Brevet FR2653599A1 — publié le 19910426

La présente invention a pour objet un matériau composite stratifié, ayant des propriétés électromagnétiques absorbantes, ainsi que son procédé de fabrication. En particulier, ce matériau est utilisable comme absorbeur des microondes dans un grand domaine de longueur d'onde. Il peut être utilisé comme matériau de revêtement d'une chambre anéchoique (chambre sans écho), comme filtre électromagnétique ou comme blindage électromagnétique utilisé notamment dans les domaines des télécommunications et de l'informatique (blindage de circuits complexes, d'ordinateurs,...) mais aussi dans les fours à micro-ondes. Dans l'application aux fours à micro-ondes, le matériau de l'invention est destiné à être placé à L'intérieur de la porte du four. Les matériaux composites permettent d'obtenir des matériaux à perméabilité magnétique et à permittivité électrique adaptées pour chaque type d'application. Les matériaux absorbant les micro-ondes actuellement connus se présentent sous forme de couches minces, d'épaisseur inférieure à quelques centimètres, réalisées avec des matériaux denses tels que la ferrite ou à partir de la dispersion de ces matériaux dans un liant organique approprié. L'invention a pour objet un nouveau matériau composite absorbant les ondes électromagnétiques du type en couches minces. De façon plus précise, l'invention a pour J objet un matériau composite stratifié comportant au moins deux empilements de couches assemblés, un premier empilement constitué d'une couche de premières fibres diélectriques, orientées parallèlement à une première direction, et d'une couche de premières fibres magnétiques, orientées parallèlement à une seconde direction perpendiculaire à la première direction, et un second empilement constitué d'une couche de secondes fibres diélectriques, orientées parallèlement à la seconde direction, et d'une couche de secondes fibres magnétiques, orientées parallèlement à la première direction. L'alternance des couches à propriétés magnétique et diélectrique d'une part et l'alternance de la direction d'anisotropie magnétique et diélectrique d'autre part, due au changement de direction des fibres d'une couche à l'autre, permettent de rétablir pour le matériau composite une isotropie de comportement électromagnétique. Cet agencement de fibres magnétiques et diélectriques permet d'obtenir des matériaux composites à perméabilité magnétique et à permittivité électrique adaptées dont les valeurs sont équivalentes aux moyennes arithmétiques des valeurs des composants de chaque couche, pondérées par les épaisseurs de ces couches. Dans une telle configuration, le premier empilement de couche se comporte comme un polariseur et l'ensemble est par conséquent isotrope. Ainsi, une onde électromagnétique au contact de ce premier empilement peut être fortement atténuée et la réflexion de cette onde peut être nulle si l'accord d'impédance est réalisé avec le milieu de propagation de l'onde. De même, le second empilement joue le rôle d'un polariseur, ce polariseur étant croisé à 90 par rapport au premier polariseur. En jouant sur les valeurs de la permittivité électrique et de la perméabilité magnétique de chaque couche de fibres, il est possible d'obtenir cet accord en impédance avec le milieu de propagation ainsi qu'une forte absorption de cette onde. Pour ce faire, on utilise des matériaux magnétiques et des matériaux diélectriques présentant globalement la relation ú=AL, c'est-à-dire présentant une impédance égale à celle du vide. En outre, l'accord d'impédance entre le milieu de propagation et le matériau composite est réalisable aussi si le milieu situé au contact du matériau composite a une impédance différente de celle du vide. Ainsi, la permittivité électrique respectivement des premières et secondes fibres diélectriques est approximativement égale à la perméabilité magnétique respectivement des premières et secondes fibres magnétiques et, d'autre part, la perméabilité magnétique respectivement des premières et secondes fibres diélectriques est approximativement égale à la permittivité électrique respectivement des premières et secondes fibres magnétiques. Pour simplifier la fabrication du matériau composite, on utilise de préférence des premières et secondes fibres diélectriques réalisées en un même matériau bien qu'il soit possible d'utiliser des matériaux différents pour ces premières et secondes fibres diélectriques. De même, on préfère utiliser le même matériau magnétique pour constituer les différentes couches magnétiques, bien qu'il soit possible d'utiliser des matériaux différents d'une couche à l'autre. La double condition ci-dessus est a priori plus facile à réaliser par l'emploi de deux matériaux différents, l'un ayant une permittivité électrique élevée E1 et une perméabilité magnétique p1 faible, l'autre matériau ayant une permettivité électrique faible E2 et une perméabilité magnétique élevée.2. La présence dans les équations de E et u de parties imaginaires élevée et égale permet d'obtenir une absorption importante des ondes. Comme couple de matériau satisfaisant à l'équation globale t=/x, on peut citer les ferrites magnétiques et les céramiques diélectriques comme les titanates et en particulier le couple ferrite de nickel et de zinc/titanate de baryum. On peut aussi utiliser le