identifier: Ben Ftima, M. (2013). Utilisation de la méthode des éléments finis non-linéaires pour la conception des structures en béton armé: application aux structures massives  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse non-linéaire par éléments finis constitue un outil numérique de pointe pour l'analyse des éléments en béton armé. Elle permet de reproduire le comportement fragile du béton après fissuration et constitue dans certains cas la seule alternative aux essais expérimentaux pour la prédiction précise du comportement des structures en béton. Jusqu'à date, cet outil a surtout été utilisé pour la reproduction de résultats d'essais expérimentaux simples – tirants, poutres et dalles en béton armé – et a rarement été utilisé pour l'analyse ou encore la conception de structures complexes en béton armé. Plusieurs raisons ont contribué à cela. La difficulté de la mise en oeuvre de telles analyses pour les structures complexes constitue le premier obstacle : temps de calcul important par rapport aux analyses linéaires, taille énorme des modèles de calcul et problèmes de convergence liés à la fissuration du béton. La deuxième raison est liée à la complexité du matériau béton et l'existence de plusieurs modèles de bétons issus de différentes théories de la littérature. Finalement, l'absence d'efforts pertinents au niveau de la littérature pour le passage des résultats de ces analyses jusqu'au dimensionnement et au calcul final des armatures a largement contribué à l'intérêt mitigé pour de telles analyses coûteuses. Le présent travail présente des solutions pour ces problèmes avec comme application le domaine des structures massives en béton armé. L'approche de résolution explicite en mode quasi-statique est présentée dans ce travail comme une solution au premier problème et est utilisée comme alternative à l'approche conventionnelle implicite. À travers des exemples d'application réels issus du milieu industriel, on montre que l'analyse de modèles complexes est rendue possible avec cette méthode et que le temps de calcul peut être déterminé à l'avance.  ABSTRACT: Nonlinear finite elements for concrete structures have seen a remarkable advancement in the last half century with more emphasis on constitutive modelling of reinforced and non-reinforced concrete. Applications were restricted to the analysis of simple structures (beams, columns, slabs …etc.), comparisons to experimental tests, and rarely extended to the design of complex structures. Many reasons lie behind this fact. The first is the difficulty to implement such analyses for complex structures: large computation time with respect to conventional linear analyses, and convergence problems generally related to concrete softening. The second important reason is the complexity of the concrete material and the existence of a multitude of models and theories in the literature. Finally, there is a lack in the literature and international codes concerning the reliability framework and the limit state design using nonlinear analyses. The current work presents solutions to these issues and applications in the field of large reinforced concrete structures. To address the first problem, the quasi-static explicit solver algorithm is presented in this work, as an alternative to the conventional static implicit solver. Effectiveness of the explicit solver algorithm compared to the standard implicit one is demonstrated. It is shown through validations that, analysis of complex models with highly non-linear behaviour is being possible without the need for iterations. To address the second and third problems, a methodology that uses nonlinear finite elements analysis for determining a global resistance factor for the design of reinforced concrete structures is suggested.


identifier: Shebib Loiselle, V. (2013). Fabrication par injection flexible de pièces coniques pour des applications aérospatiales  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux composites sont présents dans les tuyères de moteurs spatiaux depuis les années soixante. Aujourd'hui, l'avènement des tissus tridimensionnels apporte une solution innovatrice au problème de délamination qui limitait les propriétés mécaniques de ces composites. L'utilisation de ces tissus nécessite toutefois la conception de procédés de fabrication mieux adaptés. Une nouvelle méthode de fabrication de pièces composites pour des applications aérospatiales a été étudiée tout au long de ce travail. Celle-ci applique les principes de l'injection flexible (procédé Polyflex) à la fabrication de pièces coniques de fortes épaisseurs. La pièce de validation à fabriquer représente un modèle réduit de pièce de tuyère de moteur spatial. Elle est composée d'un renfort tridimensionnel en fibres de carbone et d'une résine phénolique. La réussite du projet est définie par plusieurs critères sur la compaction et la formation de plis du renfort et sur la formation de porosités de la pièce fabriquée. Un grand nombre d'étapes ont été nécessaires avant la fabrication de deux pièces de validation. Premièrement, pour répondre au critère sur la compaction du renfort, la conception d'un outil de caractérisation a été entreprise. L'étude de la compaction a été effectuée afin d'obtenir les informations nécessaires à la compréhension de la déformation d'un renfort 3D axisymétrique. Ensuite, le principe d'injection de la pièce a été défini pour ce nouveau procédé. Pour en valider les concepts proposés, la perméabilité du renfort fibreux ainsi que la viscosité de la résine ont dû être caractérisées. À l'aide de ces données, une série de simulations de l'écoulement pendant l'injection de la pièce ont été réalisées et une approximation du temps de remplissage calculée. Après cette étape, la conception du moule de tuyère a été entamée et appuyée par une simulation mécanique de la résistance aux conditions de fabrication. Également, plusieurs outillages nécessaires pour la fabrication ont été conçus et installés au nouveau laboratoire CGD (composites grandes dimensions). En parallèle, plusieurs études ont été effectuées pour comprendre les phénomènes influençant la polymérisation de la résine.  ABSTRACT: Composite materials are used in building space rocket motor since the 60's. Recently, the introduction of three-dimensional tissues in composite material fabrication has improved the mechanical properties by reducing the delamination problem. The use of these tissues though requires the elaboration of new and better adapted fabrication processes. Throughout this work, a new process for aerospace application has been studied. This method applies the flexible injection technique (Polyflex process) for the elaboration of conical parts of great thickness. The validation part represents a scale model of a space rocket motor nozzle part. It is composed of a three-dimensional carbon fibre reinforcement and a phenolic resin. The success of the study was defined by several criteria on compaction level and fold formation in the reinforcement and on specific porosity values in the fabricated part. In order to make two validation parts, several steps were necessary. First, to meet the compaction criteria, a compaction tool has been designed and compaction of reinforcement studied. Hence, it helped the understanding of the compaction of 3D axisymmetric reinforcement. Then, the injection technique of the new process has been elaborated. The permeability of the carbon fiber reinforcement and the viscosity of the resin were characterized to validate the concepts used with a numerical simulation of the resin flow inside the mold. The simulation has also given an approximation of the filling time. After this step, the mold has been designed using mechanical simulation in order to validate the strength at the fabrication conditions. Also, specific equipments for the process have been created and upgraded for the installation of the fabrication site. Simultaneously, several studies have been made to comprehend the phenomena influencing the polymerisation of the resin. The trials in DSC (differential scanning calorimetry) and in rheometry have given important information for an adequate processing of the resin. Furthermore, tests on a small mold with a sight glass have shown the influence of the degasing step on the porosity quantity in the parts.


identifier: Larumbe, F. (2013). Planning and Management of Cloud Computing Networks  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'évolution de l'internet a un effet important sur une grande partie de la population mondiale. On l'utilise pour communiquer, consulter de l'information, travailler et se divertir. Son utilité exceptionnelle a conduit à une explosion de la quantité d'applications et de ressources informatiques. Cependant, la croissance du réseau entraîne une importante consommation énergétique. Si la consommation énergétique des réseaux de télécommunications et des centres de données était celle d'un pays, il se classerait 5e pays du monde. Pis, le nombre de serveurs dans le monde devrait être multiplié par 10 entre 2013 et 2020. Ce contexte nous a motivé à étudier des techniques et des méthodes pour affecter les ressources d'une façon optimale par rapport aux coûts, à la qualité de service, à la consommation énergétique et `a l'impact écologique. Les résultats que nous avons obtenus minimisent les dépenses d'investissement (CAPEX) et les dépenses d'exploitation (OPEX), réduisent d'un facteur 6 le temps de réponse, diminuent la consommation énergétique de 30% et divisent les émissions de CO2 par un facteur 60. L'infonuagique permet l'accès dynamique aux ressources informatiques comme un service. Les programmes sont exécutés sur des serveurs connectés `a l'internet, et les usagers peuvent les utiliser depuis leurs ordinateurs et dispositifs mobiles. Le premier avantage de cette architecture est de réduire le temps de mise en place des applications et l'interopérabilité. En effet, un nouvel utilisateur n'a besoin que d'un navigateur web. Il n'est forcé ni d'installer de programmes sur son ordinateur, ni de posséder un système d'exploitation spécifique. Le deuxième avantage est la disponibilité des applications et de l'information de fa ̧con continue. Celles-ci peuvent être utilisées `a partir de n'importe quel endroit et de n'importe quel dis- positif connecté `a l'internet. De plus, les serveurs et les ressources informatiques peuvent être affectés aux applications de fa ̧con dynamique, selon la quantité d'utilisateurs et la charge de travail. C'est ce que l'on appelle l'élasticité des applications.  ABSTRACT: The evolution of the Internet has a great impact on a big part of the population. People use it to communicate, query information, receive news, work, and as entertainment. Its extraordinary usefulness as a communication media made the number of applications and technological resources explode. However, that network expansion comes at the cost of an important power consumption. If the power consumption of telecommunication networks and data centers is considered as the power consumption of a country, it would rank at the 5th place in the world. Furthermore, the number of servers in the world is expected to grow by a factor of 10 between 2013 and 2020. This context motivates us to study techniques and methods to allocate cloud computing resources in an optimal way with respect to cost, quality of service (QoS), power consumption, and environmental impact. The results we obtained from our test cases show that besides minimizing capital expenditures (CAPEX) and operational expenditures (OPEX), the response time can be reduced up to 6 times, power consumption by 30%, and CO2 emissions by a factor of 60. Cloud computing provides dynamic access to IT resources as a service. In this paradigm, programs are executed in servers connected to the Internet that users access from their computers and mobile devices. The first advantage of this architecture is to reduce the time of application deployment and interoperability, because a new user only needs a web browser and does not need to install software on local computers with specific operating systems. Second, applications and information are available from everywhere and with any device with an Internet access.


