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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article E1164 intitulé « Matériaux composites en électromagnétisme- Introduction » rédigé par M. Alain PRIOU et paru en 2009.
RÉSUMÉ
Dans cet article, le concept de matériaux composites électromagnétiques est d’abord présenté, ainsi que le domaine de fréquence concerné. Les principes de modélisation et de caractérisation de ces matériaux sont introduits. Les rappels d’électromagnétisme indispensables sont ensuite énumérés, comme la propagation des ondes dans un milieu homogène et isotrope, et les lois de la réfraction et de la réflexion à l’interface entre deux milieux, et dans des structures multicouches. Ensuite, les propriétés générales des matériaux homogènes classiques sont rappelées, principalement pour les matériaux diélectriques, conducteurs et magnétiques.
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Alain PRIOU : Professeur des universités - Directeur du Groupe d'électromagnétisme appliqué - Université Paris Ouest Nanterre - La Défense
INTRODUCTION
Pratiquement tous les secteurs industriels de l'aéronautique, de l'aérospatiale, de l'automobile et des transports, puis maintenant des radiocommunications, sont demandeurs de nouveaux matériaux complexes pour remplir de nouvelles fonctions et progressivement remplacer les structures métalliques. L'apport des matériaux composites chargés d'inclusions diélectriques, conductrices ou de circuits électroniques devrait apporter des solutions.
Dans cet ensemble dédié aux matériaux composites en électromagnétisme, nous avons voulu faire un point sur les matériaux composites existants ou à venir et indiquer les applications et domaines concernés. Dans le premier article, nous définissons le domaine des hyperfréquences, puis la notion de matériau composite pour ensuite évoquer les aspects modélisation et caractérisation des ces matériaux. Dans les articles suivants, dont les titres sont donnés ci-dessous, nous abordons la modélisation des composites chargés, des matériaux électroniques associés et des métamatériaux. Puis nous détaillons les milieux absorbants et les grands principes qui les régissent et nous terminons par les procédés de caractérisation des milieux composites chargés ou à circuits électroniques.
Les matériaux composites en électromagnétisme font l'objet de plusieurs articles :
[E1164] Introduction ;
[E1165] Modélisation des composites, du matériau électronique et des métamatériaux ;
[E 1166] Matériaux absorbants radars ;
[E 1167] Caractérisation des matériaux composites.
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules et aux documents « Pour en savoir plus » associés à chaque fascicule.
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2. Les composites
Les composites diélectriques représentent, en général, un système hétérogène comprenant des multiconstituants. Un composite diélectrique biphase est constitué par un milieu hôte avec une inclusion d'un autre matériau.
Dans le secteur de l'aéronautique, on pense de plus en plus au « tout composite ». À l'heure actuelle les avions civils comportent environ 40 % de matériaux composites. Les deux principaux avionneurs, Boeing et EADS, pensent passer à 60 % dans les prochaines années. Pour atteindre ce pourcentage il faudra revoir bon nombre de fonctions et réaliser de nouveaux systèmes ou dispositifs. Sur la maquette de l'Airbus donnée à la figure 1, on peut remarquer l'existence d'environ 60 antennes permettant de remplir différentes fonctions de communication et de radionavigation guidant l'avion dans l'espace. Ces antennes vont des basses fréquences aux hautes fréquences. Dans un souci de réduction de la consommation d'énergie, il faut essayer de diminuer le nombre d'antennes extérieures pour diminuer la traînée des avions. Également, le coût de la maintenance serait diminué si le nombre d'antennes était réduit (ordre d'une soixantaine d'antennes à bord), ce qui suppose des antennes multifonctions, plus large bande et intégrables dans la structure de l'avion et placées sur le porteur en des sites donnés. Aux systèmes antennaires, on ajoutera les matériaux transparents comme les radômes et les absorbants pour les porteurs militaires. Seuls de nouveaux matériaux permettront de résoudre ces problèmes.
Dans le domaine des technologies de l'information et des communications (ou TIC), de nouveaux procédés et de nouveaux matériaux sont recherchés avec des structures fabriquées grâce aux micro- ou nano-technologies. Cela devrait améliorer les composants et les systèmes hyperfréquences jusqu'à l'optique pour les applications des communications et permettre la création de nouveaux composants ou systèmes avec de nouvelles possibilités (accordabilité, contrôle électronique des circuits et intégration dans de grands systèmes. Même dans le secteur des térahertz (THz), des composants sont recherchés pour améliorer les techniques d'imagerie optique à la fois pour les applications médicales et pour les applications de défense et de sécurité.
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Le milieu hôte peut...
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