually made of hollow metallic tube (rectangular or circular), therefore at a given frequency, its size is much larger than the conventional planar transmission lines (microstrip or coplanar). Thus, even though rectangular waveguide being capable of delivering outstanding RF performance cannot be directly used in realizing compact planar circuits. Since SIW technology inherits almost all the properties of rectangular waveguide and also it is planar in nature, it is an outstanding candidate in realizing microwave and millimeter wave planar integrated circuits. However, SIW is usually fabricated on dielectric substrate, thus its power handling capabilities and its performance in terms of losses are largely dependent upon substrate material used and structure topology. In this work, SIW-based microwave tunable devices, circuits and components using ferromagnetic materials are presented. Ferrites or ferromagnetic material permeability value can be controlled through the application of an external DC magnetic bias. Since the propagation constant of an RF signal is directly proportional to the square root of the material permittivity and permeability. Therefore, any change in the permeability component also changes the propagation constant of the electromagnetic wave. Thus, using ferrite materials allow the realization of very interesting reconfigurable devices. Another important characteristic of ferrite materials is that they display non-reciprocal behaviour. This means that RF signals, propagating in two different directions in the ferrite material can have different characteristic behaviours. This is a very interesting feature, which can be used not only to realize tunable microwave devices, but also devices that are non-reciprocal in nature. Some of the ferrite-based non-reciprocal devices include isolator, gyrator, and circulator. In literature, it can be observed that most of the nonreciprocal and tunable devices using ferrite materials are designed based on rectangular waveguide technology. The low loss and high power handling property of rectangular waveguide make them an attractive candidate in realizing ferrite based tunable devices. Moreover, for a rectangular waveguide operating with dominant TE10 mode, the maximum magnitude of its electric field occurs at the central region, whereas the maximum magnitude of its magnetic field occurs along the sidewalls. This distribution of electric and magnetic fields, allows placing the ferrite materials in the regions of the highest magnetic field without perturbing the electric field distribution. Since the ferrite materials interact strongly with magnetic field, they are usually placed in the regions where the magnetic field concentration is highest. Although rectangular waveguide is a very promising technology in realizing high power magnetically tunable devices, they cannot be readily integrated in a planar form.


identifier: Seifitokaldani, A. (2014). Oxygen Reduction Reaction (ORR) on Mixed Oxy-Nitride Non-Noble Catalyst: AB-Initio Simulation, Elaboration and Characterization  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans ce projet, l'oxy-nitrure de titane (TiOxNy) a été étudié comme un nouvel électro-catalyseur non noble pour la réaction de réduction de l'oxygène (RRO). Une comparaison détaillée entre quatre différentes méthodes de préparation sol-gel a été effectuée pour évaluer les propriétés physicochimiques et électrochimiques des électro-catalyseurs produits. Parmi ces méthodes, un nouveau procédé sol-gel à base d'urée (simplement appelée méthode U) a été introduit pour préparer du TiOxNy à une température relativement basse et une durée relativement faible de recuit. Les matériaux fabriqués par cette nouvelle méthode donnent une activité électro-catalytique de la RRO plus élevée de celle des oxy-nitrures de titane préparés par les autres méthodes. Les électro-catalyseurs, préparés avec différents rapports de N/O, ont montré des propriétés différentes allant d'un comportement très peu conducteurs (faible rapport N/O) pour les matériaux riches en oxygène au comportement plus conducteur et stable chimiquement et électro-chimiquement pour les oxy-nitrures riches en azote (rapport élevé en N/O), respectivement. Généralement, les électro-catalyseurs préparés par la méthode U avaient plus de nitrure de titane dans leurs structures que les électro-catalyseurs préparés par les autres méthodes. Néanmoins, le traitement thermique a un rôle essentiel dans la composition de cette phase la faisant passer de phase ayant une composition en oxyde à celle ayant une composition élevée de nitrure. Selon l'analyse élémentaire effectuée par spectrométrie à dispersion d'énergie (EDS), le pourcentage d'azote dans le matériau est passé de 9 à 24 pour cent en augmentant la température de recuit de 700 à 1100 °C, tandis que le pourcentage d'oxygène diminuait inversement. En outre, sur la base des données de la diffraction des rayons X (XRD), dans le cas de la méthode de U, les pics caractéristiques de TiN ont été