couple SiO -Co Nb Zr (avec x allant de 80 à 95 et y+z valant 100-x) ou le couple FeNiCo-SiO2. De façon avantageuse les fibres diélectriques sont constituées d'une gaine polymérique renfermant une charge diélectrique. De même, les fibres magnétiques sont constituées d'une gaine polymérique renfermant une charge magnétique. Suivant le procédé mis en oeuvre pour la fabrication des fibres, on peut utiliser soit des polymères thermoplastiques, soit des polymères thermodurcissables. De préférence, on utilise des polymères thermoplastiques. Comme polymère thermoplastique entrant dans la constitution de la gaine, on peut citer les polyamides, les polyesters, les polyphényLènes, les polypropylènes, les polyéthylènes, les silicones, etc. Suivant les applications envisagées, les fibres diélectriques et/ou magnétiques peuvent recevoir un renfort structural en vue d'améliorer leur tenue mécanique. Comme moyen de renfort, on peut utiliser soit de la poudre, soit des fibres, soit des fils de verre, de carbone, de poLymère,etc... L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un matériau composite stratifié tel que décrit précédemment. Ce procédé comprend essentiellement les étapes suivantes: a) - former au moins une couche de premières fibres diélectriques parallèles, b) - former au moins une couche de premières fibres magnétiques parallèles, c) - faire au moins un premier empilement des couches de premières fibres diélectriques et des premières fibres magnétiques de sorte que les premières fibres diélectriques et les premières fibres magnétiques soient perpendiculaires, d) - former au moins une couche de secondes fibres diélectriques parallèles, e) - former au moins une couche de secondes fibres magnétiques parallèles, f) - faire au moins un second empilement des couches de secondes fibres diélectriques et de secondes fibres magnétiques de sorte que les secondes fibres diélectriques et les secondes fibres magnétiques soient perpendiculaires, g) - assembler le premier et second empilements de sorte que les premières et secondes fibres respectivement diélectriques et magnétiques soient perpendiculaires. De préférence, l'enrobage des charges magnétiques et diélectriques dans une gaine polymérique se fait en coextrudant un polymère thermoplastique et La charge respectivement diélectrique ou magnétique et, si nécessaire, les moyens de renfort. En particulier les charges magnétiques et diélectriques se présentent sous la forme de poudre de 10 à 50 micromètres de granulométrie. La gaine polymérique a pour fonction d'assurer le maintien des charges magnétiques et diélectriques, de permettre la transformation de ces fibres en couche mince et de conférer une anisotropie des propriétés des charges. L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une couche de fibres comportant Les étapes suivantes: a) - enrobage d'une charge dans une gaine en polymère thermoplastique pour former des fibres, b) bobinage des fibres sur un support plan, c) - compactage à froid du bobinage obtenu en b) pour former une couche de fibres, d) - premier pressage à chaud de la couche obtenue en c) dans la zone de température du pseudo- plateau caoutchoutique du polymère, puis e) - deuxième pressage à chaud de la couche obtenue en d) à une température entraînant la fusion du polymère. Le premier pressage à chaud permet la fabrication d'une couche continue de fibres et le second pressage le soudage des gaines polymériques. Ce pressage à chaud en deux étapes permet de maintenir les gaines de polymère autour de la charge et de garder ainsi l'anisotropie magnétique ou diélectrique des couches, fixée par l'orientation des fibres les constituant. L'invention a encore pour objet une couche mince à anisotropie magnétique ou diélectrique obtenue par ce procédé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement en perspective un matériau composite conforme à l'invention, - la figure 2 illustre le principe d'absorption des micro-ondes par le matériau conforme à l'invention, - la figure 3 représente schématiquement en coupe une fibre magnétique ou diélectrique utilisée dans le matériau conforme à l'invention, - la figure 4 donne le cycle théorique pression/température en fonction du temps utilisé pour la fabrication du matériau composite conforme à l'invention, et - la figure 5 donne les valeurs d'efficacité d'absorption d'un matériau conforme à l'invention en fonction de la fréquence de l'onde incidente. Le matériau composite stratifié de l'invention est constitué d'une alternance de couches minces diélectriques et magnétiques anisotropes, rendues solidaires soit par collage à l'aide d'un film adhésif isolant électrique du type colle époxy ou polyester, soit à l'aide d'un cadre isolant. Le nombre de couches empilées dépend de l'application envisagée. En général, ce nombre est un multiple de quatre. L'épaisseur totale du matériau peut varier de 0,6 à 6 mm. Le matériau composite représenté sur les figures 1 et 2 comporte une première couche mince 2 de fibres diélectriques 4 orientée parallèlement à la direction x d'un système orthonormé xyz. A cette couche de fibres diélectriques 2 on associe une couche mince 6 de fibres magnétiques 8, orientée parallèlement à la direction y. Sur la figure 1, les fibres des différentes couches sont représentées non jointives de façon à mieux voir la structure