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Matriaux en lectromagntisme

Introduction

par Alain PRIOUPofesseur des universitsDirecteur du Groupe dlectromagntisme appliquDirecteur de lIUT de Ville-dAvray

ans les secteurs industriels de laronautique, de larospatiale, de lauto-mobile, puis maintenant des radiocommunications, des progrs trs impor-

tants ont t raliss par lemploi des matriaux composites qui remplacent pro-gressivement les structures mtalliques.

Dans cet tude, nous avons voulu aborder en premier lieu les problmes tho-riques de modlisation de ces milieux, ensuite voquer les milieux absorbants etdfinir les grands principes qui les rgissent et terminer par les procds decaractrisation des milieux composites.

Lensemble Matriaux en lectromagntisme fait lobjet de plusieursfascicules :

AF 3 370 Introduction

AF 3 371 Modlisation des matriaux composites

AF 3 372 Matriaux absorbants radar

AF 3 373 Caractrisation des matriaux composites

Les sujets ne sont pas indpendants les uns des autres. Le lecteur devra assezsouvent se reporter aux autres fascicules.

Le lecteur pourra se reporter dans le fascicule [AF 3 374] Pour en savoirplus , aux rfrences de base [1] [2] [3] et galement [4] et [5].

1. Composites dilectriques........................................................... AF 3 370 - 2

2. Domaine des hyperfrquences ................................................... 2

3. Caractrisation et modlisation de ces matriaux..................... 2

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MATRIAUX EN LECTROMAGNTISME ____________________________________________________________________________________________________

Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.AF 3 3702 Techniques de lIngnieur

1. Composites dilectriques

Les composites dilectriquesreprsentent, en gnral, un sys-tme htrogne comprenant des multiconstituants. Un compositedilectrique biphase est constitu par un milieu hte avec une inclu-sion d'un autre matriau.

Le milieu hte peut tre constitu par une combinaison ou unmlange de phases dilectrique-dilectrique, dilectrique-conduc-teur ou dilectrique-semi-conducteur. Les phases constitutives peu-vent former un systme structural ou une dispersion alatoired'inclusions travers un milieu hte ou encore, une matrice structu-re de type spcifique ; ces phases peuvent avoir des proprits di-lectriques spciales, recherches pour certaines applications.Gnralement, un matriau composite peut tre trait comme unmilieu, de mlange, trs htrogne, qui peut avoir des propritsisotropes, anisotropes, ou bianisotropes, voire non linaires danscertains cas.

Les inclusionsutilises dans les matriaux composites peuventprendre diverses formes. Parmi celles-ci nous trouvons des inclu-sions sphriques ou presque, des inclusions allonges (sphroda-les ou ellipsodales), des inclusions fibreuses, comme des aiguilles,des flocons (comme le carbone), des renforts dilectriques ouautres mono ou multicouches, des lments orients par deschamps lectrique ou magntique, le tout dispers, de manirealatoire, dans un milieu homogne, le milieu hte. Pour complter,on peut trouver des structures complexes comme les nids d'abeilleou les structures multicouches comportant des feuilles rsistives ouconductrices et des composites multi-phases.

2. Domaine deshyperfrquences

Dans le domaine des hyperfrquences, les applications vontdes matriaux transparents, comme les radmes de protection desradars de pointe avant des avions et les fentres lectromagnti-ques, jusqu'aux matriaux absorbants et aux matriaux lectroma-gntiques intelligents.

Les mlanges deux-trois phases sont utiles dans certaines appli-cations de l'lectromagntisme, citons :

les matriaux absorbants radar (en anglais RAM) ; les revtements de surface ne rflchissant pas les ondes

lectro-magntiques ; les composites dissipateurs des charges lectrostatiques ; les matriaux pour blindages lectromagntiques ; les matriaux isolants proprits particulires ; les fantmes dilectriques pour le biolectromagntisme

(simulation des effets des ondes sur le corps humain) ; les adhsifs conducteurs utiliss en microlectronique.

Tout cela constitue une srie d'exemples non exhaustive desnombreuses applications des milieux composites dans le domainede l'lectromagntisme.

