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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article E1165 intitulé « Matériaux composites en électromagnétisme. Matériaux chargés, matériaux électroniques et métamatériaux » rédigé par Alain PRIOU et paru en 2009.
RÉSUMÉ
Cet article présente des matériaux composites électromagnétiques à structures aléatoires et les différentes méthodes de modélisation qui s’appliquent à ces matériaux en fonction de leur composition. Ensuite sont abordés les matériaux artificiels à structure périodique, les métamatériaux, ainsi que les cristaux photoniques en commençant par les matériaux bidimensionnels, les surfaces sélectives en fréquence, les surfaces à haute impédance et les métasurfaces, puis les structures tridimensionnelles.
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Lire l’articleAuteur(s)
-
Alain PRIOU : Professeur des universités - Directeur du Groupe d'électromagnétisme appliqué - Université Paris Ouest Nanterre-La Défense
INTRODUCTION
À partir des lois de Faraday et d'Ampère pour la magnétostatique et l'électrostatique, Maxwell a établi, en 1873, les équations dites de Maxwell qui sont une extension à l'espace et au temps des lois précédentes. Ces lois ont été vérifiées par Hertz en 1888 et, en 1905, A. Einstein, dans sa théorie de la relativité, montre toute l'élégance et la rigueur de la théorie de Maxwell.
Après avoir rappelé les lois de Maxwell avec les grandeurs fondamentales et la modélisation de couches homogènes, nous présenterons l'analogie entre les matériaux et les circuits électroniques, ce qui nous conduira à définir deux concepts de réalisation de matériaux pour l'électromagnétisme. Le premier, ou approche matériau, se rapporte à la réalisation de matériaux composites issus de mélanges de divers éléments et qui contiennent les paramètres constitutifs ε et µ, positifs ou négatifs ou positif/négatif ou négatif/positif. Le second concept, ou approche structurée qui consiste à la mise en réseau périodique d'inclusions ou d'agrégats (diélectriques, conducteurs ou métalliques). Cette dernière approche permettra de définir et de réaliser des matériaux électroniques et des métamatériaux à propriétés remarquables qui n'existent pas dans la nature. Dans chaque cas, nous aborderons les aspects de la modélisation et donnerons les applications spécifiques et principales en hyperfréquence.
Les matériaux composites en électromagnétisme font l'objet de plusieurs articles :
Matériaux composites en électromagnétisme- Matériaux chargés, matériaux électroniques et métamatériauxE1165 : Matériaux chargés, matériaux électroniques et métamatériaux
E1166 Matériaux absorbants radar
E1167 Caractérisation des matériaux composites
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres articles.
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MOTS-CLÉS
matériau composite métamatériau métasurface surfaces sélectives en fréquence surface à haute impédance
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Circuits électroniques et métamatériaux3. Modélisation des mélanges composites
3.1 Définition des milieux composites
Nous allons reprendre la définition contenue dans le Dictionnaire des technologies des milieux composites de 1989 .
« Un milieu composite est un matériau multiphase formé d'une combinaison de matériaux qui diffèrent en composition et en forme, qui sont ensemble et qui conservent leur identité et leurs propriétés. Les composites maintiennent une interface entre tous les composants qui agissent de concert pour fournir des caractéristiques spécifiques ou synergétiques améliorées, que l'on ne pourrait pas obtenir avec l'un des composants agissant tout seul. Les composites comprennent des milieux fibreux (fibres seules ou enrobées dans une résine), des lamelles (couches de différents matériaux), des particules (particules élémentaires, paillettes ou flocons ou encore agrégats généralement enrobés d'une résine) et d'une combinaison de plusieurs formes comme indiqué ci-dessus »
La figure 10 donne un exemple de milieu composite constitué par une matrice en PVC dans laquelle on a ajouté 2 % de carbone. C'est un matériau qui a été testé pour réaliser un absorbant radar. On pourra remarquer la présence de particules de carbone isolées, d'agrégats de carbone de plus grandes dimensions et de zone où seule le PVC existe.
Dans le domaine des hyperfréquences, nous allons nous intéresser aux composites comportant au moins deux phases : une phase hôte (résine de base) et une inclusion (particule, flocons, paillettes et agrégats).
L'inclusion est une phase discrète d'un matériau transparent pour des applications telles que les radômes et les fenêtres électromagnétiques (billes creuses de verre dans une résine, ou bulles d'air dans une mousse), ou d'un milieu conducteur (métaux, matériaux à base de carbone, semi-conducteurs, électrolytes solides, polymères conducteurs) pour des applications telles que les milieux à pertes et les absorbants. Cette inclusion est dispersée soit de manière aléatoire, soit texturée...
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Modélisation des mélanges composites
ANNEXES
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Métamatériaux :
* - http://physicsweb.org/articles/world/16/5/3/
* - http://www.cmth.ph.ic.ac.uk/photonics : site de l'Impérial Collège, Centre de Photonics, UK
* - http://physics.ucsd.edu/ : site de D. Smith, UCSD, USA
* - http://www.brl.ntt.co.jp/people/notomi/ : site de NTT, Japon, Photonic Nanostructures Research Group.
* - http://cmpweb.ameslab.gov/personnel/soukoulis : site de C. Soukoulis à AMES Lab, USA
* - http://www.iesl.forth.gr/ site du projet européen DALHM : Development and analysis of LHMaterials, IST project, IST-2001-35511, Grèce.
* - http://www.metamorphose-vi.org/ : site du Virtual Institute for Artificial EM materials and Metamaterials, METAMORPHOSE VI AISBL., Réseau d'Excellence Européen, Europe.
* - http://www.rayspan.com/technology/default.html : site de Rayspan Corporation
* - http://www.netgear.com/About/PressReleases/en6US/2008/2080106b.aspx
* - http://www.ese.upenn.edu/˜engheta/ : site de N. Engheta à l'université de Pennsylvanie, USA
* - http://www.mwlab.ee.ucla.edu/, et http://www.mwlab.ee.ucla.edu/posters.html :...
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