Études photo-thermiques du transport thermique dans des nanocomposites à changement de phase pour les systèmes de stockage d'énergie // Photothermal Investigations of Thermal Transport in Phase-Change Nanocomposites for Energy Storage Systems

Résumé : Le stockage thermique de l'énergie (STE) est une technologie clé pour l'intégration à grande échelle des sources d'énergie renouvelables dans les systèmes de chauffage et de refroidissement. Parmi les solutions de STE, les matériaux à changement de phase (MCP), tels que les n-alcanes, sont particulièrement attractifs en raison de leur chaleur latente de changement de phase élevée et de leurs températures de transition de phase ajustables. Cependant, leur conductivité thermique intrinsèquement faible limite sévèrement les vitesses de 'charge' et de 'décharge thermique', réduisant ainsi l'efficacité globale des dispositifs de stockage thermique.
Une stratégie prometteuse pour surmonter cette limitation consiste à encapsuler les MCP dans des matrices solides nanostructurées, comme le silicium poreux, formant ainsi des nanocomposites solide-liquide. Bien que ces systèmes présentent souvent des propriétés thermiques effectives améliorées, leur comportement thermique, en particulier près de la température de changement de phase, reste mal compris. Dans ce régime, la diffusion de la chaleur, les effets de transition de phase et les phénomènes interfaciaux sont fortement couplés, et les techniques conventionnelles de mesure thermique par contact échouent souvent en raison des perturbations du système et de l'hétérogénéité spatiale.

L'objectif de ce projet de thèse est de développer et d'appliquer des techniques photothermiques et photoacoustiques sans contact pour parvenir à une caractérisation quantitative du transport thermique dans les nanocomposites à base de MCP, avec une attention particulière sur le régime de transition de phase solide-liquide. Le projet vise notamment à extraire la diffusivité et la conductivité thermique effectives lors du changement de phase, ainsi qu'à établir des corrélations claires entre les effets de confinement, le changement de phase et les performances thermiques macroscopiques.

Approche de recherche : Les systèmes modèles consisteront en des matrices de silicium poreux remplies de MCP de type n-alcanes (par exemple, l'hexadécane). Les propriétés de changement de phase, y compris la chaleur latente, les températures de transition et l'hystérésis thermique, seront étudiées par analyse calorimétrique différentielle (DSC), complétée par la spectroscopie Raman pour sonder l'évolution locale de la structure et de la phase sous confinement. Une installation expérimentale photothermique/photoacoustique dédiée sera développée et optimisée pour les nanocomposites à base de MCP. Une attention particulière sera portée à l'interprétation des signaux en présence d'effets induits par la chaleur latente et les transitions de phase hétérogènes. Les propriétés de transport thermique extraites seront validées croisées à l'aide de techniques complémentaires pour garantir la cohérence physique.
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Abstract : Thermal energy storage (TES) is a key enabling technology for the large-scale integration of renewable energy sources into heating and cooling systems. Among TES solutions, phase-change materials (PCMs), such as n-alkanes, are particularly attractive due to their high latent heat capacity and tunable phase-transition temperatures. However, their intrinsically low thermal conductivity severely limits 'heat-charging' and 'discharging' rates, reducing the overall efficiency of thermal storage devices.
A promising strategy to overcome this limitation is to embed PCMs within nanostructured solid matrices, such as porous silicon, thereby forming solid–liquid nanocomposites. While such systems often exhibit improved effective thermal properties, their thermal transport behavior, especially near the phase-change temperature, remains poorly understood. In this regime, heat diffusion, latent heat effects, and interfacial phenomena are strongly coupled, and conventional contact-based thermal measurement techniques often fail due to system perturbation and spatial heterogeneity.

The objective of this PhD project is to develop and apply non-contact photothermal and photoacoustic techniques for the quantitative characterization of thermal transport in PCM-based nanocomposites, with a particular focus on the solid–liquid phase-transition regime. The project aims to extract effective thermal diffusivity and thermal conductivity across the phase change and to establish clear correlations between confinement effects, phase-change behavior, and macroscopic thermal performance.

Research Approach : Model systems will consist of porous silicon matrices infiltrated with n-alkane PCMs (e.g. hexadecane). Phase-change properties, including latent heat, transition temperatures, and thermal hysteresis, will be investigated using Differential Scanning Calorimetry (DSC), complemented by Raman spectroscopy to probe local structural and phase evolution under confinement. A dedicated photothermal/photoacoustic experimental setup will be developed and optimized for PCM-based nanocomposites. Particular attention will be paid to signal interpretation in the presence of latent heat effects and heterogeneous phase transitions. Extracted thermal transport properties will be cross-validated using complementary techniques to ensure physical consistency.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://lemta.univ-lorraine.fr/energies-et-transferts/transport-en-milieux-complexes/transport-aux-nanoechelles/

Enseignement supérieur

Université de Lorraine

608 SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

Les candidat(e)s doivent être titulaires d'un diplôme de Master (ou équivalent) en physique, science des matériaux, génie thermique ou dans un domaine connexe. Compétences et expérience requises : * Solides connaissances en transfert de chaleur et propriétés de transport thermique, * Expérience expérimentale ou intérêt marqué pour les techniques de caractérisation thermique, * Capacité à réaliser des analyses de données et des modélisations avec Python et/ou MATLAB, * Connaissances de base en optique et électronique applicables aux montages expérimentaux. Expériences particulièrement appréciées (atouts) : * Techniques expérimentales photothermiques ou photoacoustiques, * Matériaux à changement de phase (PCM) et systèmes de stockage d'énergie thermique, * Mesures thermiques sans contact (Raman, IR, thermoréflexion).
Applicants must hold a Master's degree (or equivalent) in physics, materials science, thermal engineering, or a closely related field. Required skills and background: * Solid knowledge of heat transfer and thermal transport properties, * Experimental experience or strong interest in thermal characterization techniques, * Ability to perform data analysis and modeling using Python and/or MATLAB, * Basic knowledge of optics and electronics relevant to experimental setups. Highly desirable (advantageous) experience: * Photothermal or photoacoustic experimental techniques, * Phase-change materials (PCMs) and thermal energy storage systems, * Non-contact thermal measurements (Raman, IR, thermoreflectance).