Depuis peu, les matriaux intelligents se sont ajouts cetteliste. Ces matriaux correspondent une classe de matriaux et/oude milieux composites ayant une intelligence inhrente avec descapacits d'autoadaptation une contrainte extrieure. Ils font par-tie de cette famille de matriaux qui manifestent leurs propresfonctions intelligemment en fonction des changements delenvironnement . Les matriaux intelligents lectromagntiquessont une sous-classe des matriaux intelligents ; ils peuvent chan-ger en les adaptant leurs proprits lectromagntiques quand unstimulus externe est appliqu proportionnellement la rponselectromagntique mesure. Ces matriaux lectromagntiques

intelligents intgrent les milieux composites dj mentionns, plusune srie de capteurs qui leur permettent de rpondre des sollici-tations externes. Dans le domaine des antennes, nous citons lesantennes rseaux montes sur les ailes d'un avion qui doivent pou-voir se reconfigurer en fonction des vibrations ou des dformationssubies lors d'un vol de l'avion.

3. Caractrisation etmodlisation de cesmatriaux

Pour tous ces matriaux composites, les constantes de propaga-tion complexes, la permittivit effective et la permabilit desmilieux htrognes doivent tre connues. La connaissance descoefficients d'absorption, de rflexion et de transmission en fonc-tion de la frquence et de la bande de frquences, de la polarisation,de l'angle d'incidence donne des informations trs importantes surles proprits des matriauxet permet de les classer en milieuxtransparents, pertes ou absorbants.

Des travaux de recherche ont t faits dans le monde entier pouressayer de modliser les proprits lectromagntiques des milieuxcomposites, pour valider ces modles par des mesures sur deschantillons reprsentatifs d'un milieu futur et pour raliser les pre-mires applications.

Au regard des ondes lectromagntiques, les matriaux composi-tes peuvent tre considrs comme des milieux alatoires discrets,consistant en une distribution de diffuseurs lectromagntiquesenferms dans un milieu homogne, comme une rsine de base (lesdiffuseurs sont quivalents des petites antennes intgres dans unmilieu). La taille, la forme, et la fraction volumique de chaque cons-tituant ont des effets majeurs sur les proprits de permittivit et depermabilit complexes des mlanges.

Quand la frquence de l'onde lectromagntique crot et que lataille des inclusions augmente, des effets de diffraction sajoutentaux proprites dilectriques des milieux composites, effets qu'ilconvient de prendre en compte pour connatre les proprits globa-

les des milieux composites et pour dterminer les domaines d'appli-cation des milieux crs.

Durant ces dernires annes, beaucoup de confrences ou desymposiums internationaux ont t organiss pour rapporter etcommenter les rsultats des travaux dans le domaine de la modli-sation des structures complexes et des milieux composites.

Les chercheurs ont essay d'analyser les phnomnes de trans-port lectrique dans les milieux composites et d'examiner les tho-ries des milieux effectifs des divers mlanges. Toutes ces tudessont orientes vers la dfinition des lois de mlange qui permettentde dduire les proprits effectives des milieux, comme la permitti-vit et la permabilit complexes des milieux composites.

Paralllement, des efforts importants ont t faits pour essayer demesurer les proprits de ces matriaux dans le domaine des hyper-frquences (100 MHz 100 GHz), voire au-del des ondes millimtri-ques, pour les applications conjugues de compatibilit conjointe

lectromagntique et infrarouge de certains milieux intervenantsdans les techniques de l'armement. Dans ce domaine, de nombreu-ses publications sont apparues traitant des techniques de mesuresdes matriaux htrognes. Sur le plan des principes de base, tou-tes les techniques de caractrisation des milieux dilectriqueshomognes ont t dfinies par Von Hippel en 1949 au MIT etpublis en 1954. Il fallait vrifier que les techniques de mesure desmilieux homognes sont applicables, aprs quelques modifications, la caractrisation des milieux htrognes. Il fallait, galement,vrifier que des techniques nouvelles de mesure ne pouvaient pass'adapter beaucoup mieux la caractrisation des milieux composi-

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tes, car irralisables en 1949. Par ailleurs, du fait des emplois diver-sifis des matriaux composites, il faut prvoir des caractrisationsde la permittivit lectrique et de la permabilit magn-tique descomposites sous rayonnement lectromagntique diverses fr-quences, diverses polarisations et divers angles d'observation. cela nous ajoutons les caractrisations possibles sous champs lec-trique, magntique ou sous un courant appliqu sur le matriau,voire sous lvation de temprature, et pour un fonctionnement

dynamique du matriau.