identifier: Farag, S. (2013). Production of Chemicals by Microwave Thermal Treatment of Lignin  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce travail a pour but d'étudier le potentiel de convertir un des composants de la biomasse lignocellulosique, la lignine, en produits à valeur ajoutée en utilisant la pyrolyse assistée par microondes (MWP). Pour atteindre cet objectif, plusieurs étapes ont été franchies. Nous avons tout d'abord réussi à prédire les profils de température au sein d'un matériau exposé aux ondes électromagnétiques (EMW) à l'aide d'un modèle mathématique tridimensionnel. Ensuite, un TGA-microondes (MW-TGA) original a été développé et mis en œuvre pour l'étude cinétique. Subséquemment, une comparaison entre la pyrolyse assistée par microondes et conventionnelle a été réalisée. L'étude structurelle détaillée de la bio-huile produite via MWP de la lignine kraft a été discutée en troisième étape. Finalement, un modèle cinétique des produits de la MWP ainsi que des produits chimiques extraits de la lignine kraft a été mis en place.  Tout d'abord, un modèle mathématique tridimensionnel a été présenté pour simuler le profil de température à l'intérieur d'un matériau exposé aux ondes électromagnétiques à 2.45 GHz. Les applications de COMSOL-Multiphysics ont permis de simuler le profil de température transitoire pour la pinède, le carbone, le Pyrex et des combinaisons de ces matériaux sous différentes conditions. Les résultats prédits ont été comparés aux données expérimentales pour la validation du modèle. Cette étude nous a permis de conclure que le chauffage microondes (MWH) induit à une distribution non-uniforme de la température dûment à la longueur de pénétration (Dp) et à la perte surfacique de chaleur. Toutefois, le gradient de température peut être minimisé significativement si l'on réduit les dimensions du matériau exposé à deux fois la Dp et l'on place un bon isolant thermique à sa surface. Le positionnement des matériaux avec forte/faible capacité de convertir la radiation microonde en chaleur pourrait favoriser des zones chaudes/froides désirées à l'intérieur du matériau chauffé, ce qui permet un profil spécifique de température. En outre, l'addition de matériaux de forte capacité de convertir les microondes en chaleur à la charge permet d'atteindre des températures beaucoup plus importantes comparées au cas du matériau seul exposé à la même puissance et temps de chauffage. Les discussions présentées dans cette étude visent à améliorer l'état de l'art par rapport aux profils de température dans un matériau composite soumis au chauffage microondes ainsi qu'à développer une approche pour influencer/contrôler ces profils de température selon la sélection des matériaux. L'objectif principal de la deuxième étape est d'étudier la cinétique de la MWP versus la pyrolyse conventionnelle (CP). Pour ce faire, un MW-TGA original a été construit et équipé d'un thermomètre novateur. Ce thermomètre est exempt des désavantages des thermomètres traditionnels dans le cas du MWH. Ainsi, le travail expérimental impliquant la MWP et la CP de la sciure de bois a été accompli. Des programmes MATLAB® ont été développés pour estimer les paramètres cinétiques, à savoir l'énergie d'activation, le facteur pré-exponentiel ainsi que l'ordre de la réaction (Ea, ko, et n, respectivement). Nous avons essentiellement conclu de ce travail que la MWP a une vitesse de réaction plus importante que celle de la CP. Ceci peut s'expliquer par le fait que les EMW oscillantes ont engendré un mouvement chaotique plus aigu des molécules ce qui influence le paramètre ko. Malgré cet effet remarquable sur ce ko, l'énergie d'activation demeure presque constante dans les deux cas. La possibilité de l'influence directe des ondes sur les liaisons intermoléculaires semble être ténue vu que la longueur des ondes est beaucoup plus grande que la distance intramoléculaire. Ce résultat est aussi puissant qu'il permettrait d'interpréter une grande majorité des effets du MWH reportés dans différentes réactions.  La troisième étape présente une analyse détaillée de la structure des huiles produites par MWP de la lignine kraft. L'effet de deux paramètres a été évalué : (1) l'ajout d'un bon convertisseur de microondes-en-chaleur (noir de carbone) entre 20 et 40 wt%, et (2) la puissance nominale des microondes entre 1.5 et 2.7 kW. Cinq combinaisons pour ces deux variables ont été choisies pour lesquelles la radiation microondes a été gardée pendant 800 s. Les températures finales atteintes, mesurées en tant que valeur moyenne spatiale, étaient 900, 980, 1065, 1150, et 1240 K. Les rendements en produits de pyrolyse, solides, gaz condensables, et gaz non-condensables ont été comparés pour les conditions opératoires étudiées. Les gaz condensables collectés ont été séparés selon une phase-huile, prédominée de produits chimiques, et une phase aqueuse contenant surtout de l'eau et ayant une densité moindre que la phase-huile. Les résultats obtenus montrent que l'augmentation de la vitesse de chauffe et de la température finale induit une augmentation du rendement en produits liquides. Les produits identifiés dans les huiles par GC-MS étaient majoritairement aromatiques : gaïacols, phénols, and catéchols. Toutefois, autour de 60 wt% n'a pas pu être identifié par GC-MS d'où le recours à la spectroscopie RMN 31P et 13C offrant plus de détails sur la composition structurelle des huiles. Selon l'analyse RMN, 80% du carbone détecté dans la phase-huile était un carbone aromatique. Les groupes hydroxyliques aliphatiques perçus dans la matière première ont été éliminés significativement dans l'huile; ceci est attribué à la formation provisoire de la molécule d'eau pendant la MWP. La concentration en groupes hydroxyliques phénoliques C5 substitués/condensés a baissée en faveur des groupes gaïacol, p-hydroxyphenyl, et catéchol hydroxyle. Un cheminement de dégradation détaillé pour chacune de ces conversions a été suggéré. Une telle étude est essentielle à la compréhension du cheminement de dégradation ainsi qu'à la composition structurelle des huiles de pyrolyse.   La quatrième étape fait l'objet d'une étude cinétique pour la MWP de la lignine kraft en appliquant des modèles tridimensionnels. Pour atteindre cet objectif, le MW-TGA utilisé pour la deuxième étape a été modifié et utilisé. Les modifications apportées ont permis de séparer les gaz produits (condensables et non-condensables) en sept parties. Le matériau convertisseur de microondes-en-chaleur a été ajouté à 30 wt% de la masse totale et la puissance nominale était de 2.1 kW. Le premier modèle considère la conversion de la matière première en solide, gaz condensable et gaz non-condensable en considérant que chaque produit est un bloc individuel. Dans le second modèle, le liquide est séparé en huile, contenant que des produits chimiques et 0% d'eau, et en eau ne contenant aucun produit chimique. Les produits sont ainsi l'huile, l'eau, les gaz non-condensables et le solide. De plus amples recherches ont été réalisées dans le troisième modèle en analysant l'huile produite par GC-MS. L'huile est donc subdivisée en quatre catégories : (1) phénoliques, contenant tous les composés phénoliques identifiés, (2) aromatiques à haute masse moléculaire, comportant toutes les molécules lourdes et les produits non identifiés par GC-MS, (3) aromatiques monocyclique non-phénoliques et (4) aliphatiques. Par conséquent, le troisième modèle considère la pyrolyse de la lignine en sept produits : ceux cités précédemment plus l'eau, les gaz non-condensables et le solide. Les paramètres cinétiques de chaque modèle ont été estimés et appliqués pour prédire la distribution des produits pour chaque modèle. Finalement, les résultats prédits ont été comparés aux données expérimentales aux fins de validation.  ABSTRACT: This work investigates the potential of converting one of the lignocellulosic biomass components, lignin, into value-added bio-products using microwave pyrolysis (MWP). To achieve this objective, a multi-step process was devised and accomplished. First, temperature profiles within a material exposed to electromagnetic waves (EMW) were predicted using a three dimensional mathematical model. Second, an original microwave-thermo gravimetric analyzer (MW-TGA) was designed and built for kinetic purposes, and the kinetics of MWP were investigated in contrast to conventional pyrolysis (CP). Third, a detailed structural investigation of a bio-oil produced from of kraft lignin using MWP was discussed at various conditions. Finally, a kinetic modeling of the MWP products from kraft lignin was achieved quantitatively, as well as qualitatively. In the first step, a three-dimensional mathematical model was created to simulate temperature profiles inside a material exposed to EMW at 2.45 GHz. COMSOL-Multiphysics applications were used to simulate transient temperature profiles of pinewood, carbon, Pyrex, and combinations of these materials under different conditions. The predicted results were compared against the experimental data in order to validate the presented model. The key conclusions of this study show that microwave heating (MWH) leads to non-uniform distribution of temperature due to material penetration depth (Dp) and surface heat loss. However, limiting the dimensions of the exposed material to twice the Dp and placing strong thermal insulation on the surface significantly minimize temperature gradients. The locations of materials which are strong or weak microwave-to-heat convertors can be manipulated to create desired hot or cold zones inside the heated material, which leads to specific temperature profiles. In addition, the homogenous mixing of a material strong microwave-to-heat converter with the payload exhibits a significant increase in temperature, compared to the virgin material exposed to the same power and heating time. This study aims at improving the understanding of temperature profiles within composite materials subjected to MWH, as well as developing approaches to influence/control temperature profiles through material selection. The main objective of the second step was to investigate the kinetics of MWP in contrast to CP. To achieve this objective, an original MW-TGA was built and equipped with an innovative thermometer, which does not suffer from the traditional drawbacks, particularly in case of MWH. Subsequently, experimental work on MWP and CP of sawdust was conducted. MATLAB® program codes were employed to estimate the kinetic parameters, activation energy, pre-exponential factors, and reaction orders (Ea, ko, and n, respectively). The key conclusions of this investigation indicate that MWP has a faster reaction rate than CP. This is a consequence of enhancing the molecular chaotic motion resulting from the oscillating EMW: the molecular mobility, which is represented by ko. Even though this noticeable effect on ko, the estimated value of Ea was almost the same in both cases, this might be a consequence of the tenuous possibility of direct hacking the molecule-bonds by applied EMW, since the wavelength of EMW is much longer than the intermolecular distance of the target material. This result is so significant that it can account for most of the effects observed in different reactions when MWH is applied. The third step investigated a detailed structural and compositional analysis of a bio-oil produced from kraft lignin using MWP. The effects of two parameters were considered: (1) loading of a strong microwave-to-heat convertor (char), 20-40 wt%, and (2) microwave nominal setting power, 1.5-2.7 kW. Five combinations of these two variables were chosen and applied for 800s of MWH. The reached final temperatures, measured as mean values, were 900, 980, 1065, 1150, and 1240 K. The yields of the pyrolysis products, solid, condensable gas, and non-condensable gas were compared at the conditions under investigation. The collected condensable gas was separated into oil phase, which is mostly chemicals, and aqueous phase, which is mostly water and lower density than the oil phase. The obtained results showed that increases the heating rate leads to an increase in the yield of the liquid product. The identified chemical compounds in the oil phase using GC-MS were mostly aromatics: guaiacols, phenols, and catechols. Nonetheless, at 60 wt%, the oil phases could not be identified using GC-MS. Therefore, 31P and 13C NMR spectroscopy were used to provide further detailed structural information. Based on the NMR analyses, up to 80% of the detected carbon atoms in the oil phase were aromatic carbons. The detected aliphatic hydroxyl groups in the virgin material were significantly eliminated in the oil phase, and this was attributed to water forming in the interim of MWP. The decreased concentrations of C5 substituted/condensed phenolic hydroxyl groups after MWP were attributed to an increase in the concentrations of guaiacyl, p-hydroxyphenyl, and catechol hydroxyl groups. Detailed degradation pathways for each of those conversions were suggested. Such an investigation is significant because it aims at improving the understanding of the degradation pathways of a lignin network, as well as the structure of the obtained bio-oil. In the final step, a kinetic investigation of kraft lignin products made from MWP was accomplished by applying three different models. To achieve this objective, the MW-TGA that was built in the second step was modified and used in this step. The modifications done on the MW-TGA enable the distribution of vapour products (condensable and non-condensable) up to 7 parts in the interim of MWP. The applied conditions were 30 wt% of char and a microwave nominal power setting of 2.1 kW. The first model considered the virgin material converted into condensable gas, non-condensable gas, and remaining solid, taking into consideration each product as an individual lump. In the second model, the liquid product was separated into oil, which is entirely chemical and contains 0 wt% water, and water, which contains 0 wt% chemicals. Therefore, the lumps of the second model were oil, water, non-condensable gas, and solid. Further investigations were achieved in the third model by analysing the oil product using GC-MS. The oil product was partitioned into four groups: (1) phenolics group, which contains all the identified phenolic components, (2) heavy molecular weight components group, which contents all the heavy molecular weight and the undefined components using a GC-MS analyzer, (3) aromatics with a single ring (non-phenolics) group, and (4) aliphatics group. Hence, the third model considered lignin converted into seven products, the above four groups, plus water, non-condensable gas, and solid. The kinetic parameters of each model were estimated, and then applied to predict the yield of each product at the selected temperatures. Finally, the predicted results were compared against the experimental data, which showed a high capacity of the presented models to estimate product yields.


