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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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5. Conclusion
Nous avons présenté dans cet article les principales méthodes de caractérisation de matériaux composites utilisées : les méthodes guidées et les méthodes en espace libre. Nous avons constaté qu’à ces méthodes relativement classiques s’ajoutent maintenant des méthodes de cartographies en champ proche qui permettent d’explorer la physique du fonctionnement de ces matériaux composites au voisinage de leur surface, ainsi que des méthodes de mesure d’hétérogénéité de ces matériaux. Les méthodes en guide permettent de tester rapidement de petits échantillons de matériaux. Elles sont cependant sensibles aux contacts entre le matériau et le guide, et ne permettent pas de test en incidence. Elles restent relativement peu coûteuses. Les méthodes en espace libre demandent un investissement plus important, mais elles ont beaucoup d’avantages. Elles permettent des tests sans contact sur de grandes structures en incidence et polarisation variables. Concernant les structures bidimensionnelles, les tests en champ proche et les cartographies de champs permettent de bien caractériser la physique des dispositifs et d'effectuer une comparaison instructive avec les simulations numériques. De plus, la numérisation et l’automatisation de tous ces dispositifs permettent des mesures relativement rapides.
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ONERA : http://www.onera.fr/
ONERA (Toulouse) : http://www.onera.fr/centres/toulouse
CEA/CESTA : http://www.cea.fr/le_cea/les_centres_cea/cesta
HAUT DE PAGE
C2N, université Paris Sud, CNRS :
https://www.c2n.universite-paris-saclay.fr/fr/
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IETR, université de Rennes III :
IMP, CNRS, université de Lyon :
Institut Fresnel, université de Marseille :
Lab-STICC, université de Bretagne Occidentale :
http://www.univ-brest.fr/electronique/menu/Recherche/Le-Lab-STICC
LEME, université Paris Nanterre :
https://leme.parisnanterre.fr/
XLIM :
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