détectés, même à des températures de recuit plus basses. L'augmentation de cette température a également fait apparaître des pics beaucoup plus marqués indiquant la croissance de la taille des cristallites. La taille calculée des cristallites a montré que celle des échantillons préparés par la méthode de U (de 20 à 40 nm de diamètre) était presque dans la même gamme de valeurs que celle de la taille des cristallites de TiN pur. La taille des cristallites des échantillons préparés par les autres procédés sol-gel (de 40 à 60 nm de diamètre) était dans la même gamme de la taille des cristallites de TiO2 pur. La microscopie électronique à balayage (MEB) et l'analyseur de surface B.E.T. ont été respectivement utilisés pour évaluer la taille des particules et la surface spécifique des différents échantillons. Ils ont indiqué une plus vi petite taille de particules et donc une surface spécifique plus élevée pour les électro-catalyseurs produits par la méthode U. Outre les caractérisations physicochimiques mentionnées ci-dessus, la voltammétrie cyclique (CV), la polarisation et la spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) ont été utilisées pour évaluer les propriétés électrochimiques des électro-catalyseurs. Les valeurs de la pente de Tafel, la densité de courant d'échange et le potentiel de départ ont révélé que l'électro-catalyseur préparé par le procédé de U et qui a été recuit à 1100 °C, a eu la meilleure activité électro-catalytique de tous les autres échantillons avec une pente de Tafel égale à -203 mV/décade, la densité du courant d'échange autour de 4E-04 mA/mg et le potentiel de départ proche de 0.8 volt par rapport à ENH (électrode normale à hydrogène). Les valeurs obtenues avec la SIE ont également montré que c'est le meilleur électro-catalyseur parce qu'il possède la plus grande capacité spécifique (~ 3.3 F/g). Ce fait est aussi en accord avec la plus grande valeur de sa surface BET et également sa plus faible résistance de transfert de charge. La stabilité chimique et électrochimique est l'un des facteurs déterminants dans le choix d'un électro-catalyseur pour la RRO. À cet égard, l'ICP-TOF-MS a été utilisé pour évaluer la stabilité chimique et électrochimique, sous l'environnement d'acide corrosif, des électro-catalyseurs préparés, en mesurant la concentration du titane dissous après un certain temps. Jusqu'à présent, la mesure de la concentration des métaux dissous par ICP-TOF-MS a été la seule méthode utilisée dans la littérature pour évaluer sa stabilité chimique. Toutefois, dans ce projet, cette technique a été aussi utilisée après beaucoup de balayages de voltammétrie cyclique pour aussi évaluer la stabilité électrochimique de l'électro-catalyseur; ce qui est plus réaliste et plus proche de l'état de fonctionnement de la PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell). La stabilité du meilleur électro-catalyseur avec l'activité électro-catalytique la plus élevée (préparé par le procédé U) est meilleure que l'électro-catalyseur Pt/C utilisé dans le commerce, à la fois chimiquement et électro-chimiquement. La stabilité électrochimique des électro-catalyseurs préparés a également été étudiée à un potentiel oxydant élevé (plus de 2 volts vs NHE). La spectrométrie photoélectronique des rayons X (XPS) a montré que la quantité d'azote à la surface de l'électro-catalyseur a diminué de 11% avant l'oxydation à 5% après l'oxydation. Une diminution de l'activité électro l'activité électro-catalytique pour la RRO a diminué après l'oxydation. Ainsi, diminuer la quantité de nitrure de titane à la surface de l'oxy-nitrure de titane a réduit son activité électro-catalytique. vii Dans la deuxième phase de ce projet, l'activité électro- catalytique du nitrure de titane pour la RRO a été étudiée par le calcul de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Au meilleur de notre connaissance, il n'existe pas d'étude de la chimie quantique théorique et numériques de nitrure de métal de transition comme l'électro-catalyseur dans les piles à combustible PEM. La RRO a été considérée comme ayant lieu en trois différentes étapes séquentielles, à savoir l'adsorption de l'oxygène, la production d'hydroxyde et de désorption de l'eau. Sur la base des résultats de la diffraction des rayons X obtenus sur les meilleurs échantillons préparés qui montrent et qu'ils contiennent TiN(111) et TiN(200) comme les deux principales structures du TiN, la simulation a été sur la surface de ces deux structures. La simulation a été effectuée avec le logiciel «Vienna ab initio Simulation Package (VASP)» sur la base des ensembles de fonctions d'ondes planes aux conditions périodiques limites et qui intègre la description des interactions entre les électrons. La comparaison des énergies d'adsorption des espèces liées à la RRO a prouvé l'existence d'une forte adsorption dissociative de l'oxygène sur le TiN(111) quelles que soient les sites d'adsorption. Toutefois, en raison d'une adsorption de OH relativement forte sur TiN(111), cette surface a perdu les sites actifs pour procéder