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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article E1167 intitulé « Matériaux composites en électromagnétisme- Caractérisation» rédigé par Alain PRIOU et paru en 2009.
RÉSUMÉ
De nombreuses techniques existent permettant la mesure et la caractérisation des matériaux composites volumiques (à permittivité et perméabilité positives ou négatives) ou bidimensionnels. L’article rappelle les principales méthodes utilisées et met l’accent sur les méthodes en espace libre et celles adaptées aux structures bidimensionnelles. Parmi les raisons qui justifient ce choix, il faut souligner 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 et polarisation variables, et sous des températures relativement élevées.
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A significant number of techniques are available in order to measure and characterize bulk composite materials (with positive or negative permittivity and permeability) or two-dimensional ones. The article lists the main methods used and focuses on free-space methods and those adapted to two-dimensional structures. To justify this choice, it must be noted that these methods require a small preparation of the samples, are not destructive and remain without contact. Furthermore, the free-space techniques are adapted to measurements at variable polarization and incidences and relatively high temperatures.
Auteur(s)
-
André DE LUSTRAC : Professeur des universités - Université de Paris Nanterre – Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies de Paris - Saclay Université Paris Sud, Paris, France
-
Gérard-Pascal PIAU : Senior Expert AIRBUS Group Innovations, Paris, France
INTRODUCTION
Le but de cet article est de familiariser le lecteur avec différentes techniques de mesure et de caractérisation des matériaux composites volumiques ou bidimensionnels.
De nombreuses méthodes existent, rappelées au début de cet article. Ensuite, nous présentons quelques exemples de méthodes en espace libre. En effet, ces dernières 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 :
-
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 peuvent être excités et doivent être pris en compte dans le calcul ;
-
par suite de leur hétérogénéité intrinsèque, de petits échantillons de matériau composite ne sont pas toujours représentatifs du matériau entier. Ils peuvent présenter des dispersions importantes changeant complètement les propriétés de réflexion et de transmission, ainsi que les propriétés intrinsèques des milieux. L’un des facteurs important à prendre en compte est la taille des inclusions (poudre, fibre, motif périodique) par rapport à la longueur d’onde, mais aussi l’homogénéité du mélange (répartition spatiale et/ou volumique) ;
-
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 ;
-
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. Néanmoins, des mesures en guide d’onde sont souvent nécessaires en basse fréquence à condition que la taille des inclusions soit petite devant la longueur d’onde.
Une première remarque générale cependant ; de plus en plus souvent, les mesures sont corrélées à des simulations les plus complètes possibles, et la comparaison entre les deux approches apporte alors un éclairage important sur les propriétés réelles du matériau ou de la structure, au-delà de la dispersion due aux procédés de fabrication ou aux incertitudes liées à la méthode de mesure.
Une deuxième remarque souligne que les méthodes de mesure présentées dans la suite sont des méthodes globales permettant d’accéder aux propriétés effectives du matériau. Cependant, elles pourront être couplées également à des méthodes d’analyse de la structure microscopique du même matériau, en particulier pour les matériaux composites hétérogènes.
Cet article vient compléter une série d'articles portant sur les matériaux composites en électromagnétisme :
[E 1 164] Matériaux composites en électromagnétisme – Notions fondamentales ;
[E 1 165] Matériaux composites électromagnétiques et métamatériaux ;
[E 1 166] Matériaux composites en électromagnétisme – Matériaux absorbants radar.
Les sujets peuvent se lire indépendamment les uns des autres. Cependant, le lecteur pourra être amené à se reporter aux autres fascicules pour certaines notions.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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MOTS-CLÉS
matériaux composites mesures en espace libre mesures en guide mesures en champ proche cartographie de champs caractérisations non destructives
KEYWORDS
composite materials | free space characterizations | waveguided measurements | near field characterizations | field map | non-destructive characterizations
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2009 par Alain PRIOU
DOI (Digital Object Identifier)
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Techniques en espace libre
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2. Techniques guidées
En 1970, Nicolson et Ross , puis en 1974, Weir ont utilisé la mesure des coefficients de transmission et de réflexion associés à un échantillon de test placé dans un guide d'onde ou une ligne coaxiale. L'échantillon épouse parfaitement le guide d'onde ou le câble coaxial. Des mesures de permittivité et de perméabilité complexes de 100 MHz à 18 GHz ont pu être conduites. Nous rappelons que, dans la méthode de Von Hippel, pour obtenir les termes de permittivité et de perméabilité complexes d'un matériau, on utilise un court-circuit plaqué contre l'échantillon à mesurer ou un court-circuit reculé de λ g/4 (λ g étant la longueur d'onde guidée) par rapport à l'échantillon. Des améliorations de cette méthode ont été envisagées en fonction de la position du court-circuit placé derrière l'échantillon.
En 1985, Hewlett-Packard publiait une note pour mesurer la constante diélectrique d’un matériau avec un analyseur de réseau HP 8 510 , qui reprend la méthode de Nicolson et Ross. Cette note sera reprise par les utilisateurs de ces appareils de plus en plus nombreux dans les laboratoires à cette époque, et deviendra très populaire.
Des techniques où la ligne coaxiale était terminée par une ouverture, celle-ci étant...
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Techniques guidées
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 of Dielectric Properties of Heterogeneous Materials, Guest Editor : A. Priou, Elsevier (1992).
-
(3) - NICOLSON (A.M.), ROSS (G.F.) - Measurement of the intrinsic properties of materials by time domain techniques. - IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM-19, pp. 377-382 (1970).
-
(4) - WEIR (W.B.) - Automatic measurements of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies. - Proc. of IEEE, vol. 62, n° 1, p. 33 (1974).
-
(5) - SMITH (D. R.), VIER (D. C.), KOSCHNY (Th.), SOUKOULIS (C. M.) - Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterial. - Phys. Rev. E 71, 036617 (2005).
- ...
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