Modifications chimiques de polysaccharides en milieu aqueux pour générer de nouveaux matériaux biosourcés fonctionnels

Doctorant : Laurent REMY

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

La modification chimique de polysaccharides, par des procédés conjuguant efficacité et durabilité, est une stratégie de choix pour valoriser la biomasse. A ce titre, les réactions multicomposant (RMC) sont des voies de fonctionnalisation très attrayantes permettant de lier chimiquement plusieurs précurseurs en conditions monotopes, sans catalyseurs ni agents de couplage. Nous nous sommes intéressés à la carboxyméthylcellulose (CMC), dérivé éther de la cellulose, diffusé à grande échelle, et soluble dans l'eau de par la présence de fonctions acide carboxylique qui facilitent également sa modification chimique, en particulier par les RMC utilisées dans le cadre de ce travail de thèse. Deux RMC ont été exploitées et appliquées à la CMC : la réaction d’Ugi à quatre composants (U-4CR) et celle de Passerini à trois composants (P-3CR) toutes deux réalisées dans l’eau et sous des conditions douces. Notamment, par la réaction de Passerini nous avons généré : i) une nouvelle famille de dérivés fonctionnels et/ou réactifs, à base de CMC doublement modifié par des cétones de structure variée (cétones non substituées, pyruvate, acétoacétate, lévulinate, diacétone acrylamide) et par un isonitrile aliphatique, ainsi que ii) des matériaux hybrides à base de CMC, à savoir des hydrogels chimiques et physiques. Des hydrogels réticulés chimiquement thermosensibles ont été obtenus par un processus de « grafting through » en conditions radicalaires, entre un macromonomère de CMC modifié par Passerini avec une cétone fonctionnalisée méthacrylate et des comonomères à base de méthacrylate d’éthylène glycol. Les hydrogels physiques, présentant également un comportement thermosensible, ont été générés à partir de copolymères greffés de CMC porteurs à la fois de segments de PEG- co-PPG (Jeffamine) à LCST et d’aldéhydes aliphatiques. La réponse en température de ces systèmes a été étudiée de façon approfondie et l’impact de paramètres externes et structuraux a été élucidé par DSC, rhéologie, et par des expériences de SAXS. Nous avons notamment mis en évidence tout le bénéfice apporté par la double fonctionnalisation Passerini.

Unidirectional High-Ratio DC-DC Converter for Renewable Energy Sources

Doctorant : Pierre LE METAYER

Laboratoire INSA : AMPERE

Ecole doctorale : ED160 EEA

Les travaux réalisés au cours de cette thèse se concentrent sur le thème du convertisseur DC-DC pour les applications d’énergies renouvelables connectées à un réseau moyenne tension DC. La palette de sujets abordées s’étend de la définition des exigences auxquelles un tel convertisseur doit répondre jusqu’aux propositions d’implémentations matérielles le permettant, en passant par la sélection de la topologie la plus adaptée ainsi que par l’adaptation de son contrôle. Les différents points étudiés sont accompagnés de validations expérimentales utilisant différentes maquettes. Un prototype complet de convertisseur DC-DC 1.2 kV - 6.6 kV 83 kW est notamment construit et opéré à pleine puissance et tension.

 

Transferts et processus associés aux résidus de médicaments humains et vétérinaires et aux biocides des boues urbaines et des lisiers utilisés comme fertilisants

Doctorante : Noémie PERNIN

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Les boues urbaines contiennent des résidus pharmaceutiques et des biocides divers, partiellement traités dans les stations d’épuration. Le lisier contient des pharmaceutiques vétérinaires et des biocides utilisés pour le nettoyage des installations d’élevage. Les boues comme les lisiers sont épandus comme fertilisant pour l’agriculture. Des traces de résidus pharmaceutiques humains et vétérinaires, ainsi que des biocides sont ainsi présents dans de nombreuses rivières et aquifères, et dans les sols agricoles en France et dans le monde entier.
La thèse est consacrée à l'évaluation des transferts et des processus associés (dégradation, infiltration, adsorption, etc.) liés aux résidus pharmaceutiques et aux biocides provenant à la fois des boues des stations d'épuration urbaines et des lisiers épandus sur les champs comme engrais pour l'agriculture. Elle fait partie du projet Telesphore réalisé sur l'observatoire SIPIBEL. L'objectif principal est d'évaluer la contamination possible par les produits pharmaceutiques et les biocides des sols et des eaux souterraines due à l'épandage de produits résiduaires organiques (PRO) comme fertilisants. La partie expérimentale est bâtie sur trois échelles d’étude (i) des essais en microcosme pour caractériser la sorption à des sols et des mélanges sol/PRO (ii) des essais en conditions contrôlées sur colonnes de sol pour évaluer les transferts verticaux et (iii) des campagnes in situ sur des lysimètres (Fig. 1) soit en condition réelle d’épandage, soit en taux d’application élevé de PRO. Les paramètres de sorption obtenus par les essais en microcosme sont utilisés pour la modélisation sur HYDRUS 1D du transfert réactif des essais sur colonnes de sol.

