Présentation
EnglishRÉSUMÉ
L'élaboration thermique des composites, souvent isolants, rencontre deux limites de durée et d'espace dues à la diffusion de la chaleur. Ces limites provoquent des gradients de température importants, en fonction de la température externe imposée. Tendre vers l'uniformité est possible par la création de sources de chaleur produites par hystérésis diélectrique. Celle-ci est assurée par les ondes électromagnétiques se propageant en régime monomodal en présence de diélectriques non absorbants. The thermal processus of composites, often insulators, encounter two limits of space and of time due to the diffusion of heat. These limitations cause significant temperature gradients according to the the imposed external temperature . Obtaining uniformity is possible by the creation of heat sources produced by dielectric hysteresis. This is ensured by electromagnetic waves propogating in the presence of
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Michel DELMOTTE : Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux, UMR8006 CNRS, Arts et Métiers ParisTech Directeur de recherche du CNRS
INTRODUCTION
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 :
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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 ;
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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.
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1. Uniformité thermique spatiale
1.1 Traitement thermique uniforme
Lors de la mise en œuvre de l'hystérésis diélectrique, l'apparence d'un chauffage rapide et d'un rendement thermique élevé, provenant d'une concentration de l'essentiel de l'énergie au sein des matériaux, est trompée par le bilan d'énergie. Plus la puissance électromagnétique dégradée en chaleur est élevée, plus l'élévation de la température est rapide, bien évidemment. Cette première apparence provient de l'utilisation depuis plus de soixante ans, des « fours à micro-ondes » de puissance habituelle de l'ordre du kilowatt et utilisés pour élever la température d'une cinquantaine de degrés, de quantités de produits alimentaires de l'ordre de 0,1 kg. Les durées de telles opérations sont de l'ordre de la minute, soit un incrément de température de l'ordre de 1 K · s–1, même avec un mauvais rendement de l'ordre de 0,35. La densité massique de puissance appliquée reste d'environ 10 kW · kg–1. Dans des conditions industrielles appliquées à une quantité de matière de 100 kg, le même incrément de température ne pourrait être obtenu qu'avec une puissance de 1 MW, ce qui est techniquement irréaliste.
La seconde erreur, qui a beaucoup retardé certaines utilisations raisonnées de l'hystérésis diélectrique, est l'aspect non seulement énergétique mais thermique, au sens de la diffusion de la chaleur, manquant à l'alinéa précédent. Beaucoup d'essais ont été limités à la mesure de l'incrément de température à leur instant initial : dans cette situation, les transferts thermiques sont nuls et on peut considérer que la transformation de l'énergie électromagnétique est adiabatique, avec un rendement thermique maximal. Cette seconde erreur est masquée par un avantage factice que l'on dénomme « chauffage à cœur ». Qu'en est-il du chauffage de la partie des objets située à la périphérie de ces derniers ? Cette périphérie est en contact immédiat avec l'extérieur des objets qui n'est pas le lieu de sources de chaleur. La diffusion de la chaleur, de l'intérieur vers l'extérieur des objets, rend la température du cœur des objets plus élevée que la température de leur surface par laquelle se fait la pénétration des ondes. Par contre, la puissance véhiculée...
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Uniformité thermique spatiale
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DE VRIENDT (A.B.) - La transmission de la chaleur. - MORIN (G.) Éditeur, Chicoutimi, Québec (1984).
-
(2) - JAO-JULES (E.), DELMOTTE (M.), MORÉ (C.) - Relations entre la rhéologie des matrices polymères thermodurcissables et la distribution spatiale de la température au cours de la réticulation sous micro-ondes des matériaux composites. - 12e Journées Nationales sur les Composites, Cachan, nov. 2000.
-
(3) - COMBES (P.F.) - Micro-ondes, lignes, guides et cavités. - Dunod, Paris (1999).
-
(4) - RAOULT ( G.) - Les ondes centimétriques. - Masson, Paris (1958).
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(5) - METAXAS ( A.C.), MEREDITH (R.J.) - Industrial microwave heating. - Peregrinus Ltd, Londres (1983).
-
(6) - DE JONG (G.), OFFRINGA (W.) - Reflection and transmission by a slant interface between two media in an rectangular...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
DELAUNAY (D.), JULLIEN (H.), MORÉ (C.), OUTIFA (L.), DELMOTTE (M.) et MAESTRALI (B.). – Dispositif de traitement des matériaux par micro-ondes. Brevet FR2720971 (1994).
DELMOTTE (M.), OUTIFA (L.), MORÉ (C.) et JULLIEN (H.). – Procédé et dispositif de traitement homogène par micro-ondes de matériaux. Brevet FR2709912 (1993).
HAUT DE PAGE
COMSOL Multiphysics Versions 3.1 ou 4.1 de la Société COMSOL. Module Hyperfréquences indispensable http://www.comsol.fr
HAUT DE PAGE3.1 Constructeurs (liste non exhaustive)
MUEGGE Gmbh (générateurs et applicateur UHF) http://www.muegge.de
SAIREM (générateurs et applicateurs UHF) http://www.sairem.com
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