à la RRO, tandis que sur la surface du TiN(200), la production et la désorption d'eau s'effectuent presque facilement. La densité d'états électroniques (DEE) a été obtenue pour calculer le centre de la bande d et le remplissage fractionnaire dans des situations différentes. Considérant la possibilité d'adsorption sur des sites pont et de haut de la TiN(200), ces informations indiquent que la production d'hydroxyde et la désorption de l'eau sont les mesures déterminantes pour la RRO en site pont et sommet, respectivement. Par conséquent, il est révélé que le TiN, spécialement TiN(200) a une activité électro-catalytique pour la RRO. La perte de ce composant de la surface de l'oxy-nitrure de titane a provoqué la diminution de son activité électro-catalytique.  ABSTRACT: In this project, titanium oxy-nitride (TiOxNy) has been studied as a new non-noble electro-catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR). A comprehensive comparison between four different sol-gel methods was carried out to evaluate the physicochemical and electrochemical properties of the produced electro-catalysts. Among them, a new urea-based sol-gel method (simply called U method) is introduced to prepare TiOxNy at a fairly low temperature and duration, with higher electro-catalytic activity for the ORR. The prepared electro-catalysts with different N/O ratios showed different properties from a less conductive behavior in oxygen-rich (low N/O ratio) materials to more conductive electro-catalyst behavior in nitrogen-rich (high N/O ratio) oxy-nitrides, respectively. Generally, electro-catalysts prepared by the U method had more titanium nitride in their structures than the electro-catalysts prepared by the other methods. Nevertheless, heat treatment had a key role in this phase transferring from having high oxide structure to high nitride structure. According to the elemental analysis done by energy dispersive spectroscopy (EDS), nitrogen percentage in the bulk material increased from 9 to 24 percent by increasing the temperature from 700 to 1100 °C, while the oxygen percentage was decreasing inversely. In addition, based on the X-ray diffraction (XRD) data, in the case of U method, the TiN characteristic peaks were obvious, even at lower temperatures. Increasing the temperature also made the peaks much sharper indicating the growth of the crystallite size. The calculated crystallite size showed the crystallite size of samples prepared by U method (20 to 40 nm) was almost in the same range of the TiN crystallite size, but the crystallite size of the samples prepared by the other sol-gel methods (40 to 60 nm) was in the same range of the TiO2 crystallite size. Scanning electron microscopy (SEM) and B.E.T. surface area analyzer were used to evaluate the particle size and surface area of different samples, respectively. They indicated a smaller particle size and a higher surface area in the electro-catalysts produced by the U method. Besides the aforementioned physicochemical characterizations, cyclic voltammetry (CV), polarization, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were used to evaluate the electrochemical properties of the electro-catalysts. Obtained Tafel slope, exchange current density and onset potential revealed that the electro-catalyst prepared by the U method which was annealed at 1100 °C, had the best electro-catalytic activity among all other samples with Tafel slope of -203 mV/decade, exchange current density around 4E-04 mA/mg and the onset potential ix close to 0.8 volt vs. NHE (normal hydrogen electrode). EIS measurements also supported this assertion through revealing the highest specific capacitance (~ 3.3 F/g). This result was in agreement with the highest B.E.T. surface area and the lowest charge transfer resistance exhibited by this electro-catalyst among the other samples. Stability is one of the determinant factors in selecting an electro-catalyst for the ORR. In this regard, ICP-TOF-MS was used to evaluate the chemical stability of the prepared electro-catalysts under corrosive acidic environment, by measuring the concentration of the dissolved titanium after a certain time. Heretofore, measuring the dissolved metal concentration by ICP-TOF-MS was done just to evaluate its chemical stability. However, in this project this technique was also used during the CV, to evaluate the electro-catalyst's electrochemical stability as well, which is more realistic and similar to the PEMFC's working condition. Stability of the best electro-catalyst with the highest catalytic activity (prepared by the U method) was better than the commercially used Pt/C electro-catalyst, both chemically and electrochemically. Electrochemical stability of the prepared electro-catalysts has also been studied at a high oxidizing potential (more than 2 volts vs. NHE). X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) showed that the nitrogen amount on the surface of the electro-catalyst decreased from 11 % before the oxidation to 5 % after the oxidation, whereas the catalytic