 

Algorithmes d'apprentissage pour le cyclisme urbain : modèles implicites et infrastructure dynamique

Doctorant : Lucas MAGNANA

Laboratoire INSA : CITI

Ecole doctorale : ED512 : InfoMaths

Le développement de nouvelles technologies ainsi qu'une prise de conscience des dangers du dérèglement climatique ont permis entre autres une augmentation du nombre de cyclistes dans les villes au cours des 20 dernières années. Cela s'est naturellement accompagné de nouveaux moyens de récupérer des données comportementales de cyclistes, diversifiant et multipliant les jeux de données existants. L'objectif de cette thèse est d'utiliser certaines données comportementales de cyclistes ainsi que des algorithmes récents d'intelligence artificielle pour créer des outils innovants d'aide aux politiques urbaines d'incitation au cyclisme. Dans un premier temps, un état de l'art des différentes sources de données de comportements de cyclistes est dressé. Cet état de l'art permet, entre autres, de se rendre compte des difficultés d'utilisation accompagnant chaque source. Celui-ci est aussi l'occasion de justifier les sources de données utilisées ensuite. Dans un second temps, une méthode de création de modèles de choix d'itinéraire implicites est développée à partir de traces GPS. Les modèles créés avec cette méthode permettent de générer un itinéraire cyclable à partir d'une origine et d'une destination. Le développement d'un modèle commence par l'identification des segments de route préférés par les cyclistes ayant généré les traces GPS. Un réseau de neurones artificiels choisi ensuite un groupe de segments de route préférés pertinents à partir d'une origine et d'une destination. Une pondération de graphe routier est ensuite effectuée à l'aide des segments de route sélectionnés pour générer un itinéraire cyclable. Enfin, un feu de signalisation intelligent permettant de sécuriser le passage des cyclistes à l'intersection qu'il régule est développé. L'utilisation de l'intelligence artificielle permet de séparer les flux de vélos et de véhicules motorisés en limitant l'impact sur le trafic à l'intersection. Les simulations dans lesquelles ce feu est testé ont un volume de véhicules réaliste grâce à l'utilisation de données de compteurs.

Modeling, characterization and implementation of ferroelectric materials and their phase transitions for energy harvesting under extreme conditions

Doctorant : Gaspard TAXIL

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED160 : EEA

Ce travail de recherche se concentre sur l’utilisation des transitions de phases des matériaux ferroélectriques pour la récupération d’énergie mécanique. La récupération d'énergie mécanique est une approche alternative pour alimenter des dispositifs et des capteurs. Cela est d’un grand intérêt, surtout compte tenu de l’essor des dispositifs interconnectés et du besoin de produire de l’électricité décarbonée. Cette thèse a la particularité de s’intéresser aux systèmes non résonnants, ce qui reste encore peu exploité en récupération d’énergie. L'un des principaux défis avec cette approche est la nécessité de maximiser la récupération d'énergie par cycle pour la rendre viable. Ainsi, l'utilisation de cycles thermodynamiques permet d'optimiser l'énergie récoltée. Le cycle d’Ericsson, communément appelé cycle d’Olsen dans le domaine de la récupération d'énergie pyroélectrique, a attiré l'attention en raison de ses remarquables capacités de conversion d'énergie. Ce cycle comprend deux processus isostatiques et deux processus isoélectriques et il offre une bonne solution pour la récupération d'énergie mécanique non résonante. Dans ce contexte, les matériaux ferroélectriques (une classe particulière des matériaux piézoélectriques) montrent un potentiel significatif pour être utilisés dans la récupération d'énergie mécanique en tant que transducteur en raison de leurs propriétés exceptionnelles. Une caractéristique notable de ces matériaux est leur capacité à afficher des transitions de phase induites par des variations de température, de champ électrique et de contrainte. L'exploitation de ces transitions de phases peut s’avérer prometteur pour améliorer la récupération d'énergie, étant donné que les matériaux présentent des propriétés non linéaires à proximité de ces transitions. Ainsi, ce travail propose grâce à la modélisation, la caractérisation et l’implémentation de ces matériaux ferroélectriques dans des dispositifs de récupération d’énergie, d’utiliser ces non-linéarités induites par la contrainte et par le champ électrique pour améliorer la conversion d’énergie mécanique.