identifier: Shahrestani, S. M. (2013). Electro Deposition of Cuprous Oxide for Thin Films Solar Cell Applications  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Des couches semi-conductrices d'oxyde de cuivre de type p et de type n pour des applications photovoltaïques ont été fabriquées par voie électrochimique avec des approches nouvelles. Les couches minces ont été électro-déposées par polarisation cathodique sur une feuille de cuivre et des substrats d'oxyde d'indium-étain (ou oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO)). Les conditions optimales de dépôt (composition, pH  et température de l'électrolyte, domaine de potentiel à appliquer) des couches sous forme de films minces ont été identifiée, En particulier les conditions qui permettent d'avoir des couches de type n ont été bien identifiée pour la première fois. La configuration d'une pile photo-électrochimique a été utilisée pour caractériser la réponse spectrale des couches. Il a été montré que les couches p délivre un photo-courant  dans le domaine cathodique et les couches n dans le domaine de potentiel anodique. Les mesures des résistivités électriques des couches électro chimiquement déposées de Cu2O, de type p et n, ont montré que la résistivité du Cu2O de type p varie de 3.2×105 à 2.0×108 Ω.cm selon les conditions de dépôt telles le pH de la solution, le potentiel de dépôt et la température. L'influence de plusieurs paramètres d'électrodéposition de couches de Cu2O de type, tels que le potentiel appliqué, le pH et la température du bain, sur la composition chimique, le degré de cristallinité, la taille des grains et l'orientation a été systématiquement étudiée en utilisant la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage. Selon le potentiel d'électrodéposition, deux morphologies différentes de surface avec des orientations cristallines préférentielles variées ont été  obtenues pour des températures de l'électrolyte de dépôt  de 30 °C et un  pH de 9.Pour  la même température, les couches de Cu2O de type p, hautement cristallines, se trouvent sont obtenues à  pH de 12, ce qui indique que la cristallinité dépend du pH du bain. Aussi, il a été montré que la morphologie des couches de Cu2O était modifiable en variant le potentiel et la durée  de déposition, ainsi que la température de la solution. Les conditions d'électrodéposition de Cu2O de type n ont été identifies de manière systématique la première fois. L'électrolyte de déposition est à base de 0,01 M d'acétate de cuivre et 0,1 M d'acétate de sodium: a un pH compris entre 4 et 6.3, un potentiel compris entre -0,25 V vs Ag/AgCl et une température de 60oC. La température optimum de recuit des couches n est de 120-150oC pour des durées de 30 à 120 minutes.  La résistivité des films de type n varie entre 5x103 et  pH 4  à 5x104 à pH 6.4. Nous avons montré pour la première fois que le barbotage de l'azote dans la cellule d'électrodéposition des couches de type n améliore manière significative leur réponse spectrale.  Un procédé d'électrodéposition en deux étapes à été mis en œuvre pour fabriquer la l'homo jonction p-n de l'oxyde oxyde cuivreux sur le substrat  l'oxyde d'indium-étain (ITO) qui a été utilisé comme un oxyde conducteur transparent. La performance photovoltaïque d'une cellule solaire à homo-jonction p-n de Cu2O a été déterminée. Le courant en court-circuit et la tension de circuit ouvert  ont été respectivement déterminés à 235 μA/cm2 et 0,35 Volt. Le facteur de remplissage (FF) et le rendement de conversion de la lumière en électricité des cellules ont été respectivement évalués à 0,305 et 0,082%.  ABSTRACT: p and n type copper oxide semiconductor layers were fabricated by electrochemistry using new approaches for photovoltaic applications. Thin films were electroplated by cathodic polarization on a copper foil or indium tin oxide (ITO) substrates. The optimum deposition conditions (composition, pH and temperature of the electrolyte and applied potential) of the layers as thin films have been identified; in particular the conditions that allow getting the n-type layers have been well identified for the first time. The configuration of a photo - electrochemical cell was used to characterize the spectral response of the layers. It was shown that the p type layers exhibit a photocurrent in the cathode potential region and n layers exhibit photo current in the anode potential region. Measurements of electrical resistivity of electro chemically deposited layers of p and n type Cu2O, showed that the resistivity of p-type Cu2O varies from 3.2 × 105 to 2.0 × 108 Ωcm. These values depend the electrodepositing conditions such as the pH of the solution, the deposition potential and temperature.  The influence of several plating parameters of the p-type layers of Cu2O, such as applied potential, pH and temperature of the bath on the chemical composition, degree of crystallinity, grain size and orientation parameters of the sample was systematically studied using X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Depending of the electro-deposition potential, two different surface morphologies with various preferential crystal orientations were obtained for the temperatures of the electro-deposition of 30 ° C and pH 9. For the same temperature, the layers of p-type Cu2O of highly crystalline p-type are obtained at pH 12, indicating that the crystallinity depends on the pH of the bath. Also, it has been shown that the morphology of Cu2O layers was changed by varying the potential and the duration of deposition, as well as the temperature of the solution. The conditions for the electro-deposition of Cu2O n-type were identified consistently for the first time. The electro-deposition electrolyte is based 0.01M acetate copper and 0.1 M sodium acetate: it has a pH between 6.3 and 4, a potential of from 0 to -0.25 V vs. Ag / AgCl and a temperature of 60oC. The optimum annealing temperature of the n-type Cu2O layers is between 120-150oC for the annealing time of 30 to 120 minutes. Resistivity of the n-type films varies between 5x103 and 5x104 at pH 4 to pH 6.4. We have shown for the first time that bubbling nitrogen gas in the electroplating cell improves significantly the spectral response of the electro-deposited n-type thin film. A two steps electro-deposition process was implemented to make the p-n homojunction cuprous oxide. Indium tin oxide (ITO) was used as a transparent conductive oxide substrate. A p-Cu2O was electrodeposited on ITO. After heat treatment a thin film layer of n-Cu2O was electrodeposited on top of previous layer. The performance of a p-n homojunction photovoltaic solar cell of Cu2O was determined. The short-circuit current and the open circuit voltage were respectively determined to be as 0.35 volts and 235 μA/cm2. The fill factor (FF) and conversion efficiency of light into electricity were respectively measured to be 0.305 and 0.082%.