activity for the ORR decreased after the oxidation. Thus, decreasing the titanium nitride's amount in the titanium oxy-nitride surface reduced its catalytic activity. In the second phase of this project, electro-catalytic activity of the titanium nitride for the ORR was investigated via a density functional theory (DFT) computation. To the best of our knowledge, there is no theoretical and computational quantum chemistry study of the transition metal's nitride as the electro-catalyst in PEM fuel cells. ORR was considered to take place in three different sequential steps namely oxygen adsorption, hydroxide production and water desorption. Based on the XRD results, TiN(111) and TiN(200) were considered as the two major facets of the TiN. Simulation was done by the Vienna ab initio Simulation Package (VASP) based on the Plane-Wave basis sets and periodic boundary condition, while the PBE exchange-correlational functional was used to describe the interactions among electrons. Comparing the adsorption energies proved existence of a strong dissociative adsorption of oxygen on the TiN(111) regardless of the adsorption sites. However, because of a relatively strong OH adsorption, TiN(111) loses the active sites to proceed the ORR, while on the TiN(200) surface, x water production and desorption came about easily. Electron density of states (DOS) was obtained to calculate the d-band center and fractional filling in different situations. Considering two possible bridge and top adsorption sites on the TiN(200), these information indicated the hydroxide production and water desorption as the rate determining steps for the ORR in bridge and top sites, respectively. Therefore, it was shown that the TiN, specially TiN(200) had exhibited good electro-catalytic activity for the ORR. Losing this TiN amount from the titanium oxy-nitride's surface might be responsible for the decrease of the electro-catalytic activity of the titanium oxy-nitride for the ORR.


identifier: Viale, E. (2014). Étude comparative de cinq dispositifs d'interaction pour les grands écrans tactiles verticaux : tactile direct, pavé tactile, tablette, souris, boules de commande  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette recherche à été réalisée au sein de L-3 MAPPS, une entreprise montréalaise qui conçoit, développe et commercialise des systèmes de simulation et d'entraînement pour les domaines maritime, spatial et énergétique. Certains de ces systèmes font usage d'écrans tactiles de grandes dimensions devant lesquels les opérateurs doivent se déplacer pour les utiliser. L'objectif de cette recherche était d'évaluer la performance et la satisfaction relatives à l'utilisation de six dispositifs d'interaction à l'écran. À noter : il y a cinq types de dispositifs, mais l'un d'eux comprenant deux modèles, six dispositifs ont finalement été évalués. C'est pourquoi dans le reste du document, il est question de six dispositifs. L'hypothèse formulée est que l'utilisation d'un dispositif d'interaction déporté (c'est-à-dire placé à distance du Grand Écran Vertical Tactile (GETV)) comparativement à une commande tactile directe améliore significativement la performance à la tâche de pilotage d'un curseur sur un écran tactile de grandes dimensions disposé verticalement. Pour tester cette hypothèse, on a comparé la performance et la satisfaction humaine relatives à l'utilisation de six dispositifs de pointage suivant la méthodologie proposée par ISO 9241-9 (International Standards Organization [ISO], 2000). La partie 9 de cette norme (Exigences relatives aux dispositifs d'entrée autres que les claviers) définit un essai d'utilisabilité de façon à permettre d'évaluer la précision atteinte pour le test de frappe par unité de temps (débit), le taux de cibles atteintes par rapport au total de cibles (taux d'erreur), et la satisfaction liée à l'utilisation d'un dispositif de pointage. Les six dispositifs retenus pour l'étude sont : un GETV de diagonale 46 pouces, une tablette tactile de diagonale 12 pouces, un pavé tactile (plus communément appelé trackpad), une souris, et deux modèles de boule de commande : un modèle militarisé, et un modèle commercial. Chaque dispositif a été testé suivant six conditions expérimentales différentes : deux types de tâches (multidirectionnelle et unidirectionnelle) et trois niveaux de difficultés (par variation de la taille des cibles). La tâche multidirectionnelle consistait à frapper 24 cibles apparaissant successivement sur un cercle. La tâche unidirectionnelle consistait à frapper 24 cibles apparaissant successivement de part et d'autre de l'écran.  