Présentation
NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article E1164 intitulé « Matériaux composites en électromagnétisme- Introduction » rédigé par M. Alain PRIOU et paru en 2009.
RÉSUMÉ
Dans cet article, le concept de matériaux composites électromagnétiques est d’abord présenté, ainsi que le domaine de fréquence concerné. Les principes de modélisation et de caractérisation de ces matériaux sont introduits. Les rappels d’électromagnétisme indispensables sont ensuite énumérés, comme la propagation des ondes dans un milieu homogène et isotrope, et les lois de la réfraction et de la réflexion à l’interface entre deux milieux, et dans des structures multicouches. Ensuite, les propriétés générales des matériaux homogènes classiques sont rappelées, principalement pour les matériaux diélectriques, conducteurs et magnétiques.
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In this article, the concept of electromagnetic composite materials is first presented, with the relevant frequency domain. The principles of simulation and characterization of these materials are introduced. The main concepts of electromagnetism are enumerated, such as the propagation of waves in a homogeneous isotropic material, and the laws of Snell-Descartes at the interface between two materials and in a stratified structure. The main properties of classical homogeneous materials are then presented, mainly for dielectric, conductive and magnetic materials.
Auteur(s)
-
Alain PRIOU : Professeur des universités - Directeur du Groupe d'électromagnétisme appliqué - Université Paris Ouest Nanterre - La Défense
INTRODUCTION
Pratiquement tous les secteurs industriels de l'aéronautique, de l'aérospatiale, de l'automobile et des transports, puis maintenant des radiocommunications, sont demandeurs de nouveaux matériaux complexes pour remplir de nouvelles fonctions et progressivement remplacer les structures métalliques. L'apport des matériaux composites chargés d'inclusions diélectriques, conductrices ou de circuits électroniques devrait apporter des solutions.
Dans cet ensemble dédié aux matériaux composites en électromagnétisme, nous avons voulu faire un point sur les matériaux composites existants ou à venir et indiquer les applications et domaines concernés. Dans le premier article, nous définissons le domaine des hyperfréquences, puis la notion de matériau composite pour ensuite évoquer les aspects modélisation et caractérisation des ces matériaux. Dans les articles suivants, dont les titres sont donnés ci-dessous, nous abordons la modélisation des composites chargés, des matériaux électroniques associés et des métamatériaux. Puis nous détaillons les milieux absorbants et les grands principes qui les régissent et nous terminons par les procédés de caractérisation des milieux composites chargés ou à circuits électroniques.
Les matériaux composites en électromagnétisme font l'objet de plusieurs articles :
[E1164] Introduction ;
[E1165] Modélisation des composites, du matériau électronique et des métamatériaux ;
[E 1166] Matériaux absorbants radars ;
[E 1167] Caractérisation des matériaux composites.
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules et aux documents « Pour en savoir plus » associés à chaque fascicule.
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KEYWORDS
absorption | permittivity | permeability | composite material | metamaterial
VERSIONS
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Domaine des hyperfréquences3. Caractérisation et modélisation de ces matériaux
-
Pour tous ces matériaux composites, les constantes de propagation complexes, la permittivité et la perméabilité effectives des milieux hétérogènes ou encore la réflexion, la transmission et la mesure d'impédance doivent être connues. La mesure des coefficients d'absorption, de réflexion et de transmission, en fonction de la fréquence et de la bande de fréquences, de la polarisation, de l'angle d'incidence, donne des informations très importantes sur les propriétés de ces matériaux. Cela permet de les classer en milieux transparents, à pertes ou absorbants.
Des travaux de recherche ont été faits dans le monde entier pour essayer de modéliser les propriétés électromagnétiques des milieux composites, pour valider ces modèles par des mesures sur des échantillons représentatifs d'un milieu futur et pour réaliser les premières applications.
Au regard des ondes électromagnétiques, les matériaux composites chargés peuvent être considérés comme des milieux aléatoires discrets, consistant en une distribution de diffuseurs électromagnétiques enfermés dans un milieu homogène, comme une résine de base (les diffuseurs sont équivalents à des petites antennes intégrées dans un milieu). La taille, la forme, et la fraction volumique de chaque constituant ont des effets majeurs sur les propriétés de permittivité et de perméabilité complexes des mélanges. Quand la fréquence de l'onde électromagnétique croît et que la taille des inclusions augmente, des effets de diffraction s'ajoutent aux propriétés diélectriques des milieux composites, effets qu'il convient de prendre en compte pour connaître les propriétés globales de ces milieux et pour déterminer les domaines d'application des milieux créés.
Les chercheurs ont essayé d'analyser les phénomènes de transport électrique dans les milieux composites et d'examiner les théories des milieux effectifs des divers mélanges. Toutes ces études sont orientées vers la définition des lois de mélange qui permettent de déduire les propriétés effectives des milieux, comme la permittivité et la perméabilité complexes des milieux composites.
Pour les matériaux structurés composés d'un assemblage 1D, 2D ou 3D, de circuits électroniques périodiques ou distribués aléatoires, les modélisations...
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