identifier: Dini, M. (2013). Improvement of Barrier Properties of Poly(Ethylene Terephthalate)/Organoclay Nanocomposites  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) est un polymère semi-cristallin, qui est largement utilisé dans l'industrie de l'emballage, en contact direct avec les denrées alimentaires, les boissons, les produits pharmaceutiques et les cosmétiques. Le développement vers de nouveaux marchés nécessite l'amélioration des propriétés barrières aux gaz du PET afin de l'utiliser dans l'emballage du vin, de la bière, et d'autres produits sensibles à l'oxygène, ainsi que d'améliorer la durée de vie des boissons gazeuses ; même une amélioration modérée des propriétés barrières aux gaz a un impact économique important. La présence de nano-argiles dans le PET comme phase imperméable et pour allonger le parcours tortueux peut résulter à une remarquable amélioration des propriétés consistant en la diminution de la perméabilité aux gaz. Les nanocomposites à base de PET peuvent être préparés in-situ ou par un mélange à l'état fondu. Cette dernière approche est plus économique, pratique et respectueuse de l'environnement dû à l'absence de monomères et/ou de solvants organiques. La microstructure des nanocomposites polymères joue un rôle important dans les propriétés macroscopiques des produits finaux. Afin d'optimiser de manière significative les performances, une bonne dispersion des nano-argiles dans la matrice et la compatibilité thermodynamique entre le polymère et les nano-argiles sont nécessaires. Dans ce travail, les poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) ont d'abord été préparés par un mélangeage à l'état fondu en utilisant une extrudeuse double-vis assistée par injection d'eau. Afin de faciliter la diffusion des molécules du PET à travers les nanofeuillets de l'argile, de la vapeur d'eau a été introduite dans l'extrudeuse. Par la suite, la réduction de la masse moléculaire (MW) de la matrice PET due à l'hydrolyse causée par l'eau a été compensée par une polymérisation à l'état solide (SSP pour solid-state polymerization). Les effets du débit d'alimentation , de la compatibilité entre le PET et les nano-argiles (Cloisite Na+, Cloisite 30B et Nanomer I.28E) et de la SSP ont été étudiés. Les résultats révèlent qu'il y a plus de délaminage des lamelles de l'argile organique dans les nanocomposites PET-C30B mis en forme à faible taux d'alimentation par rapport à ceux mis en forme à un fort taux d'alimentation. La présence d'eau permet d'obtenir un plus grand nombre de nanoparticules C30B à une ou deux couches ainsi que l'augmentation du facteur de forme dans les nanocomposites à base de PET. L'effet de l'eau sur la microstructure des nanocomposites de PET est fortement dépendant du choix du modificateur des nano-argiles. La mise en forme avec de l'eau a des effets négatifs sur les nanocomposites PET-I28E, à cause de leur faible compatibilité. L'étude de la structure du PET après la SSP par spectroscopie RMN (résonance magnétique nucléaire) 1H et RMN 13C et par des mesures rhéologiques montre une structure moléculaire linéaire du PET. L'effet de la concentration des nano-argiles sur les propriétés thermiques, mécaniques et barrières des nanocomposites à base de PET a été étudié dans la seconde partie de ce travail. Des analyses de DRX (diffractrométrie de rayons X), au MEB (microscope électronique à ballayage) et au MET (microscope électronique en transmission) montrent une morphologie intercalaire et exfoliée dans tous les nanocomposites PET-C30B, avec un degré d'intercalation et de délaminage plus grand pour le procédé assisté par injection d'eau. Des propriétés mécaniques et barrières améliorées sont obtenues pour les nanocomposites PET-C30B en comparaison avec le PET seul. Les nanocomposites présentent un module de Young plus haut et une perméabilité à l'oxygène plus faible après la SSP. L'élongation à la rupture est considérablement plus haute pour les nanocomposites préparés avec la SSP en comparaison avec les nanocomposites mis en forme par mélangeage à l'état fondu. L'allongement à la rupture pour les nanocomposites de PET conventionnels contenant 2 % en masse de C30B est de 6 %, par contre il est de 145 % pour les nanocomposites préparés avec la SSP. Une augmentation de 45 % du module de Young et de 42 % du comportement barrière est constatée pour les nanocomposites contenant 6 % en masse de C30B, comparé au PET pur. Le modèle de pseudo-inclusion a été utilisé pour prédire le module de Young des nanocomposites de PET et l'effet de l'intercalation de la microstructure sur le modèle de prédiction. De plus, les modèles de Nielsen et Bharadwaj ont été appliqués pour prédire la perméabilité en présence d'argiles organiques. Dans la troisième partie de ce travail, la polymérisation à l'état solide du PET et des nanocomposites à base de PET et de Cloisite 30B à différentes concentrations a été étudiée pour différents temps de réaction dans le réacteur. De plus, l'effet de la taille des particules sur la vitesse de polymérisation à l'état solide a été examiné. Des mesures en viscosimétrie, en titrage, en rhéologie et en calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ont été faites pour analyser les échantillons provenant de la SSP. La masse moléculaire moyenne en poids (MW) augmente considérablement à la suite de la SSP. Le modèle de Maron-Pierce a été utilisé pour évaluer la masse moléculaire du PET dans les nanocomposites avant et après la SSP. A cause de l'effet barrière des nanofeuillets d'argile, il est montré que l'étendue et la vitesse de réaction de la SSP dans les nanocomposites sont plus faibles par rapport à celles des PET. Les résultats du titrage montrent que de part la présence de C30B la concentration des groupes carboxyles dans les nanocomposites de PET augmente, alors que la SSP entraîne une réduction significative de ces groupes terminaux. Dans la dernière partie de ce travail de recherche, des nanocomposites de PET contenant des nano-argiles non-modifiées (Cloisite Na+) ont été préparés en suspension. Une suspension de Cloisite Na+ et d'eau a été injectée dans l'extrudeuse double-vis et mélangée avec le PET à l'état fondu. Pour améliorer la dispersion des nano-argiles, de la carboxylmethylcellulose (CMC) et du polyéthylène glycol (PEG) ont été ajoutés à la suspension. Les nanocomposites contenant du PEG sont les échantillons qui présentent des propriétés mécaniques et barrières avec la plus grande amélioration. La couleur des échantillons préparés avec cette méthode est meilleure que celle obtenue pour les nanocomposites avec du Cloisite 30B.  ABSTRACT: Poly(ethylene terephthalate) (PET) is a semi-crystalline polymer, which has been widely used in the packaging industry and in direct contact with food, beverages, pharmaceutical products and cosmetics. Expansion to new markets requires an improvement of PET's gas barrier properties for use of PET packaging for wine, beer, and other oxygen-sensitive products, as well as for improving the shelf life of carbonated soft drinks; even a moderate improvement of barrier properties has a profound economic impact. The presence of nanoclays in PET as an impermeable phase and for increasing the tortuous path of permeates can result in outstanding property improvements in terms of decreasing gas permeability. PET nanocomposites can be prepared by in-situ or melt-mixing methods. The latter approach is more economical, practical and environmental friendly due to the absence of monomers and/or organic solvents. The microstructure of polymer nanocomposites substantially plays an important role in the determining macroscopic properties of final products. To achieve significant performance enhancements, good dispersion of the nanoclay in the matrix and thermodynamic compatibility between the nanoclay and the polymer are required.  In this work, poly(ethylene terephthalate) (PET) nanocomposites were prepared by water-assisted melt compounding in a twin-screw extruder. In order to facilitate the diffusion of PET molecules into clay galleries, steam was fed into the extruder. Subsequently, the molecular weight (MW) reduction of the PET matrix, due to hydrolysis by water, was compensated by solid-state polymerization (SSP). Effects of feeding rate, compatibility between PET and nanoclay (Cloisite Na+, Cloisite 30B and Nanomer I.28E) and SSP on the microstructure of the nanocomposites were studied. The results revealed more delamination of organoclay platelets in PET-C30B nanocomposites processed at low feeding rate compared to those processed at high feeding rate. The presence of water resulted in a larger number of single and double layers of C30B nanoparticles as well as an increased aspect ratio of clay particles in PET nanocomposites. The effect of water on the microstructure of PET nanocomposites was strongly dependent on the nanoclay modifier. Processing with water had negative effects on the PET-I28E nanocomposites, because of its lower compatibility. Studies on the structure of PET after SSP by rheological measurements, Nuclear magnetic resonance (1H NMR and 13C NMR) spectra showed the linear molecular structure of PET. The effect of organoclay concentration on the rheological, thermal, mechanical and barrier properties of the PET nanocomposites prepared by different methods was studied in the second part of this work. XRD, SEM and TEM analyses displayed intercalated/exfoliated morphology in all PET/C30B nanocomposites, with a higher degree of intercalation and delamination for the water-assisted process. Enhanced mechanical and barrier properties were obtained in PET-C30B nanocomposites compared to the neat PET. The nanocomposites exhibited higher tensile modulus and lower oxygen permeability after SSP. Elongation at break was significantly higher for SSP nanocomposites than for nanocomposites processed by conventional melt mixing. Elongation at break for conventional PET nanocomposites containing 2 wt% C30B was 6%, but for nanocomposites after SSP, the elongation at break was around 145%. Compared to the neat PET, improvements of 45% in tensile modulus and 42% in barrier behavior were found for nanocomposites containing 6 wt% C30B. The pseudo-inclusion model was used to predict the tensile modulus of PET nanocomposites and to determine the effect of intercalation microstructure on the model predictions. Moreover, the Nielsen and Bharadwaj models were employed for the prediction of permeability in the presence of organoclay.  Studies of solid-state polymerization of PET and PET nanocomposites with different concentrations of Cloisite 30B and particle size were carried out at different reaction times in the third part of this work. Moreover, the effect of particle size on the rate of SSP was also investigated. Viscometry, titration, rheological and dynamic scanning calorimetry (DSC) measurements were used to analyze the samples from SSP. The weight-averaged molecular weight (MW) of PET was shown to increase significantly following SSP. The Maron-Pierce model was utilized to evaluate the molecular weight of PET in the nanocomposites before and after SSP. It was also found that the extent and the rate of the SSP reaction in nanocomposites were lower than those for the neat PETs, due to the barrier effect of clay platelets. Titration results showed that by the presence of C30B the concentration of carboxyl groups was increased in PET nanocomposites while by SSP, these end groups were significantly reduced. Increases of half-time of crystallinity and reductions of both crystallization temperature and percentage of crystallinity with molecular weight of PET were found from DSC results.  In the last phase of this research work, PET nanocomposites containing an unmodifed nanoclay (Cloisite Na+) were prepared by the slurry method. A slurry of Cloisite Na+ and water was pumped into the twin-screw extruder to be melt-mixed with PET. To improve the nanoclay dispersion carboxymethyl cellulose (CMC) and poly(ethylyene glycol)(PEG) were added to the slurry. Mechanical and barrier properties showed more improvements for the nanocomposites containing PEG. The color of the nanocomposites prepared by this method was better than those obtained by conventional melt-mixing of PET and Cloisite 30B.