Etude expérimentale et numérique de l'impact de la microstructure sur l'endommagement des roulements de ligne d'arbre moteur sous indentation

Doctorant : Amakoe Komlanvi AHYEE

Laboratoire INSA : LamCos

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les roulements sont des composants mécaniques essentiels qui facilitent la transmission de puissance et le guidage en rotation avec un frottement réduit. L’endommagement en surface reste aujourd’hui la principale source de défaillance des roulements, il est la plupart du temps dû à la présence de défauts en surface tels : les rugosités et les indents.
Cette étude porte donc sur la compréhension des mécanismes d'endommagement en surface des roulements dus à l'écrasement des particules. Ainsi une caractérisation des matériaux des roulements (M50, 32CDV13, M50NiL, M50NiLDH) ayant subi des traitements thermochimiques a permis d’identifier le gradient de micro-dureté ainsi que les lois de comportement matériau et leurs évolutions. Des modèles semi-analytiques prenant en compte les effets des bords ont été élaborés, mettant en évidence que les bords libres induisent une augmentation de l’amplitude de la pression de contact de Hertz ainsi qu’un décalage de cette dernière. Ainsi l’utilisation des solutions de Hertz pour résoudre le contact peut entraîner des erreurs pouvant atteindre jusqu’à 20% de la pression maximale de Hertz dans le cas d’un massif de dimension finie. Les effets de bords disparaissent et peuvent être négligés à partir d’une distance d/a ≥ 4. Pour simuler l’indentation sur les pistes de roulement, un modèle par éléments finis de type « couplé Euler-Lagrange » a été adapté afin de reproduire le processus d’indentation réel des roulements et d’en étudier les influences. Une étude paramétrique exhaustive du processus d’indentation a été menée, révélant ainsi que la taille, la nature, la forme et la position de la particule, les matériaux des roulements, la présence de glissement et son taux critique, ainsi que les contraintes résiduelles ont une influence significative sur la formation du bourrelet. L’étude de la fatigue de surface a impliqué l’utilisation de critères de fatigue notamment des critères dérivés de Dang van afin de localiser les sites d’amorçage des fissures. En s’appuyant sur la limite d’endurance expérimentale identifiée dans les travaux de Jacq et al. un critère d’endommagement basé sur la pente moyenne des bourrelets a été identifié. Ce critère permet de relier les propriétés des particules ainsi que les dimensions de l’indent. La pente moyenne critique ainsi que la hauteur de bourrelet critique sont donc identifiées via l’utilisation des expressions analytiques établies traduisant l’évolution des paramètres d’indentation.

 

A gridless method for three-dimensional acoustic imaging based on unconstrained sonons

Doctorant : Zijian NIU

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 MEGA

L'imagerie acoustique tridimensionnelle par les antennes de microphones est une mission compliquée. En effet, des limitations surviennent lors de la réalisation de mesures tridimensionnelles en raison du nombre significatif de microphones nécessaires et des recherches exhaustives associées aux méthodes basées sur un maillage. Dans ce contexte, au lieu de créer un maillage d'une région de l'espace pour identifier les distributions de sources acoustiques, l'objectif de ce travail est de proposer une nouvelle méthode sans maillage pour reconstruire le champ acoustique à l'aide d'un ensemble équivalent de sources ponctuelles aux coordonnées non restreintes, appelées "sonons acoustiques". Leur rayonnement est censé reproduire les mêmes propriétés acoustiques que le champ acoustique mesuré, telles que son niveau de pression, sa directivité et sa cohérence spatiale en récupérant les informations de phase. Il est constaté que le concept proposé de sonons, tout en étant très flexible, offre efficacement des représentations équivalentes pour diverses distributions de sources. Les résultats de simulation montrent que la méthode peut s'adapter à diverses situations de champ acoustique, qu'il s'agisse de sources élémentaires ou de densités de sources volumétriques complexes. Le problème est formulé dans un cadre probabiliste, à travers un modèle bayésien hiérarchique inféré par un algorithme dédié de Monte Carlo par les chaînes de Markov. Les performances de la méthode sont évaluées sur des problèmes de rayonnement analytique, et sa capacité à reconstruire la directivité est testée pour deux cas de rayonnement en champ lointain et un cas industriel.

