M. BOUTGHATIN

Soutenance : 29 mars 2022
Thèse de doctorat en Electronique, photonique, Université de Lille, ENGSYS Sciences de l’ingénierie et des systèmes,
Projet associé : RENATECH

Résumé :

Les vêtements sont des acteurs essentiels de notre quotidien afin de satisfaire le confort thermique du corps humain. Cependant, les vêtements conventionnels présentent généralement des performances thermiques médiocres et peu contrôlées. En effet, une variation brutale de la température de la pièce affecte considérablement le confort thermique du corps. D’où la nécessité d’utiliser de manière continue des systèmes de chauffage, ventilation, et climatisation (CVC) dans des espaces clos, afin de maintenir un environnement thermique approprié de la pièce. Cependant cette solution montre clairement ses limites par une consommation énergétique considérable qui affecte les secteurs de l’économie, de l’énergie et de l’environnement. Le développement de nouveaux textiles capables de gérer, à proximité de la peau, la température du corps humain, sur une large gamme de températures ambiantes, sans apport d’énergie supplémentaire, apparaît alors comme une solution alternative d’une urgente nécessité. Le corps humain, pour une température de peau de 34°C, émet des rayonnements électromagnétiques (EM) dans le moyen infrarouge (MIR) responsables de plus de 50% des pertes thermiques d’un individu. Une compréhension et une maîtrise de ces rayonnements permettraient de contrôler la température du microclimat, espace d’air entre le corps et le textile. Dans ce contexte, concevoir des textiles passifs, qui modulent les rayonnements MIR, présente un défi pour la communauté scientifique. Le but de la thèse est d’étudier théoriquement et expérimentalement les réponses spectrales dans le MIR (5-15 µm) de différentes membranes à faibles indices de réfraction afin de contrôler la thermorégulation individuelle. Nous avons démontré que l’insertion de particules dans des membranes permettait de moduler son absorption et donc, selon la loi de Kirchhoff, son émissivité. Sur la base de ces résultats, nous avons proposé un tissu asymétrique à réchauffement radiatif haute performance pour des environnements présentant des températures allant de froide à modérée. Dans un deuxième temps, nous avons élargi l’étude aux propriétés de transmission, réflexion, absorption et diffusion de membranes photoniques à base de polymère. Nous avons montré que celles-ci, sous certaines conditions géométriques, étaient capables de moduler le rayonnement EM dans le MIR, permettant ainsi d’agir sur la thermorégulation du microclimat. Le travail de thèse est basé sur des calculs analytiques et numériques par la méthode des éléments finis (FEM). L’étude numérique a été accompagnée par des expériences de fabrication en salle blanche à l’IEMN et de caractérisation par spectroscopie infrarouge (FTIR).

Abstract :

Clothing is an essential part of our daily life to satisfy the thermal comfort of the human body. However, conventional clothing generally has poor thermal performance and little control. Indeed, a sudden variation of the room temperature affects considerably the thermal comfort of the body. Hence the need for continuous use of heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) systems in enclosed spaces to maintain an appropriate thermal environment in the room. However, this solution clearly shows its limits by a considerable energy consumption that affects the economic, energy and environmental sectors. The development of new textiles capable of managing, close to the skin, the temperature of the human body, over a wide range of ambient temperatures, without additional energy input, appears as an alternative solution of urgent necessity. The human body, for a skin temperature of 34°C, emits electromagnetic (EM) radiation in the mid-infrared (MIR) range, which is responsible for more than 50% of an individual’s heat loss. An understanding and control of this radiation would allow to control the temperature of the microclimate, the air space between the body and the textile. In this context, designing passive textiles, which modulate MIR radiation, is a challenge for the scientific community. The aim of this thesis is to study theoretically and experimentally the spectral responses in the MIR (5-15 µm) of different membranes with low refractive indices in order to control individual thermoregulation. We have demonstrated that the insertion of particles in membranes allows to modulate its absorption and thus, according to Kirchhoff’s law, its emissivity. Based on these results, we proposed a high performance asymmetric radiative heating fabric for environments with cold to moderate temperatures. In a second step, we extended the study to the transmission, reflection, absorption and scattering properties of polymer-based photonic membranes. We have shown that these membranes, under certain geometrical conditions, were able to modulate the EM radiation in the MIR, thus allowing to act on the thermoregulation of the microclimate. The thesis work is based on analytical and numerical calculations using the finite element method (FEM). The numerical study was accompanied by experiments of manufacturing in clean room at IEMN and characterization by infrared spectroscopy (FTIR).