identifier: Pinsonnault, A. (2013). Adaptation d'une base de données pour l'intégration d'un algorithme de résolution d'inventaire en ACV dynamique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse du cycle de vie (ACV) est un outil d'évaluation environnementale qui comptabilise les impacts potentiels survenant tout au long du cycle de vie d'un produit ou service, de l'extraction de ses matières premières à sa fin de vie. Cette méthode permet donc d'identifier les processus les plus contributeurs aux impacts environnementaux d'un produit, ainsi que de soutenir une prise de décision entre deux technologies ou produits basée sur des critères environnementaux. L'ACV dynamique est une ACV prenant en compte le moment des émissions et des extractions dans l'environnement survenant tout au long du cycle de vie du produit ou service évalué. L'utilisation de facteurs de caractérisation dynamiques permet alors d'évaluer les impacts sur un horizon de temps fini et fixe dans un cadre temporel cohérent. Afin de représenter des systèmes souvent complexes dont les chaînes d'approvisionnement sont infinies, les praticiens ACV utilisent fréquemment des bases de données d'inventaire en cycle de vie (ICV). Toutefois, l'information temporelle présente dans les bases de données d'ICV n'est pas suffisante pour l'implantation de l'ACV dynamique. Il n'est donc pas possible pour l'instant de prendre en compte le profil temporel des émissions et des extractions dans l'environnement survenant en arrière-plan des chaînes de processus en ACV dynamique. Ce mémoire de maîtrise vise à évaluer la sensibilité des résultats de l'ACV dynamique d'avant-plan à la différentiation temporelle des processus d'arrière-plan afin d'élaborer des recommandations pour les développeurs de bases de données d'inventaire quant à l'intégration de nouveaux paramètres temporels pour l'ACV dynamique. L'objectif de recherche est de développer une méthodologie afin de montrer l'importance ou non pour les résultats en ACV dynamique d'ajouter de l'information temporelle aux processus en arrière-plan des systèmes de produits et de l'appliquer à des études de cas pour la catégorie d'impact réchauffement climatique. Les processus élémentaires de la base de données ecoinvent v2.2 sélectionnés pour la différentiation temporelle ont été : les infrastructures (14% de la base de données), les processus issue de l'agriculture et de la foresterie (3% de la base de données), les produits entreposés (4% de la base de données), et les processus d'enfouissement des déchets (2% de la base de données). Donc, 20% des processus élémentaires de la base de données ont été assignés de paramètres temporels non nuls parmi les suivants : proportion de matériel de remplacement, temps de rotation des cultures, temps d'entreposage, durée de construction, durée d'occupation des infrastructures, et durée de démolition. Les distributions temporelles des flux économiques et élémentaires des processus élémentaires estimées à partir des phases définies par les paramètres temporels (p. ex. phases de construction, utilisation et démolition d'une infrastructure) ont été considérées constantes dans le temps, à l'exception de l'absorption de carbone et des émissions dans l'air dans les sites d'enfouissement. Pour l'ACV dynamique d'avant et d'arrière-plan, pour des raisons de temps de calculs, seuls les flux élémentaires et économiques des 13 premiers niveaux de la chaîne de processus ont été différentiés temporellement. L'objectif de recherche a été atteint; 8,6% des 4034 systèmes de produits de la base de données ecoinvent v2.2 ont obtenu un écart de plus de 10% entre les résultats de l'impact sur le réchauffement climatique de l'ACV dynamique d'avant et d'arrière-plan et l'ACV dynamique d'avant-plan, montrant l'importance de la différentiation temporelle pour les processus en arrière-plan de ces systèmes de processus. Les catégories de systèmes de produits où se trouvait la majorité de ces résultats étaient « Énergie, bois », « Matériaux, bois », « Matériaux, papiers », « Infrastructure » et « Électricité ». Les limites principales de la méthode sont 1) que l'objectif de recherche n'a été atteint que pour la catégorie d'impacts réchauffement climatique, 2) que l'incertitude des données temporelles n'a pas été évaluée, 3) que les résultats obtenus de l'ACV dynamique d'avant-plan sont sensibles au positionnement des processus élémentaires d'allocation et 4) que 2,3% des systèmes de produits évalués en ACV dynamique d'avant et d'arrière-plan ont eu un résultat dont 90% et moins des impacts était attribuable aux impacts des flux élémentaires différentiés temporellement. Finalement, il a été recommandé aux gestionnaires de bases de données d'ICV d'intégrer de nouveaux paramètres, tels que ceux proposés, afin de permettre la réalisation d'ACV dynamique qui considèreraient les profils temporels des émissions et extractions des processus élémentaires d'arrière-plan pour l'évaluation des impacts sur le réchauffement climatique. De plus, les développeurs de bases de données ICV devraient porter une attention particulière à la cohérence des considérations temporelles des processus lors de la modélisation. Aussi, il a été recommandé aux praticiens réalisant des ACV dynamiques de différentier temporellement l'arrière-plan des systèmes de produits issus des secteurs identifiés sensibles, en priorisant une prise en compte des profils temporels issus de la phase d'agriculture et de foresterie.  ABSTRACT: Life cycle assessment (LCA) is an environmental tool, which takes into account the potential environmental impacts of a product over its entire life cycle, from raw material extraction to end-of-life. This approach allows the identification of the major contributors to the environmental impact of a product, and may support decision-making between two technologies or two products based on environmental criteria. Dynamic LCA is an LCA that takes into consideration the temporal profile of emissions and extractions during a product life cycle. Then, using the dynamic characterization factors, impacts are assessed over a fixed and finite time horizon in a coherent temporal framework. To represent complex systems with infinite supply chains, LCA practitioners often use life cycle inventory (LCI) databases. However, the temporal information available in LCI databases isn't sufficient for dynamic LCA. Therefore, it is not possible in dynamic LCA, for now, to take into account the temporal profile of emissions and extractions occurring in background processes of product systems. This thesis aims to evaluate how sensitive dynamic LCA results are to the addition of temporal information to background processes in order to elaborate recommendations to LCI database developers about the integration of new temporal parameters for dynamic LCA. The research objective is to develop a methodology to show the importance or not to introduce temporal information in the background system for dynamic LCA results and to apply it to study cases for the global warming impact category. The selected unit processes of ecoinvent v2.2 database for temporal differentiation were: infrastructure processes (14% of the database), crop and forestry processes (3% of the database), stored products (4% of the database), and disposal to landfills (2% of the database). In the end, temporal parameters were added to 22% of the database unit processes. These parameters were: replacement material proportion, rotation time, storage time, construction time, infrastructure occupation, and demolition time. The temporal distribution of elementary and intermediate flows was estimated with phases defined by temporal parameters (e.g. construction, use and end-of-life phases). These distributions were considered constant over time, with the exception of carbon uptake and emissions to air from landfills. For reasons of computing time, only the elementary and intermediate flows in the first thirteen-levels of the supply chain were temporally differentiated for the implementation of dynamic LCA. The research hypothesis was verified; for 8.6% of the 4034 product systems of the ecoinvent v2.2 database, the temporal differentiation of background processes changed global warming results, compared to dynamic LCA that considers the temporal profile of foreground processes only, by at least 10%. The LCA results that were the most sensitive to temporal differentiation of background unit processes were those from product systems in the categories « Energy, wood », « Material, wood », « Material, paper », « Infrastructure » and « Electricity ». The main limitations of the method were 1) the research objective was verified only for the global warming category, 2) the uncertainty of the temporal data was not evaluated, 3) the results obtained with dynamic LCA with only foreground processes temporally differentiated were sensitive to the positioning of allocation unit processes, and 4) 2.3% of the results in dynamic LCA with foreground and background processes temporally differentiated had 90% and less of the impact due to the impact of temporally differentiated elementary flows. In conclusion, it is recommended that LCI database developers integrate new temporal parameters, as the ones proposed, to allow the implementation of dynamic LCA with the consideration of the temporal profile of emissions and extractions of background processes for global warming impacts. Moreover, LCI database developers should pay attention to the coherence in the temporal considerations of the processes during modelling. Furthermore, it is recommended to LCA practitioners to temporally differentiate for dynamic LCA the background of the product systems from the sensible sectors identified, primarily for the temporal profiles from the crop and forestry phase.


