Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
De nombreuses techniques existent permettant la mesure et la caractérisation des matériaux composites manufacturés (à permittivité et perméabilité positives ou négatives) ou structuraux (à réseau périodique). L’article se focalise essentiellement sur les méthodes en espace libre souvent préférées aux techniques coaxiale, de cavité ou d’interférométrie. Parmi les raisons qui justifient ce choix, soulignons que ces méthodes nécessitent peu de préparation des échantillons, ne sont pas destructives, et restent sans contact. De plus, les techniques en espace libre sont adaptées aux mesures sous incidence variable et sous des températures relativement élevées.
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A significant number of techniques are available in order to measure and characterize manufactured composite materials (with positive or negative permittivity and permeability) or structural ones (with a periodic array). This article focuses mainly on the free-space methods which are often preferred to the coaxial, cavity or interferometry techniques; amongst the reasons that justify this choice, it must be noted that these methods require hardly any sample preparation, are not destructive and remain without contact. Furthermore, the free-space techniques are adapted to measurements at variable incidences and relatively high temperatures.
Auteur(s)
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Alain PRIOU : Professeur des universités - Directeur du Groupe d'électromagnétisme appliqué - Université Paris Ouest Nanterre -La Défense
INTRODUCTION
Pe but de cet article est de familiariser le lecteur avec les différentes techniques de mesure et de caractérisation des matériaux composites manufacturés (à permittivité et perméabilité données positives ou négatives) ou structuraux (utilisation de cellules élémentaires en réseau périodique 2D ou 3D, développés dans l'article [E1165]), constituant, entre autres, les milieux absorbants mais pouvant servir aux radômes et aussi aux matériaux pour des antennes.
De nombreuses méthodes existent, qui seront rappelées au début de cet article. Forts de notre expérience, nous avons retenu les méthodes en espace libre auxquelles sera consacrée la plus grande partie de ce dossier.
En effet, les méthodes en espace libre sont souvent préférées aux techniques coaxiales, de cavité, d'interférométrie à un cornet ou de sondes à terminaison coaxiale ouverte pour les raisons qui suivent.
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Les céramiques, les composites et les structures à métamatériaux sont des matériaux inhomogènes par suite même de leur procédé de fabrication. En guide d'onde, en coaxial, en cavité, des modes d'ordre supérieur au mode fondamental sont excités et on doit les prendre en compte dans le calcul.
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Par suite de leur hétérogénéité intrinsèque, de petits échantillons de matériau composite ne sont pas représentatifs du matériau entier. Il peut y avoir des dispersions importantes changeant complètement les propriétés de réflexion et de transmission ainsi que les propriétés intrinsèques des milieux.
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Les méthodes en espace libre sont non destructives et sans contact. Elles sont parfaitement adaptées aux mesures sous incidence variable et pour des mesures en température relativement élevée.
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Les méthodes en espace libre demandent peu de préparation des échantillons, ce qui n'est pas le cas des méthodes guidées ou des techniques de cavité.
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Avec les techniques en espace libre, des caractérisations large bande avec une grande plage d'angle d'incidence, des polarisations diverses et des conditions de température sont possibles sur des matériaux isotropes, anisotropes ou des milieux bi-anisotropes.
Les matériaux composites en électromagnétisme font l'objet de plusieurs articles :
[E1165] Modélisation des composites, du matériau électronique et des métamatériaux ;
[E1166] Matériaux absorbants radar ;
Matériaux composites en électromagnétisme- Caractérisation[E1167] Caractérisation des matériaux composites.
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules [E1165] et [E1166].
L'expertise technique et scientifique de référence
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- Version courante de févr. 2019 par André DE LUSTRAC, Gérard-Pascal PIAU
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Objectifs et choix d'une technique de mesure4. Techniques de contrôle non destructif des matériaux composites
Dans leur fabrication, les matériaux composites peuvent être hétérogènes, c'est-à-dire comporter des dépôts d'agrégats de particules conductrices ou magnétiques qui se localisent à certains endroits de la résine (densité et réactions chimiques différentes entre la particule et la résine hôte). Un exemple typique est montré plus loin, figure 20, où l'on voit une plaque de résine époxy chargée par des particules de carbone qui se sont concentrées sur les bords de la plaque (traces vertes).
pour la couleur, se reporter à la version électronique de l'article.
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Cette difficulté a amené les constructeurs à essayer de développer des procédés de réalisation plus fiables et les expérimentateurs à définir et à développer des techniques de mesure permettant d'avoir un contrôle sur l'homogénéité d'un échantillon.
Dans le domaine optique, il est difficile d'envisager des techniques de mesure, car les charges en carbone, même à des pourcentages faibles, noircissent complètement les plaques. Visuellement, la plaque de la figure 20 est noire uniformément.
Dans le domaine des hyperfréquences, des moyens de mesure peuvent être envisagés, ce qui a pour avantage de mieux apprécier le comportement des matériaux dans leur bande d'observation. Par contre, un compromis doit être fait : si on veut pénétrer en profondeur dans le matériau composite pour avoir accès aux différentes couches, il faut descendre en fréquence, mais la résolution spatiale réalisable, de l'ordre de grandeur de la demi-longueur d'onde dans le meilleur cas, est très mauvaise. Pour augmenter cette résolution spatiale, on doit monter en fréquence et aller vers les ondes millimétriques, mais alors on ne pourra mesurer qu'un état assez superficiel.
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Des techniques guidées ou en coaxial ouvert ont été explorées pour essayer de caractériser des composites. Le capteur doit être en contact avec l'échantillon à mesurer. Le déplacement du capteur en x-y pose alors problème.
Une autre manière d'envisager de telles mesures non destructives consiste à bénéficier des enseignements obtenus avec les faisceaux focalisés des bancs en espace libre. Nous avons vu (§ 3.1)...
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Techniques de contrôle non destructif des matériaux composites
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VON HIPPEL (A.R.) - Dielectric materials and applications. - Wiley New York 1954. Et VON HIPPEL (A.R.). – Dielectric and waves. Wiley New York 1954.
-
(2) - MAURENS (M.), PRIOU (A.), BRUNIER (P.), AUSSUDRE (S.), LOPEZ (M.), COMBES (P.) - Free-space microwave measurement technique for composite materials. - PIERS vol. 6, Special Issue od Dielectric Properties of Heterogeneous Materials, Guest Editor : A. Priou, Elsevier 1992.
-
(3) - PRIOU (A.) - Bi-anisotropic and bi-isotropic media and applications - PIER 9, EMW Publishing 1994.
-
(4) - PRIOU (A.), SIHVOLA (A.), TRETYAKOV (S.), VINOGRADOV (A.) - Advances in complex electromagnetic materials. - NATO ASI Series, n 3 High Technology, vol. 28, Kluwer Academic Publishers
-
(5) - WEIR (W.B.) - Automatic measurements of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies. - Proc. of IEEE, vol. 62, n 1, jan. 1974, p. 33.
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Métamatériaux,
-
Métamatériaux : des micro-ondes à l'optique
ANNEXES
http://www.onera.fr/demr/contacts.php
http://www.cea.fr/le_cea/les_centres_cea/cesta
http://w3.u-psud.fr/AR/139.fr.html, site du LGEP
http://cva.u-paris10.fr/GEA, site du GEA
http://www.xlim.fr/, site Université de Limoges, Labo Xlim, http://www.xlim.fr/PHOTONIQUE, http://www.xlim.fr/C2S2, département de circuits et systèmes hyperfréquences, http://www.xlim.fr/OSA, Ondes et Systèmes Associés
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