ABSTRACT: This study is based off a research carried out at L-3 MAPPS, Montréal. L-3 MAPPS is a company that designs, develop and sells simulation and training systems for the the naval, spatial and energy industries. Some of those systems use large touch screens requiring the user to move during use. The initial goal of this work was to evaluate alternative interaction methods for the pointing devices currently employed by the company. The starting hypothesis states that the use of a remote pointing device (as in placed at some distance from the Large Vertical Touch Screen (LVTS)), when compared with a touch command significantly improves the performances for a pointing task on a large vertical screen. To test this hypothesis, a comparative experimental study following the methodology prescribed by ISO 9241-9 standard (International Standards Organization [ISO], 2000) was conducted. Section 9 of this standard (Requirements for non-keyboard input devices) defines a usability test allowing the evaluation of a pointing device in terms of speed, error rate, and user satisfaction (measured as throughput, error rate, and satisfaction rate, respectively). The six pointing devices selected for this study are : a LVTS, a touch screen tablet, a touchpad, a mouse, and two trackball models. The six experimental conditions were defined by two task types (multi and unidirectional) and three difficulty levels (defined by target size). For the multidirectional task the subjects hit 24 successive targets distributed on a circle. For the unidirectional task the subjects hit 24 successive targets on the left and right of the screen. Twenty subjects participated in this study. All subjects tested each device in each of the six conditions, resulting in 36 series for each subject. The results of this study show that, comparatively to the other devices, the LVTS comes 3rd in throughput (with 2,31 bits/s against 4,66 for the tablet, fastest device), 5th in error rate (with 17,62% against 8,73 for the mouse, most reliable device), and 6th in satisfaction rate. We conclude that seeking better interaction methods for the LVTS is not only legitimate, but desirable. Furthermore, amongst the other touch pointing devices evaluated, we notice a significant speed advantage for the tablet (high throughput with 4,66 bits/s against 2,31 for the LVTS, second fastest touch device), and a significant reliability advantage for the touchpad (low error rate with 10,51% against 17,62 for the LVTS, second most reliable touch device). Finally, the mouse remains the overall best performing device, whether in throughput or error rate.


identifier: Arguin, M. (2014). Contrôle de l'alignement des nanotubes de carbone multiparois à l'intérieur d'un polymère et d'un matériau composite multi-échelles à l'aide d'un champ électrique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux composites possèdent de très bonnes propriétés mécaniques tout en étant extrêmement légers, ce qui fait d'eux un excellent choix pour remplacer les structures métalliques des aéronefs. Ces matériaux possèdent cependant une conductivité électrique faible comparée aux métaux, limitant leur utilisation pour des applications électriques telles que les systèmes de retour de courant. Les composites à fibres de carbone, par exemple, possèdent une conductivité électrique dans le sens des fibres relativement élevée, mais la résistance entre les plis réduit la conductivité électrique à travers l'épaisseur par un facteur 1000. Cela résulte à une mauvaise diffusion du courant dans l'épaisseur et une génération de chaleur lorsqu'un courant électrique est injecté dans un panneau. Pour cette raison, la conductivité électrique des composites doit être améliorée pour que ces matériaux soient utilisés pour des applications électriques. Ce mémoire présente une méthode pour améliorer la conductivité électrique des composites dans un sens préférentiel, c'est-à-dire perpendiculaire aux plis. Ainsi, des nanotubes de carbones (NTCs) multiparois ont été intégrés à la matrice du composite pour fabriquer des composites multi-échelles. Un champ électrique a été utilisé pour contrôler la distribution des NTCs. Les expériences d'alignement sur l'époxy renforcé à 0.01 % massique ont montré une réduction de la résistivité électrique par quatre ordres de grandeur. Cette baisse de résistivité est associée à la formation d'une microstructure filamentaire allant d'une électrode à l'autre, créant un chemin de conduction préférentiel. Par la suite, le procédé de « hand lay-up » a été modifié afin de permettre l'application d'un champ électrique pendant la fabrication de composites. Ainsi, en appliquant un champ de 60V/mm, il a été possible d'améliorer la conductivité électrique à travers l'épaisseur du matériau par 36 % et 99 % en utilisant une concentration de NTCs de 0.01 % et 0.1 % massique, respectivement. Cette amélioration, plutôt modeste, ne permet pas encore d'atteindre une diffusion du courant suffisante, mais il s'agit d'une méthode potentielle pour y parvenir. Enfin, ce projet montre le potentiel d'utiliser un champ électrique pour aligner des NTCs et ainsi augmenter la conductivité électrique des composites multiéchelles tout en gardant une concentration massique faible de nanoparticules. De plus, cette méthode à l'avantage d'être facilement exploitable avec différents procédés de fabrication des composites couramment utilisés dans l'industrie.  