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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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André de LUSTRAC : Professeur des universités – Université Paris Nanterre - Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N) - Université Paris Sud, Orsay, France
INTRODUCTION
En électromagnétisme, tous les secteurs industriels, de l’aéronautique à l’aérospatiale, en passant par l’automobile, le maritime, le ferroviaire, et les radiocommunications sont demandeurs de matériaux composites pour remplir de nouvelles fonctions et satisfaire les nouveaux besoins en termes d’économie d’énergie, d’adaptabilité, de coût, de légèreté et de compacité. Ces matériaux composites, chargés d’inclusions diélectriques ou conductrices, actifs ou passifs, peuvent apporter des solutions. Cet article fait partie d’une série d’articles dédiés aux matériaux composites en électromagnétisme, dans lesquels nous avons souhaité faire un point sur les matériaux composites existants, ou à venir, et indiquer les applications et domaines concernés. Dans cet article, nous définissons le domaine des hyperfréquences, puis la notion de matériau composite électromagnétique, pour ensuite évoquer les aspects modélisation et caractérisation de ces matériaux. Nous introduisons ensuite les principales grandeurs électromagnétiques que nous utiliserons par la suite.
Cette série sur les matériaux composites en électromagnétisme se poursuit avec les articles suivants :
-
[E 1 165] Matériaux composites électromagnétiques et métamatériaux ;
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[E 1 166] Matériaux composites en électromagnétisme – Matériaux absorbants radar ;
-
[E 1 167] Matériaux composites en électromagnétisme – Caractérisation.
Ces articles sont indépendants, nous y abordons la modélisation des composites passifs ou actifs et des métamatériaux. Puis, nous détaillons les milieux absorbants et les grands principes qui les régissent, ainsi que de nouveaux concepts de matériaux fins appelés métasurfaces, et nous terminons par les procédés de caractérisation de ces milieux composites.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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- Version archivée 1 de juin 2009 par Alain PRIOU
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Modélisation et caractérisation de ces matériauxArticle inclus dans l'offre
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2. Composites électromagnétiques
Les composites électromagnétiques correspondent en général à des systèmes formés de plusieurs constituants. Le plus souvent, ils sont formés d’une matrice, diélectrique, semiconductrice ou métallique, qui détermine leurs propriétés mécaniques et thermiques, et d’inclusions qui modifient les propriétés électromagnétiques de l’ensemble. Il ne faut pas oublier que ce concept de matériaux composites est en réalité très ancien. Les vitraux de cathédrales et les verres colorés de l’antiquité sont déjà des matériaux composites. Les inclusions ont en général des dimensions très faibles devant la longueur d’onde d’utilisation, sauf pour certaines structures appelées surfaces sélectives en fréquence. Elles peuvent être disposées de manière aléatoire dans la matrice, comme dans le cas des vitraux, ou de manière périodique, comme dans un matériau cristallin. Une disposition aléatoire donne en général un seul type de propriété, alors qu’une disposition périodique permet d’obtenir des propriétés particulières en fonction de la longueur d’onde, et de la direction de l’espace. La périodicité peut être unidimensionnelle. Le matériau est dit stratifié dans ce cas. Il est en général anisotrope, avec des propriétés différentes suivant la direction de l’espace. La périodicité peut également présenter 2 ou 3 dimensions avec à chaque fois des propriétés différentes.
Les inclusions utilisées dans les matériaux composites peuvent prendre diverses formes. Parmi celles-ci, on trouve des formes simples, sphériques, ellipsoïdales, cubiques, trapézoïdales…, mais également des formes plus complexes comme des aiguilles, des nanotubes, des motifs métalliques de forme diverses, 2D ou 3D. Ces formes correspondront chacune à des comportements électromagnétiques particuliers et donneront des propriétés spécifiques au matériau composite. Pour compléter, on peut trouver des structures complexes comme les nids d’abeille ou les structures multicouches stratifiées, conformées ou planes, comportant des empilements de diélectriques et de circuits imprimés ayant chacunes des propriétés particulières.
Dans les composites électromagnétiques la matrice peut être constituée par un matériau ou un mélange...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CAPOLINO (F.) - Theory and phenomena of metamaterials. - CRC Press (2009).
-
(2) - PAUL (F.) - Goldsmith, quasioptical systems. - IEEE Press/Chapman & Hall Publishers Series on Microwave Technology and RF (1998).
-
(3) - VESELAGO (V.G.) - The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ. - Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, n° 4 (1967).
-
(4) - PENDRY (J.B.), HOLDEN (A.J.), ROBBINS (D.J.), STEWART (W.J.) - Low frequency plasmons in thin wire structures. - J. Phys. Condens. Matter, vol. 10, p. 4785-4809 (1998).
-
(5) - PENDRY (J.B.), HOLDEN (A.J.), ROBBINS (D.J.), STEWART (W.J.) - Magnetism from conductors and enhancednonlinear phenomena. - IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, n° 11, nov. 1999.
-
(6) - SMITH (D.R.), PADILLA (W.J.),...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Matériaux composites électromagnétiques et métamatériaux
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Matériaux composites en électromagnétisme – Matériaux absorbants radar
ANNEXES
1 Outils logiciels (liste non exhaustive)
Il existe plusieurs outils logiciels permettant de résoudre les équations de Maxwell, soit des logiciels généralistes de calcul numérique (Matlab, Scilab, Octave…), soit des logiciels plus spécialisés (Ansys, Comsol, CST, Quickfield…). Certains sont payants, d’autres disponibles gratuitement.
Certains des produits payants ont cependant des versions étudiantes gratuites
Ansys HFSS http://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss
Comsol RF https://www.comsol.com/rf-module
CST Studio suite https://www.cst.com/products/csts2
Matlab https://fr.mathworks.com/products/matlab.html
Mathematica https://www.wolfram.com/mathematica/
Outils gratuits de simulation électromagnétique :
Quickfield https://quickfield.com/fr/free_soft.htm
Onelab http://onelab.info/wiki/ONELAB
OpenEMS http://openems.de/start/index.php
Outils...
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