Traitement thermique uniforme par hystérésis diélectrique des composites

L'élaboration et la mise en forme des matériaux composites nécessitent généralement une élévation de la température des réactifs élémentaires de la matrice en fonction de leurs propres changements de phases et en fonction des transformations chimiques correspondant aux diverses caractéristiques recherchées (mécaniques, optiques, électriques...). L'élévation de température choisie peut être obtenue soit par un transfert de chaleur à partir d'une source chaude située à l'extérieur des objets constitués des matériaux, soit à partir d'une source de chaleur créée au sein des objets eux-mêmes.

La nature des matériaux composites va conduire à une différenciation sur le mode d'élévation de la température. Pour les matériaux métalliques, l'élévation de la température est principalement obtenue par diffusion de la chaleur. Les matériaux non métalliques, par contre, ne peuvent être efficacement le siège d'une élévation de la température par un simple transfert de chaleur, à moins d'élever la température de la source chaude externe ou d'accepter une augmentation de la durée des opérations. Les matériaux non métalliques, tels que la majorité des matériaux composites, à conductivité thermique faible, sont généralement aussi des isolants électriques et la création de sources internes dues à un effet Joule est impossible. Le phénomène particulièrement bien adapté à cette situation est l'hystérésis diélectrique qui est simplement la manifestation du retard de la structuration ou polarisation électrique, par rapport au champ électrique. Celui-ci ne peut pas être réalisé par un circuit électrique fermé, puisqu'il s'agit de matériaux isolants électriques. Il faut garder à l'adjectif « diélectrique » son sens étymologique, de simple négation, c'est-à-dire d'isolant électrique.

Le retard de la polarisation diélectrique est caractérisé par une constante de temps généralement de l"ordre de la nanoseconde et, en conséquence, ne peut être observé que lorsqu"est créé un champ électrique, variable dans le temps, à une fréquence de l'ordre du gigahertz. Le présent dossier complète le dossier [AM 3 046] qui concerne principalement les caractéristiques intrinsèques des constituants réactifs. Celui-ci développe les effets spatiaux de la diffusion de la chaleur et de la propagation des ondes porteuses du champ électrique au sein des objets à réaliser.

L'uniformité spatiale de la température, obtenue dans ces conditions, a longtemps été considérée comme acquise du simple fait que l'hystérésis diélectrique est un phénomène interne à la matière. À cette uniformité, s'ajoutaient des avantages supposés, tels que la rapidité des transformations, leur sélectivité, la réduction des contraintes mécaniques due à l"absence de gradients thermiques. De fait, l'obtention d'un traitement thermique spatialement maîtrisé, oblige à prendre en considération les caractéristiques de la diffusion de la chaleur (§ 1) en présence de gradients de température et de la propagation des ondes électriques au sein des matériaux (§ 2). Ces caractéristiques sont fonctions des formes, des dimensions et de l'environnement thermique des objets à élaborer ainsi que des propriétés diélectriques des matériaux qui les constituent (§ 3).

Pour que le traitement thermique résultant soit uniforme, il faut tenir compte de deux spécificités de la propagation des ondes électromagnétiques :

• la première spécificité résulte de la sommation des ondes réfléchies par les interfaces entre les éléments de permittivité diélectrique de valeur différente et conduit à la réalisation d'ondes stationnaires présentant des maximums et des minimums dont la valeur du rapport, toujours supérieur à un, est appelée taux d'ondes stationnaires TOS ;

• la seconde spécificité de la propagation des ondes électromagnétiques, en tant que porteuses d'énergie, résulte de la dégradation de cette énergie en chaleur, dégradation qui conduit toujours à une atténuation de l'amplitude du champ électrique. Cette atténuation est au cœur de ce dossier puisque l'association de matériaux diélectriques à propriétés convenables dans les applicateurs d'énergie, permet jusqu"à l'inversion de l'atténuation : il y a alors accroissement de l'amplitude du champ électrique dans le sens de la propagation des ondes et uniformité des sources de chaleur.