ABSTRACT: Composite materials are lightweight and have very good mechanical properties which make them a good alternative to metallic structures traditionally used in aircraft. However, these materials have a very low electrical conductivity compared to metal which limits their use for electrical application such as current return network. For example, carbon fiber composites have relatively good in-plane conductivity but a resistance between each ply, generated by the epoxy, reduced the conductivity through the thickness of the material by a thousand. The anisotropy results in a poor current diffusion through each layer of the composite and heat generation at surface when an electric current is applied on a composite panel. For this reason, the electrical conductivity of carbon fibers composite must be improved to be used for electrical applications. This thesis shows a new procedure to enhance the electrical conductivity of composite material in a preferential way (i.e., through the thickness). Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were added to the epoxy matrix of a composite to create multiscale composite. An electric field was also used to control the global distribution of the NTCs. Alignment results made on a UV epoxy reinforced with 0.01wt.% of MWCNTs showed a decrease of the resistivity by four orders of magnitude. This decrease of resistivity was also associated with formation of a filamentary microstructure that goes from one electrode to the others creating preferential conduction pathways. Afterwards, a hand lay-up process was modified to incorporate electric field alignment during the manufacturing of the composite. An improvement of the conductivity of 36% and 99% were obtained when an electric of 60V/mm were used to align the nanoparticles in multiscale composites containing 0.01wt.% and 0.1wt.% of MWCNTs, respectively. However, these modest improvements were still not enough to reach a complete current diffusion through the thickness but this technique is still a potential way to achieve it. Finally, the project shows the potential of using electric field induced alignment of the MWCNTs to improve the conductivity of multiscale composite. Furthermore, this technique has the advantage to be suitable to other common manufacturing processes using in the industry.


identifier: Cadieux, C. (2014). Microstructure et propriétés électriques de l'oxyde de vanadium pour les microbolomètres  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les avancées technologiques dans le secteur des microsystèmes permettront dans un avenir rapproché la production à grande échelle de caméras infrarouges. La chute des prix engendrée par la production de masse des microbolomètres rendra possible leur application dans une gamme de nouveaux secteurs. L'oxyde de vanadium déposé par pulvérisation cathodique est le matériau actif de choix puisque de nombreux groupes de recherche ont réussi à en tirer des propriétés électriques permettant une bonne sensibilité des caméras infrarouges. Cependant, le nombre de phases possibles et la nature instable du dépôt par pulvérisation cathodique réactive entraînent de nombreuses contradictions dans la littérature quant à la structure souhaitée du matériau. Dans cette optique, des couches minces d'oxyde de vanadium ont été déposés et caractérisés afin d'identifier l'impact des paramètres de dépôt sur la microstructure et les propriétés électriques. L'état d'oxydation du système de dépôt, la polarisation du substrat, la pulsation à la cible, la température du substrat, l'épaisseur des couches et la puissance ont été variés de façon indépendante afin d'identifier leur impact sur la microstructure. Les couches déposées ont été caractérisées par diffraction des rayons X, spectroscopie par rétrodiffusion de Rutherford, spectrométrie des rayons X, microscopie électronique en balayage, microscopie électronique en transmission, microscopie à force atomique, réflectométrie spectrale, interférométrie optique et caractérisation électrique quatre pointes et Van Der Pauw. Les conditions du système de dépôt utilisé ne permettent pas de déposer les phases dont la composition se situe entre le V2O5 et le V7O3 à cause de l'instabilité de l'empoisonnement de la cible de pulvérisation. Puisque les couches déposées en mode oxydé avec une forte polarisation du substrat rendent les meilleures propriétés, leur mécanisme de croissance a été étudié plus en profondeur. Dans ces conditions, les ions incidents sont assez énergétiques pour déplacer les atomes de la couche, sans toutefois repulvériser celle-ci. Une relation complexe entre la microstructure, la température et l'épaisseur est observée. À travers l'épaisseur de la couche, le matériau est tout d'abord amorphe, puis une sous-couche quasi monocristalline germine, avant de céder à une sous-couche polycristalline comprenant du V3O7 lorsque déposé à haute température. Ces regerminations, également observées dans la littérature, peuvent être attribuées à une accumulation des centres de germination, à l'accumulation de contraintes, et au chauffage du substrat par le bombardement ionique.  