Etude numérique et expérimentale de propriétés diélectriques de matériaux composites

Abstract

Ce travail s’intéresse à la prédiction de propriétés diélectriques macroscopiques ou effectives des matériaux composites en quasi-statique et en micro-onde. L’introduction des méthodes numériques de type différences finies dans le domaine temporel (FDTD) et éléments finis (FE) a permis d’obtenir des résultats numériques qui contribuent premièrement à l’acceptation ou le rejet de telle ou telle loi de mélange, deuxièmement à indiquer l’amélioration à apporter aux modèles analytiques existants ou encore à développer de nouvelles lois semi-empiriques. De plus, la phase de la caractérisation expérimentale permet de connaitre la valeur réelle de la permittivité effective du milieu hétérogène, et ce, dans les cas où la longueur d’onde est largement supérieure à la dimension moyenne des inclusions. Les travaux réalisés ont pour objectifs : le développement de deux nouvelles techniques de caractérisation micro-onde des matériaux diélectriques en bandes X et Ku et la prédiction de la permittivité effective de matériaux composites aléatoires et périodiques via des simulations numériques. Une technique de caractérisation micro-onde en transmission / réflexion (T/R) a été développée, validée puis appliquée sur un ensemble de matériaux industriels. La technique est itérative et elle s’adapte aux mesures avec et sans calibrage de l’analyseur de réseau vectoriel. Nous avons développé aussi une autre technique basée sur la mesure du coefficient de réflexion d’un guide d’onde rectangulaire court-circuité pour caractériser des échantillons diélectriques à faible épaisseur. Les outils numériques FDTD et FE ont permis d’évaluer le comportement de la permittivité effective en fonction des paramètres qui régissent les systèmes des matériaux composites, tel que le contraste de permittivité, la fréquence du champ électrique externe, la concentration et la forme des inclusions. Un modèle semi- empirique a été développé pour reproduire les résultats des simulations en cas de composites périodiques. L’utilisation à la fois de la technique de caractérisation en T/R et la simulation micro-onde de composites granulaires a permis aussi d’étudier le comportement fréquentiel d’un matériau composite granulaire (grains du Graphite/Téflon) absorbant des ondes électromagnétiques sur une large bande [8.2-40] GHz.