identifier: Talebi-Esfandarani, M. (2013). Synthesis, Characterization and Modification of LifeP04 by Doping with Platinum and Palladium for Lithium-Ion Batteries  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le phosphate de fer lithié (LiFePO4), caractérisé par son excellente stabilité chimique et structurale, sa non-toxicité, son faible coût, et son abondance dans la nature, est l'un des matériaux de cathode le plus prometteur  pour être utilisé dans les batteries aux ions lithium. Cependant, il souffre d'une faible conductivité électrique et d'une diffusion ionique très limitée, Ce matériau fonctionne uniquement à des taux faibles de charge/décharge de courants. Dans cette thèse, une double approche du dopage métallique et le revêtement de carbone a été utilisée pour résoudre le problème mentionné précédemment. Ce travail porte pour la première fois sur l'étude, de l'effet du dopage de LiFePO4 avec le platine ou le palladium sur ses propriétés physico-chimiques. L'effet de dopage de ce matériau avec Pt ou Pd sur ses performances comme cathode pour les la battéries au Li-ion sera déterminé. La méthode de préparation sol-gel et hydrothermique ont été utilisées pour la synthèse des matériaux à base de cathode de LiFePO4 dopés et non dopés. Les matériaux préparés ont été caractérisés par différentes méthodes telles que la diffraction des rayons X (XRD), la spectroscopie des photoelectrons (XPS), la microscopie électronique à balayage (MEB) et la mesure de surface active par BET (Brunauer Emmett Teller). Les techniques de caractérisation électrochimiques comme le test de charge/décharge, la voltammétrie cyclique (CV), l'impédance électrochimique (EIS) et le cyclage ont également été utilisés. Les effets du dopage des métaux sur les propriétés physico-chimiques, les tailles des particules, la morphologie, la structure et la pureté des électrodes ont été étudiés et leur corrélation avec les propriétés électrochimiques des matériaux a été étudiés. Dans la première section, nous avons déterminé à l'aide du MEB la quantité optimale de support de carbone et la morphologie des particules de LiFePO4 qui sont revêtues par le support. Ceci a permis d'identifier la composition optimum de la cathode de LiFePO4/C qui permet d'obtenir d'excellentes performances électrochimiques dans une pile au Li-ion. On a constaté que lorsque la quantité de carbone utilisé dépasse la valeur optimisée, la capacité de décharge du matériau LiFePO4/C diminue. Ceci pourrait indiquer une faible diffusion des ions Li+ à travers les couches de carbone au cours du processus de charge/décharge. Pour une quantité de carbone inférieure à la quantité optimum, la cathode de LiFePO4/C  présente une capacité de charge/décharge très inférieure à celle obtenue avec le carbone optimisé. Ceci est attribué à la faible valeur de sa conductivité électrique due à la faible quantité de carbone. Par conséquent, la qualité et la quantité de revêtement de carbone à la surface des particules de LiFePO4 sont importantes et seulement la teneur optimisée en carbone peut conduire à une répartition plus uniforme de carbone. La surface et la conductivité optimisées, qui donnent une haute performance électrochimique, ne peuvent être atteintes que si la teneur en carbone appropriée et la bonne méthode de préparation de l'électrode ont été identifiées. Dans la deuxième partie, nous avons étudié l'effet de doper LiFePO4/C avec Pt et Pd sur sa structure, sa composition chimique et ses propriétés électrochimiques. Les électrodes ont été préparées en utilisant le procédé sol-gel. L'analyse de la composition chimique par XPS des électrodes dopées au Pd a dé montré que le Pd est présent dans les nano matériaux composites de LiFePO4/C. Pour l'électrode de LiFePO4/C dopé au Pt, le Pt a été détecté dans des matériaux composites à base de nanoparticules de ce matériau. Les résultats sur la structure et la morphologie des électrodes non dopées et dopées ont montré que le dopage au palladium a facilité la formation de l'impureté Li3PO4 dans les électrodes LiFe0.98Pd0.02PO4/C et LiFe0.96Pd0.04PO4/C. Par conséquent, la présence du Pd dans l'échantillon dopé réduit les paramètres de maille, augmente la taille des particules et provoque leur agglomération. Les performances électrochimiques des électrodes ont montré que la capacité spécifique diminue quand la teneur en palladium augmente. Ensuite, les électrodes dopées au Pd et fabriquées en utilisant la méthode sol-gel ont une capacité de décharge plus faible que celle des électrodes de LiFePO4/C non dopées. La diminution de la performance est attribuée à plusieurs facteurs comme la diminution des paramètres du réseau cristallin, les formations l'impureté Li3PO4 et l'augmentation de la taille des particules suite au dopage de LiFePO4. En revanche, pour LiFePO4/C dopé au Pt en utilisant la méthode sol-gel, il a été constaté que la cristallinité et les paramètres de maille du matériau nano-composite LiFe0.96Pt0.04PO4/C ont augmenté en comparaison avec l'électrode LiFePO4/C seul. Aucune impureté n'a été formée dans l'électrode Pt-dopé. En outre, les échantillons dopés au Pt montraient des particules de tailles plus petites (100-200 nm) que l'électrode non dopée (200-500 nm). Des particules plus homogènes et uniformes ont également été obtenues avec LiFe0.96Pt0.04PO4/C comparativement à celles obtenues avec LiFePO4/C. Par conséquent, le dopage au platine pourrait fournir plus d'espace pour la diffusion des ions Li+; ce qui facilite le déplacement des ions Li+ dans la structure de LiFe0.96Pt0.04PO4/C pendant les réactions d'oxydoréductions à la cathode de la batterie, améliorant ainsi les capacités de décharge. Dans la troisième partie de cette étude, LiFe1-xPdxPO4/C (x = 0,00, 0,02, 0,04) et nano matériaux de cathode composite LiFe0.96Pt0.04PO4/C ont été synthétisés par voie hydrothermique et les effets de Pd et Pt ont été examinés. Les résultats indiquent que la quantité optimale de teneur en palladium (0,02%) dans l'électrode (LiFe0.98Pd0.02PO4/C) réduit la taille des particules composites. Cela pourrait faciliter la diffusion des ions Li+ et par conséquent améliorer la réversibilité et diminuer la résistance de transfert de charge. La teneur optimisée en Pd dans l'électrode pourrait agir comme un pilier pour éviter le rétrécissement et l'effondrement de la structure initiale de la maille de LiFePO4. Cela pourrait aider à la stabilisation de la structure cristalline au cours du processus d'intercalation/dé-intercalation des ions Li+. Cependant, en augmentant la teneur en palladium à 4%, les capacités spécifiques ont diminué en raison de la formation d'impuretés Li3PO4 et de l'augmentation de la taille des particules. La présence de ces impuretés peut produire une petite aire de surface pour la réaction redox, et provoque des difficultés pour la diffusion d'ions Li+ pendant le processus d'oxydo-réduction électrochimique. En conséquence, le dopage au palladium à une teneur optimisée est utile pour améliorer les performances électrochimiques du matériau LiFePO4/C. La cathode à base de LiFe0.96Pt0.04PO4/C nano matériau qui a été  préparée par la méthode hydrothermique a présenté une meilleure performance en comparaison avec l'échantillon de LiFePO4/C. L'amélioration de la performance électrochimique peut être attribuée à la combinaison des aspects suivants liés à la présence de Pt dans l'électrode. L'élément platine pourrait agir comme un pilier pour stabiliser la structure cristalline pendant le processus de charge/ décharge. Il pourrait aussi contribur à l'amélioration de la vitesse de la réaction d'oxydo-réduction avec l'augmentation de la surface spécifique de l'électrode composite. L'électrode de LiFe0.96Pt0.04PO4/C présente aussi des petites particules homogènes qui pourraient faciliter le taux de diffusion des ions Li+.  Les résultats montrent que les propriétés structurales et chimiques et les performances électrochimiques des électrodes à base de LiFePO4/C dopées de Pd et Pt pour donner  LiFe1-xPdxPO4/C et LiFe1-xPtxPO4/C comme cathodes de la pile au lithium-ion sont très affectées par la méthode de préparation des matériaux et de l'élément dopant.  ABSTRACT: Lithium iron phosphate (LiFePO4) with features of excellent thermal stability, non-toxicity, low cost and abundance in nature is one of the most promising cathode materials to be used in lithium ion batteries. However, as it suffers from the low electrical conductivity and poor ionic diffusion, it operates only at low charge/discharge current rates. In this thesis, a dual approach of metal doping and carbon coating was employed to solve the aforementioned problem. This work is mainly on the study, for the first time, of the effect of platinum and palladium doping of LiFePO4 on its physical-chemical properties. The effect of Pt and Pd doping on the LiFePO4 performance as Li-ion cathode will be also shown. Sol-gel and hydrothermal methods were used to synthesize the LiFePO4 and doped-LiFePO4 cathode materials. The prepared materials were characterized using different methods such as XRD (X-ray Diffraction), XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), SEM (Scanning Electron Microscopy) and BET (Brunauer Emmett Teller). The electrochemical characterization techniques including charge/discharge test, CV (Cyclic Voltammetry), EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) and cycling were also used. The effects of metals doping on chemical-physical properties, particles sizes, morphology, structure and purity of the electrodes were investigated and their correlation to the electrochemical properties of materials were studied. In the first section, we determine the optimized amount of carbon support and morphology of the particles using SEM which help to obtain LiFePO4/C cathode material with an excellent electrochemical performance. It was found that when the amount of coated carbon exceeds the optimized value, the discharge capacity of the LiFePO4/C material decreased. This might indicate a low diffusion of the Li+ ions through the carbon layers during the charge/discharge process. On the other hand, for LiFePO4 coated with carbon quantity lower than the optimum value, LiFePO4/C cathode exhibited poor capacity performance due to its low electrical conductivity. Therefore, both the quality and quantity of carbon coating on the surface of LiFePO4 particles are important and only optimized carbon content can lead to a more uniform carbon distribution. Optimized surface area and conductivity, which give high electrochemical performance, can be only achieved if the appropriate carbon content and method of electrode preparation are obtained. In the second part, the effect of doping the LiFePO4/C electrodes with Pt and Pd on the structure, their chemical compositions and electrochemical properties were investigated. The electrodes were prepared using sol-gel method. The chemical composition analysis by XPS of the Pd doped electrodes showed that Pd was detected in the Pd-doped nano composite materials. Also, for Pt doped electrode, Pt was detected in Pt-doped based nano composite materials. Based on the structure and morphology of the non doped and doped electrodes, the results showed that palladium doping facilitated formation of Li3PO4 impurity in the LiFe0.98Pd0.02PO4/C and LiFe0.96Pd0.04PO4/C electrodes. Consequently the presence of the Pd in the doped sample reduced the lattice parameters, increased the size of particles and caused their agglomeration. The electrochemical performances of the electrodes showed that their specific capacity decreased when the palladium content increases. Then, the Pd-doped electrodes fabricated using sol-gel method exhibit less discharge capacity than samples of the non-doped LiFePO4/C electrode. The reduction in the level of performance is attributed to several reasons such as the shrinking of the lattice parameters, the formation of Li3PO4 impurity phase, and large particles size.  In contrast, for LiFePO4/C doped with Pt using sol-gel method, it was found that the crystallinity and the lattice parameters of LiFe0.96Pt0.04PO4/C nanocomposite material increased when compared with LiFePO4/C electrode. No impurity was formed in the Pt-doped electrode. In addition, the Pt doped samples exhibited smaller particle sizes (100-200 nm) than the non doped electrode (200-500 nm). More homogeneous and uniform particles were also obtained with LiFe0.96Pt0.04PO4/C than LiFePO4/C samples. Therefore, platinum doping might provide more space for the diffusion of Li+ ions which facilitates the movement of Li+ ions through the structure of LiFePO4/C material during the redox reactions in the battery, enhancing the discharge capacities.  In the third part of this study, LiFe1-xPdxPO4/C (x = 0.00, 0.02, 0.04) and LiFe0.96Pt0.04PO4/C nano composite cathode materials were synthesized by a hydrothermal method and the effects of Pd and Pt were examined. The results indicated that the optimized amount of palladium content (0.02%) in the electrode (LiFe0.98Pd0.02PO4/C) reduced the nano composite particle sizes. This facilitates the Li+ ion diffusion and consequently enhances the reversibility and decreases the charge transfer resistance. The optimized Pd content in the electrode might act as a pillar to prevent the shrinking and collapse of the initial lattice structure. This might support the stabilization of the crystal structure during the intercalation/de-intercalation process of Li+ ions. However, by increasing the palladium content to 4%, the specific capacities decreased due to the Li3PO4 impurity formation. The presence of such impurity may produce a small surface area for the redox reaction, and causes difficulty of Li+ ion diffusion during the redox electrochemical process. As a result, the optimized palladium doping is helpful in improving the electrochemical performance of LiFePO4/C material. A LiFe0.96Pt0.04PO4/C based cathode nano material prepared by a hydrothermal method exhibited better performance when compared to the non-doped LiFePO4/C sample. The improvement in the electrochemical performances can be attributed to the combination of the following aspects related to the presence of Pt in the electrode. The platinum element can act as a stabilizing point of the crystal structure during the charge/discharge process.  It contributes to the improvement of the redox reaction rate with the increase of the specific surface area of the composite electrode. LiFe0.96Pt0.04PO4/C electrode exhibited homogeneous small particles which might facilitate the Li+ ions diffusion rate.  The results show that the chemical and structural properties and electrochemical performances of Pd and Pt doped LiFePO4/C based electrodes to obtain LiFe1-xPdxPO4/C and LiFe1-xPtxPO4/C as Li-ion cathodes are significantly informed by the method of preparation of the materials and the doping element.