ABSTRACT: Recent technological breakthroughs in the fabrication of microsystems will soon allow the mass production of infrared cameras. Subsequent price cut will open many new sectors of application. Because of its electrical properties, sputtered vanadium oxide has already been identified as the leading candidate for the active material of microbolometers. However, the large number of different crystallographic phases, as well as the instable nature of reactive sputtering, have led to numerous contradictions in the existing literature. With the objective of understanding the impact of the deposition parameters on the microstructure, and of the microstructure on the electrical properties, vanadium oxide thin films have been deposited and characterised. In order to study their impact on the microstructure, oxidation state and pulse at the target, substrate bias and temperature, power, and film thickness were varied independently. The resulting thin films have been characterised by X-ray diffraction, Rutherford backscattering spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, atomic force microscopy, spectral reflectometry, optical interferometry as well as four-point probe and Van Der Pauw electrical measurements. Because of the instability of the poisoning regime, the actual system configuration forbids the deposition of phases with composition between V3O7 and V7O3. Films deposited under a strong bias in the poisoned regime having the best properties, their growth mechanism has been thoroughly investigated. Under those conditions, the bombarding ions are energetic enough to modify the structure of the underlying thin film without resputtering it. A complex relation linking temperature, thickness and microstructure is observed. As the thickness is increased, the structure changes from amorphous, to almost monocristalline V2O5 (001) oriented, to polycristalline. For higher deposition power, the polycristalline section contains V3O7 in addition to the multiple orientations of V2O5. Those germinations which have already been observed but not explained in literature can be attributed to the accumulation of germination centers, a stress buildup for the crystalline sections, and a substrate heating caused by the ions bombardment. This last effect is also suggested to be the cause of the amorphous phase crystallisation for the films with longer deposition times. Films deposited at different temperatures show the same microstructure transitions. Two different behavior regimes can be proposed as function of the adatoms' energy.


identifier: Frenette, E. (2014). Développement d'une méthode hybride pour le suivi du cœur et la gestion du combustible  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie nucléaire des réacteurs de type CANDU utilisent des méthodes de calcul neutronique (Suivi du coeur, Gestion de combustible) qui sont généralement considérées dépassées et qui ne reflètent pas les derniers développements dans le domaine neutronique. Ainsi, le logiciel actuel utilisé par le groupe physique du réacteur à la centrale Gentilly-2, HQSIMEX 3, repose sur des sections efficaces macroscopiques (méthode « grid-based ») calculées par deux méthodes : - La formule des « 4 facteurs », technique obsolète dont l'origine remonte aux années 1950 - Le logiciel WIMS, basé sur l'utilisation de sections efficaces microscopiques Parmi d'autres, l'approche « history-based » est considérée comme une de méthode plus précise mais beaucoup plus lourde en terme de coût de calcul. Réaliser un suivi de coeur avec la méthode « history-based » pour un réacteur CANDU entier est inconcevable en date d'aujourd'hui avec les ordinateurs actuels, pour des raisons de coût de calcul. L'objectif de cette recherche est de proposer une stratégie qui combine les méthodes d'interpolation de la méthode « grid-based » et le suivi rigoureux de l'irradiation de tous les isotopes combiné aux conditions locales et globales par la méthode « history-based ».  ABSTRACT: The nuclear industry of CANDU reactors uses neutron physics methodologies (core follow-up, fuel management) that are considered out of date and do not reflect the latest developments in the field of neutronics. For instance, the software used by the reactor physics team in Gentilly-2, HQSIMEX 3, uses macroscopic cross sections (“grid-based” approach) calculated by two methods: - The “four factors” formula, an obsolete technique used in 1950 - The WIMS software, based on a microscopic cross section library Among other method, the history-based approach is considered more precise but requires greater computing time. Processing a whole CANDU core follow-up through the history-based approach is not possible as of today with the actual computers, due to computing cost issues. The main goal of this research is to come up with a new strategy that will combine the interpolation technique of the “grid-based approach” with the isotopic depletion follow-up of the “history-based” approach.


