Thèse soutenue

Exploitation de l'effet électro-calorique pour la réfrigération : optimisation des propriétés des matériaux et des processus associés
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Auteur / Autrice : Said Bellafkih
Direction : Abdelhak Hadj SahraouiStéphane Longuemart
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : PHYSIQUE. Physique des matériaux
Date : Soutenance le 22/09/2020
Etablissement(s) : Littoral
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de dynamique et structure des matériaux moléculaires - Unité de Dynamique et Structure des Matériaux Moléculaires / UDSMM
Financeur : Hauts-de-France. Conseil régional - Communauté urbaine de Dunkerque (Nord) - Fonds européen de développement régional
Jury : Président / Présidente : Mustapha Jouiad
Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Defaÿ, Stéphane Colasson, Sébastien Pruvost, Didier Fasquelle
Rapporteurs / Rapporteuses : Mustapha Jouiad, Emmanuel Defaÿ

Résumé

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Pour répondre aux enjeux environnementaux (changement climatique, couche d'ozone...) et à l'accroissement des besoins de réfrigération (besoins sanitaires, agro-alimentaire, de confort...), la réfrigération électrocalorique est une alternative prometteuse : elle permet d'éviter l'utilisation des fluides réfrigérants nocifs pour l'environnement employés dans les réfrigérateurs conventionnels. L'effet électrocalorique est la variation de la température d'un matériau polaire suite à l'application ou la suppression d'un champ électrique. Cette thèse avait deux objectifs : le premier était l'élaboration et la caractérisation d'un matériau électrocalorique original, et le deuxième était de concevoir un démonstrateur de réfrigération électrocalorique. Ainsi, un nouveau matériau électrocalorique à base de titanate de baryum dopé par du samarium avec différents taux de concentration a été élaboré et ses propriétés microstructurales, thermiques, diélectriques et ferroélectriques ont été caractérisées. L'effet du taux de concentration en samarium dans les sites A de la structure pérovskite du BaTiO3 sur la température de transition ferroélectrique/paraélectrique a pu être mis en évidence. L'étude des propriétés électrocaloriques en fonction de la température et de l'intensité du champ électrique a été réalisée par mesure directe du flux de chaleur électrocalorique généré ou absorbé suite à l'application ou la suppression du champ électrique. Nous avons utilisé pour cela un calorimètre adiabatique développé au sein du laboratoire et adapté à l'étude de l'effet électrocalorique. Cette étude préliminaire a permis de mettre en évidence un effet électrocalorique même pour des champs faibles et l'influence de la température et de la concentration en samarium sur l'intensité de cet effet. Par ailleurs, un démonstrateur de réfrigération électrocalorique a été mis au point, les premiers résultats obtenus ont permis d'évaluer et de discuter les différentes solutions techniques proposées. Nous avons ainsi pu montrer la faisabilité de l'utilisation de l'effet électrocalorique pour la réfrigération, validant ainsi l'idée de l'exploitation de l'effet électrocalorique comme une solution alternative aux techniques usuelles de réfrigération. De par sa conception, ce démonstrateur peut être envisagé comme un banc d'essai permettant l'optimisation des propriétés des matériaux et des processus associés dans le cadre d'une application de l'effet électrocalorique pour la réfrigération.