identifier: D'Ercole, M. (2013). Méthode de mesure automatique intraopératoire des déformations du rachis scoliotique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique de l'adolescence est une pathologie complexe et évolutive entraînant une déformation tridimensionnelle du rachis, de la cage thoracique et du bassin. Cette pathologie affecte 2 à 4% de la population adolescente. Dans le cas de scolioses sévères, un traitement chirurgical est recommandé. L'imagerie radiographique est la technique la plus répandue pour le diagnostic et le suivi des effets de cette pathologie. De plus, des outils de reconstruction 3D du rachis à partir de radiographies du patient sont actuellement disponibles avant la chirurgie pour permettre une caractérisation bi- et tridimensionnelle des déformations scoliotiques ainsi que la planification des manoeuvres d'instrumentation. Les modèles 3D préopératoires ne sont pas directement utilisables pendant la chirurgie puisqu'il y existe un changement des courbures scoliotiques dû à la position allongée, à l'exposition chirurgicale et à l'anesthésie. Plusieurs systèmes de suivi ont été testés pour suivre le changement de forme du rachis et le mouvement des vertèbres en intraopératoire : mécaniques, optoélectroniques, électromagnétiques, ultrasons, radiographiques. Ces systèmes permettent de détecter la position des vertèbres pendant la chirurgie et peuvent être utilisés pour la mise à jour de modèles 3D préopératoires. Pour ce faire, ils requièrent l'installation de marqueurs sur les vertèbres ou l'identification manuelle de points anatomiques pendant la chirurgie, ce qui peut interférer avec la procédure chirurgicale. Ainsi, des systèmes d'imagerie et de navigation intraopératoires sont actuellement disponibles pour visualiser les déformations 3D du rachis et guider les manoeuvres d'instrumentation de façon sûre et précise. Cependant, à partir de ces systèmes, il n'est pas encore possible de quantifier en intraopératoire les déformations scoliotiques et la correction résultant des manoeuvres d'instrumentation. Ce projet de maîtrise visait à développer une technique permettant la mesure intraopératoire automatique des déformations scoliotiques afin de fournir au chirurgien des données quantitatives exploitables pour évaluer et améliorer la stratégie chirurgicale. Globalement, le calcul des déformations scoliotiques 3D a été effectué grâce à la mise à jour d'un modèle géométrique préopératoire à partir d'images fluoroscopiques 3D intraopératoires. De façon plus précise, un modèle géométrique préopératoire a été construit à partir de 28 repères anatomiques vertébraux identifiés manuellement par un opérateur sur des radiographies biplanaires en position érigée avant la chirurgie. Ces points ont été utilisés pour obtenir un modèle  ABSTRACT: Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a complex and progressive pathology leading to threedimensional deformities of the spine, rib cage and pelvis. This pathology affects 2 to 4% of the adolescent population. In the case of severe scoliosis, a surgical treatment is required. Radiographic imaging is mostly used for the diagnosis and the monitoring of scoliosis. 3D reconstruction of the spine from patient's radiographs is currently available to enable the twoand three-dimensional characterization of scoliotic deformities and planning of the instrumentation maneuvers. The 3D preoperative models can't be directly used during surgery since there is a change in the scoliotic curvature caused by the prone positioning, the surgical exposure and the anesthesia. Several tracking systems have been tested to monitor the spinal shape changes and follow the intraoperative motion of the vertebrae: optoelectronics or electromagnetics systems, ultrasounds, radiographs. These systems enable the tracking of the intraoperative positioning of the vertebrae, and can be used to update 3D preoperative models. This requires the installation of external markers on vertebrae or the manual identification of anatomic points during surgery, which can interfere with the surgical procedure. Imaging and navigation systems are then currently available to visualize the 3D deformities of the spine and to safely and precisely guide the instrumentation maneuvers. Nevertheless, these systems do not enable the quantification of the intraoperative scoliotic deformities and the correction resulting from instrumentation maneuvers. This project aimed to develop a technique that enables the automatic intraoperative measurement of the scoliotic deformities, in order to provide the surgeon with quantitative feedback to evaluate and improve the surgical strategy. The 3D scoliotic deformities were computed by registering a preoperative geometric model with intraoperative 3D fluoroscopic images of the spine. More precisely, a preoperative geometric model was constructed from 28 vertebral landmarks manually identified by an operator on biplanar radiographs acquired preoperatively in standing position. These landmarks were used to obtain a surface model of each vertebra though a dual kriging interpolation technique. The intraoperative model was computed by the registration between this preoperative geometric model and the intraoperative data, composed of a voxelized model obtained from 3D fluoroscopic images. Each vertebra of the voxelized model was segmented and manually identified on intraoperative 3D fluoroscopic images. A rigid registration


identifier: Sok, M. C. (2013). Mesure sans contact d'un panneau d'aile d'avion et analyse numérique pour contrôle dimensionnel  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Lors de la fabrication des panneaux d'ailes d'avions, les étapes d'inspection sont primordiales pour assurer leur conformité et donc permettre aux ailes d'assurer les performances aérodynamiques requises. Aujourd'hui cette inspection se fait de façon manuelle à l'aide d'une jauge et d'un gabarit d'inspection pour le panneau, étant donné sa faible rigidité qui empêche les méthodes d'inspection traditionnelles. Itérativement, tant que la géométrie du panneau n'est pas jugée conforme, il repasse par une étape de mise en forme avant d'être inspecté à nouveau. Non seulement le gabarit est un élément extrêmement coûteux car précis, mais ce genre d'opération consomme du temps en monopolisant le gabarit qui ne peut donc pas être utilisé pour un autre panneau. En partant de cette constatation, ce projet vise à fournir une réponse quant à la faisabilité d'une méthodologie basée sur l'automatisation de ce type d'opération. Ceci en intégrant dans le processus des machines de mesure sans contact capables d'acquérir numériquement la forme géométrique du panneau. De plus, la possibilité de réaliser cette opération sans l'utilisation de gabarit est aussi à l'étude, ce qui le laisserait libre pour d'autres tâches. La méthodologie proposée utilise des simulations numériques afin de vérifier la conformité du panneau. Cela permettrait alors de passer à une inspection semi-automatisée et sans gabarit en fournissant un outil d'aide à l'opérateur. La méthodologie proposée peut être décrite en trois étapes cependant, il est nécessaire de proposer une étape supplémentaire afin de valider les résultats obtenus avec cette méthodologie. C'est le rôle de la première étape qui consiste à acquérir manuellement des valeurs de références qui serviront à être comparées avec les valeurs obtenues lors de l'application de la méthodologie. La deuxième étape est l'acquisition numérique de l'objet à inspecter posé sur un plateau support quelconque, à l'aide d'un scanneur laser.  ABSTRACT: During the manufacturing of the wing skin, the inspection steps are essential to ensure their conformity and thus allow the wings to ensure the required aerodynamic performances. Nowadays, considering the panel's low stiffness which prevents traditional inspection methods, this inspection is done manually with a template gauge and a jig. Iteratively, as long as form compliance is not reached, the panel goes through an additional dimensional refinement before being inspected in a second time. Because the jig is accurate, it is very expensive and furthermore, the inspection of panels is time-consuming by monopolizing the jig, which cannot be used in the meantime. Using this consideration as a starting point, this project seeks to provide a response to the practicability of a methodology based on the automation of that king of operation. This by integrating into the process non-contact measuring machines capable of acquiring numerically the geometrical shape of the panel. Moreover, the opportunity of realizing this operation without the use of a jig is also being considered, which would leave it free for other tasks. The methodology suggested use numerical simulations to check form compliance. Finally, this would provide a tool to assist the operator by allowing a semi automated inspection without jig. The methodology suggested can be describe in three steps, however it is necessary to propose an additional step to validate the results achieved with this methodology. Then, the first step consist of manually acquiring reference values which will served to be compared with the values obtained during the application of the methodology. The second step deals with the numerical acquisition, with a laser scanner, of the object to be inspected settled down on some supporting plate. The third step is the numerical reconstruction of this object with a computer-aided design software. Finally the last step consists of a numerical inspection of the object to predict the form compliance. Considering the large dimensions of the wing skins and of the jigs used in industry,the methodology suggested takes accounts of the available means in laboratory. Then, the objects used have lower dimensions than those used in the industry.


identifier: Durand, S. (2013). Mise en oeuvre des propulsifs multicouches en filières concentriques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Afin d'améliorer les performances balistiques des systèmes d'armes modernes, l'objectif principal de ce mémoire est d'établir les critères qui rendent possible la mise en forme de propulsifs multicouches en cylindres concentriques.  Premièrement,  l'approche suggérée détermine la géométrie optimale des bâtonnets de propulsif multicouches afin d'optimiser l'accélération du projectile pour la pression maximale interne admissible dans le système d'arme. Cette étape est réalisée par simulation balistique  avec le logiciel PlayballMC et se base sur des données de combustion obtenues expérimentalement en vase clos.  Deuxièmement,  l'effort porte sur l'optimisation de l'écoulement des filières d'extrusion par la méthode des éléments finis. Les données d'entrées de ces simulations sont les géométries et formulations obtenues à l'aide de simulations de balistique interne et les mesures rhéologiques effectuées par rhéomètre rotationnel, capillaire et fente. Les résultats de ces simulations sont ensuite validés expérimentalement.  Cette étude souligne finalement l'importance de l'influence thermique et de la caractérisation du comportement rhéofluidifiant des pâtes propulsives sur l'écoulement lors de la conception des filières.  ABSTRACT: The primary purpose of this effort is to establish the criteria that enable the extrusion of multilayered propellants in concentric cylinders to improve the ballistic performances of modern weapon systems.  First, the suggested approach defines the optimal geometry of the multilayer propellant sticks to maximize the projectile's acceleration for the maximal weapon system internal pressure capacity. This step is carried by internal ballistic simulations via the Playball™ code and is based on closed vessel combustion data.    Second, the effort focuses on optimizing the flow of extrusion dies by the finite elements method. The input data for these simulations are geometries and formulations obtained by internal ballistic simulations and rheological measurements of the energetic materials by torque rheometer as well as capillary and slit dies. The results obtained by finite elements have been later validated experimentally.