identifier: Batchabani, E. (2014). Nouvelle approche pour le dimensionnement et l'optimisation de la gestion des réservoirs et de la qualité de l'eau potable dans les réseaux de distribution  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les Réseaux de Distribution d'Eau Potable (RDEP) sont traditionnellement conçus sans intégrer les réservoirs dans le processus d'optimisation, malgré les nombreux avantages que ces réservoirs apportent à l'exploitation des réseaux. Ces avantages incluent la gestion efficace des demandes, la continuité de la distribution d'eau en cas de défaillance du système, la lutte contre les incendies ou la modulation des débits de pompage. Lorsque bien conçus et bien placés dans les systèmes de distribution, les réservoirs permettent d'améliorer les performances globales de ces systèmes. Cependant, la conception des réservoirs est complexe du fait que plusieurs facteurs sont à considérer avec plusieurs variables mises en jeu. L'approche traditionnelle utilisée pour la conception des réservoirs dans les réseaux de distribution consiste à opérer un choix manuel de l'emplacement et l'élévation pour le réservoir, suivi de l'optimisation des conduites, le volume du réservoir étant manuellement déterminé après une simulation de longue durée ou avec les guides techniques. Cette approche permet seulement un nombre limité d'essais sur l'emplacement du réservoir, son élévation ou son volume avant le choix. Elle ne permet donc pas d'explorer adéquatement l'espace des solutions et il devient très difficile d'utiliser cette approche pour les grands réseaux nécessitant beaucoup d'efforts avant de trouver une solution faisable. La tendance générale dans cette approche est de recourir à des réservoirs de grandes dimensions supposés hydrauliquement sécuritaires pour les réseaux mais qui peuvent se révéler problématiques en ce qui concerne la qualité de l'eau distribuée. Ce projet de recherche a pour but le développement d'un modèle d'optimisation multiobjective des réseaux de distribution d'eau potable capable de prédire la nécessité d'introduction ou non d'un ou de plusieurs réservoirs dans le réseau ainsi que les emplacements de ces éventuels réservoirs.  ABSTRACT: Water Distribution Networks (WDN) are traditionally designed without integrating tanks in the optimization process, despite the numerous benefits tanks bring to network operation. These benefits include efficient demand management, water supply in case of system failure, fire fighting or the modulation of pump flow rate. When properly designed and located, storage tanks are a cost-effective means of improving overall network performance. However, tank design is complex because several factors are to be considered with several variables involved. The traditional approach to design tanks in distribution systems is to introduce the tank into a WDN at a predetermined location and elevation (manual selection), followed by pipe optimization, the tank volume being decided through extended-period simulation (manual check) or by guidelines. This approach allows for only a limited number of trials on tank location, elevation and storage prior to selection. It does not adequately explore the solution space and it becomes very difficult to use this approach for large networks requiring much effort before finding a feasible solution. This approach tends to implement large water tanks which are supposed hydraulically safe for water distribution systems. Those large tanks can however be a source of trouble regarding the quality of the water provided to the citizens. This research project aims to develop a model for multi-objective optimization of water distribution systems that is able to predict the need for the introduction or not of one or more tanks in the network and the locations of these potential tanks.