Blood velocity reconstruction with contrast enhanced X-ray CT

Doctorant : Shusong HUANG

Laboratoire INSA : Creatis

Ecole doctorale : ED160 EEA

In this work, we aim to focus on blood flow reconstruction using the Computed Tomography (CT) technique. This non-destructive and non-invasive technique is broadly used in non-medical and medical clinical applications for the human body and brain. X- rays and Computed Tomography have been a breakthrough in the medical field to visualize the tissues and organs of a patient. However, in the past two decades, there are few research works concentrating on in vivo blood velocity measurement with X-ray CT. Blood flow velocity reconstruction with contrast enhanced X-ray CT is a complex inverse problem. The acquisition of 2D CT projections perpendicular to the major flow propagation direction is considered for the reconstruction of blood flow, with a tracer injected into the vessel. In order to solve the inverse problem of contrast-enhanced CT reconstruction of vascular blood flow, a function is minimized with a data term taken into account the projections coupled with a partial differential equation (PDE) describing the transport of the tracer used as a constraint. The PDE models the propagation of the contrast agent with a convection term depending on a flow velocity field.

The objectives of this work are blood velocity components reconstruction with X-ray CT with accelerated convergence, reduced calculation cost, and reduced radiation dose. To accomplish these objectives, the adjoint method is initially considered for solving the tomographic inverse problem with a constraint based on a PDE. Additionally, to accelerate convergence, the proper orthogonal decomposition (POD) method combined with the adjoint method is proposed in this work. Finally, the new Proper Orthogonal Decomposition-Deep Learning (POD-DL) approach for solving the considered inverse problem is investigated to reduce effectively the computation costs in our work. The effectiveness of proposed approaches for blood flow reconstruction is demonstrated by employing the blood velocity reconstruction in a simulation vessel.

Flowshop scheduling problem including learning and fatigue effects: theoretical contributions and case study

Doctorante : Yenny Alexandra PAREDES-ASTUDILLO

Laboratoire INSA : DISP

Ecole doctorale : ED512 : InfoMaths

Despite the rise of automation, hand-intensive production systems are still in use due to the need for workers to be extremely flexible and precise in completing certain tasks. Interest is generated by the impact of learning and fatigue on manual task productivity. The focus of this study is on a flowshop scheduling problem (FSSP) that considers the effects of learning and fatigue. Firstly, a literature review was conducted on the scheduling problem with learning and deterioration effect. After that, a theoretical approach was used to address the problem of FSSP with learning effect. Mathematical models that minimize the makespan were presented. Exact methods and heuristics were proposed for solving the problem in small and large instances. As fatigue is a type of deterioration, a multi-agent model was proposed to validate the integration of muscular fatigue into the FSSP by minimizing the total fatigue dose. Finally, the framework was validated by a case study application that took place in a manual picking line. The modeling of learning and fatigue effects and the computation of model parameters from real data were discussed. A bi-objective approach was proposed to minimize both makespan and total fatigue dose simultaneously. Break policies are recommended depending on the company's needs and the objective to prioritize. The aim of this work is to inspire future work that is interested in addressing operations research problems with a responsible incorporation of human factors.

Elaboration, characterization, and reliability of Copper-Copper connections for the assembly of advanced technology microelectronic devices

Doctorant : Romain HAEFFELE

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Dans les composés microélectroniques, la connexion électrique entre le circuit intégré et son boîtier est généralement effectuée par un procédé de câblage qui implique une soudure entre un fil et deux plots de connexion. Une récente technologie permet de réaliser ce câblage sans soudure intermétallique (liaison cuivre-cuivre). Cependant, lors des procédés d'assemblage et du fonctionnement du produit, le pad de cuivre est exposé à des environnements agressifs (température, humidité et contaminants halogénés). La corrosion des plots de cuivre peut entraîner une rupture du câblage et une baisse de la fiabilité du dispositif. Il est donc essentiel de maîtriser l'état de surface des plots tout au long de l'assemblage précédent le procédé de câblage. Une couche d’alumine ultra-mince (< 15 nm) est déposée sur le cuivre pour le protéger tout en permettant le câblage thermosonique. Cependant, des phénomènes de corrosion localisée ont été observés. Il est question dans cette thèse d’étudier les mécanismes de dégradation de ces systèmes revêtus Cu/Al2O3 pour proposer un revêtement qui permet de répondre au cahier des charges. Une caractérisation fine du substrat a été réalisée par des techniques de microscopie avancées. Il a été montré que l’état de surface du cuivre est un facteur très important. En effet, la surface du substrat présente des excroissances de grains (zones de fortes contraintes entre les grains), qui ne permettent pas une bonne tenue de la couche d’alumine. Une étude approfondie de la réactivité par voie électrochimique du système revêtu a permis de comprendre les mécanismes de dégradation du cuivre en milieu aqueux et chloruré. Sur la base de ces nouvelles connaissances, un revêtement innovant capable de résister à la fois à l'environnement agressif et aux contraintes mécaniques du substrat a été proposé. Le nouveau système revêtu a été validé sur un dispositif réel et son intégration dans le procédé de câblage a été réalisée avec succès.