identifier: Becker, M. (2013). Analyse du procédé et des paramètres de fabrication par écriture-direct assistée par lumière ultraviolet pour des applications d'emmagasinage d'énergie mécanique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les applications technologiques dans le domaine des micro et nano technologies évoluent rapidement et imposent des exigences sévères pour l'emmagasinage de l'énergie nécessaire à leur fonctionnement pendant de longues périodes de temps dans une variété d'environnements. Les piles chimiques sont la solution privilégiée en raison de leur facilité d'utilisation et leur grande capacité de stockage. Des appareils d'emmagasinage d'énergie mécanique (e.g., les ressorts mécaniques) offrent par contre une meilleure résistance aux températures extrêmes, plus de cycles de charge avant la défaillance, une libération plus rapide de l'énergie et moins de fuites de l'énergie emmagasinée. Les développements au niveau des matériaux avancés et des nanotechnologies ont mené à des matériaux avec une rigidité qui dépasse de loin celle des matériaux conventionnels et pourraient rivaliser avec les appareils chimiques au niveau de l'énergie spécifique (énergie par unité de masse). Ici, nous avons utilisé la procédure de fabrication par écriture directe assistée par rayonnement ultraviolet (FED-UV) pour fabriquer différentes configurations de ressorts tridimensionnels (3D) avec des diamètres de filaments autour de 100 μm. En réduisant la taille des filaments, les structures fabriquées peuvent être plus compactes et avoir une densité d'énergie (énergie par unité de volume) plus importante. Cette procédure implique l'extrusion en forme libre d'une structure de filaments en 3D, polymérisée par exposition immédiate à la lumière UV. Des géométries hélicoïdales et spirales à forme carrée et deux modes de chargement (tension et torsion) ont été analysés lors de cette étude. Un mappage des rapports structure-procédé a été déterminé par la fabrication de multiples structures en faisant varier les principaux paramètres du procédé. Les combinaisons de paramètres menant aux structures désirées ont été déterminées.  ABSTRACT: Technological applications in the field of micro- and nano-technologies are evolving rapidly and are ever more demanding in their energy storage requirements for operation over long periods of time in a variety of environments. Chemical batteries are generally the preferred option due to their ease of use and high energy storage capacity. Mechanical energy storage devices (e.g., mechanical springs) provide a better resistance to extreme temperatures, more charge cycles before failure, a rapid release of energy and less leakage of stored energy compared to chemical batteries. Developments in advanced materials and nanotechnologies have led to materials with strengths that far exceed that of conventional materials and could be used to fabricate mechanical energy storage devices which compete with the chemical batteries in the specific energy (i.e., energy per unit mass). Here we used the Ultraviolet-Assisted Direct-Write (UV-DW) manufacturing process to produce three-dimensional (3D) micro-coils with filament diameters around 100 microns. By reducing the size of the filaments, the structures can be more compact and have higher energy densities (i.e., energy per unit volume). The UV-DW procedure involves the extrusion of 3D freeform filaments polymerized by immediate exposure to UV light. Helical and square spiral tower (SST) microcoil geometries and two modes of loading (tension and torsion) were analyzed in this study. A process-structure property relationship map was determined by fabricating multiple structures while varying the main process parameters. Parameter combinations leading to the desired structure configurations were determined. Helical and SST microcoils were fabricated and their mechanical responses were tested using a mechanical testing apparatus. For helical microcoils loaded in tension, a spring stiffness of 7.7 N m-1 was measured leading to a total energy storage of 34.2 μJ, an energy density of 4.15 kJ m-3 and a specific energy of 0.041 kJ kg-1.


identifier: Ammar, S. (2013). Design conceptuel d'un avion "Blended Wing Body" de 200 passagers  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le Blended Wing Body (BWB) est basé sur le concept d'aile volante et présente des performances améliorées comparé à des avions conventionnels. Par contre, la plupart des études se sont penchées sur des avions de grande à très grande capacité et il n'est pas clair si les gains seront les mêmes pour des avions plus petits. L'objectif principal de ce mémoire est d'effectuer la conception conceptuelle d'un avion de type BWB de 200 passagers et de comparer les performances obtenues à un avion classique l'A320 équivalent en termes de nombres de passagers et distance franchissable. L'environnement CEASIOM a été choisi pour réaliser la conception du BWB. Cette plateforme de design connue pour le design d'avion conventionnel a été modifiée et des outils complémentaires ont été intégrés afin de réaliser l'analyse aérodynamique, performance et stabilité de l'avion à fuselage intégré. Un modèle d'avion est obtenu dans le module géométrique AcBuilder de CEASIOM à partir des variables de design d'une aile conventionnelle. Les estimations de masse sont réalisées à partir de formules semi-empiriques adaptées à la géométrie du BWB et les calculs de centrage et inerties sont obtenues par un modèle BWB développé sous CATIA. Des méthodes basses fidélité, comme TORNADO, et des formules semi-empiriques sont utilisées pour analyser l'aérodynamique, la performance et la stabilité de l'avion. Les résultats aérodynamiques sont validés à l'aide d'une analyse haute-fidélité utilisant le logiciel CFD FLUENT. Un processus d'optimisation est implémenté afin d'obtenir des performances améliorées tout en respectant les contraintes. Il s'agit d'une optimisation de la forme en plan de l'avion. Les performances de l'avion BWB optimisé sont comparées à un A320 également optimisé. Des gains significatifs sont observés. Enfin, une analyse de la dynamique de vol longitudinal et latéral est réalisée sur l'avion BWB optimisé. Cette étude a permis d'identifier les modes stables de l'avion et a mis en évidence les problèmes potentiels de stabilité liés à l'oscillation d'incidence et au roulis hollandais.  ABSTRACT: The Blended Wing Body is built based on the flying wing concept and performance improvements compared to conventional aircraft. The design methodology of this type of aircraft looks different from a conventional aircraft by its unconventional shape and strong integration between different disciplines. A multidisciplinary design method was considered. The design of the Blended Wing Body was carried out under the CEASIOM environment. This platform design suitable for conventional aircraft design has been modified and additional tools have been integrated in order to achieve the aerodynamic analysis, performance and stability of the aircraft fuselage built. A plane model is obtained in the geometric module AcBuilder CEASIOM from the design variables of a wing. Estimates of mass are made from semi- empirical formulas adapted to the geometry of the BWB and calculations centering and inertia are possible through BWB model developed in CATIA. Low fidelity methods, such as TORNADO and semi- empirical formulas are used to analyze the aerodynamic performance and stability of the aircraft. The aerodynamic results are validated using a high-fidelity analysis using FLUENT CFD software. An optimization process is implemented in order to obtain improved while maintaining a feasible design performance. It is an optimization of the plan form of the aircraft fuselage integrated with a number of passengers and equivalent to that of a A320.Les performance wing aircraft merged optimized maximum range are compared to A320 also optimized. Significant gains were observed. An analysis of the dynamics of longitudinal and lateral flight is carried out on the aircraft optimized BWB finesse and mass. This study identified the stable and unstable modes of the aircraft. Thus, this analysis has highlighted the stability problems associated with the oscillation of incidence and the Dutch roll for the absence of stabilizers.


identifier: Sauvageau, G. (2013). Optimisation de l'approvisionnement en vieux papiers par la simulation à base d'agents  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La gestion de la chaîne d'approvisionnement est un savoir-faire essentiel à la réussite des entreprises. Cela demande de plus en plus de précision, d'adaptation et de flexibilité. S'imbriquant dans ce contexte complexe et évolutif, ce mémoire propose d'utiliser un modèle de simulation à base d'agents pour étudier la performance de différentes politiques d'approvisionnement et de production dans l'industrie du vieux papier. Développé en partenariat avec un grand producteur de pâte à papier recyclée en Amérique du Nord, le modèle de simulation détaille un producteur de pâte recyclée et ses fournisseurs de vieux papiers. Plus précisément, il émule le comportement de gestionnaires et de processus de production et d'approvisionnement. Suivant l'objectif d'optimiser la stratégie d'approvisionnement de l'entreprise partenaire tout en respectant sa stratégie de production, une série d'expériences composée de diverses politiques d'achat et opérationnelles a été conduite. La principale conclusion portant sur la flexibilité de la production semble indiquer que cette dernière a un impact négatif sur les coûts, l'inventaire et la qualité. Il est possible de réduire partiellement ces effets avec l'introduction d'une politique de contrats flexibles, mais son effet est limité. Une stratégie plus efficace pour réduire les coûts est de réduire la cadence planifiée au minimum requis pour répondre à la demande. Enfin, un inventaire cible élevé permet de réduire les coûts d'achat, mais sa performance globale dépend des coûts d'entreposage.  ABSTRACT: The coordination of procurement and production activities is an essential part of business success. It requires accurate information and flexibility to adapt to complex and constantly changing business conditions. In this general context, this paper proposes to use an agent-based simulation model to study and analyze the performance of various procurement and production policies in the waste paper industry, between a recycled pulp producer and its waste paper suppliers. A detailed simulation model developed in partnership with a large recycled pulp producer in North America was developed in order to emulate the managers' behaviour and the production and procurement processes. A series of experiments was carried out in order to optimize of the procurement and production policies, in several productions contexts. Results show that production flexibility has a negative impact on costs, inventory and quality. However, it is possible to partially reduce these issues with the introduction of flexible contracts, although only a limited effect has been observed in our experiments. A more significant strategy to improve costs consists in reducing production rate to the minimum required to meet demand.