du matériau, bien que, dans la pratique ces fibres soient jointives. En outre, ces couches sont disposées au contact les unes des autres. Les fibres diélectriques 4 présentent une permittivité électrique 1 élevée et une perméabilité magnétique pl faible. Parallèlement, les fibres magnétiques 8 présentent une perméabilité magnétique élevée /2 et une permittivité électrique faible 62. L'ajustement p 2= ú1 et /1 l= 2 des fibres 8 et 4 permet de réaliser un matériau composite, vérifiant globalement l'équation E=/, c'est-à-dire présentant une impédance égale à celle du vide. On rappelle que aetu satisfont aux équations (1) ú= ' + j F" et (2) 4= ' + j,,. La présence dans E et de partie imaginaire élevée et égale permet d'obtenir une absorption importante d'une onde électromagnétique 11 frappant l'empilement de couches 2-6. Tout calcul fait, on obtient un facteur de propagation al élevé dans la direction x correspondant à A" et "> élevés et un facteur de propagation a2 faible dans la direction perpendiculaire y, satisfaisant aux équations suivantes: a1 = jw VE1.A 2' a2 = jw 2.1 Dans ces conditions, une onde éLectromagné- tique 11 frappant la couche 2 puis se propageant dans l'empilement de couches 2-6 est polarisée et les composantes E1 et B2 des champs électrique et magnétique de cette onde, respectivement parallèles à x et y, sont fortement atténuées. L'empilement 2-6 joue le rôle d'un polariseur. Pour atténuer l'autre couple des composantes E2 et B1 de l'onde incidente 11, respectivement parallèles à y et x, dans le matériau composite, il suffit d'ajouter un second ensemble de fibres. Ce second ensemble comprend une couche mince de fibres diélectriques 12 parallèles entre elles mais perpendiculaires aux fibres diélectriques 4. Autrement dit, les fibres diélectriques 12 sont parallèles à la direction y. De plus, la couche 10 à anisotropie diélectrique est disposée au contact de la couche 8 à anisotropie magnétique. A ces fibres diélectriques 12 on associe une couche mince 14 de fibres magnétiques 16 parallèles entre elles et à la direction x mais perpendiculaires aux fibres diélectriques 12 ainsi qu'aux fibres magnétiques 8. Les matériaux constituant les fibres 12 et 16 satisfont aussi à la relation globale E=/4. Les fibres diélectriques 12 sont réalisées dans le même matériau que les fibres diélectriques 4 et les fibres magnétiques 16 sont réalisées dans le même matériau que les fibres magnétiques 8. L'empilement de couches 10-14 constitue un second polariseur croisé à 90 par rapport au premier polariseur 2-6. Des fibres diélectriques 4 ou magnétiques 6 sont constituées, comme représenté sur la figure 3, d'une gaine polymérique 18 mince thermoplastique renfermant une charge pulvérulente 20 respectivement diélectrique ou magnétique, et des fibres de renfort 22. En particulier, la gaine 18 est du polyamide 12 de 0,010 à 0,015 mm d'épaisseur renfermant des fibres 22 de verre et une poudre 20 de titanate de baryum ou d'une ferrite de nickel et de zinc suivant que ces fibres sont diélectriques ou magnétiques. Ces fibres ont un diamètre extérieur de 0,2 à 0,7 mm. Ces fibres présentent des taux massiques de charge supérieurs à 50% et en particulier à 95X et des taux volumiques de chargement de l'ordre de 60%. La charge se présente sous la forme d'une poudre ayant une granulométrie de 10 à 50 micromètres. On décrit ci-après La réalisation de chaque couche de fibres diélectriques ou magnétiques. Les fibres diélectriques ou magnétiques décrites sur la figure 3 et entrant dans la constitution des matériaux composites de l'invention sont réalisées par coextrusion du polymère, de la charge et des fibres de renfort. Comme procédé connu de coextrusion utilisable dans l'invention, on peut citer celui décrit dans les techniques de l'ingénieur 3240-1 à 4 "Préimprégné souple à matrice thermoplastique (FIT)" de Ganga et Bourdon. Cette coextrusion permet des productions de fibres, reproductibles et adaptables aux différentes caractéristiques de charge en prenant en compte leur condition particulière de coulabilité. Les fibres produites sont ensuite mises en forme par bobinage jointif sur une ou deux épaisseurs sur des mandrins plans. Les plaques obtenues sont alors compactées à froid sous une pression de 200 MPa dans des cuves à pression hydrostatique. Enfin, le matériau est transformé sous presse à plateaux chauffants. Cette dernière étape de pressage à chaud se fait par déformation plastique des gaines polymériques suivie d'une fusion sans pression de ces dernières. La transformation plastique est une transformation irréversible effectuée à pression constante dans la zone de température du pseudo plateau caoutchoutique du polymère constituant la gaine des fibres. Les couches minces de fibres obtenues ont une épaisseur de 0,2 à 0,5 mm suivant le diamètre initial des fibres et le nombre de couches bobinées sur les mandrins. Sur la figure 4, on a représenté la dernière étape de transformation des fibres en couche mince pour des gaines en polyamide. Ce diagramme donne les variations de pression et de température exprimées respectivement en MPa et en C en fonction du temps exprimé en minute. La zone A correspond à une montée en température de 0 à 1000C sous une pression de 20 MPa. La zone B correspond à la zone de déformation plastique de la gaine des fibres à 1200C sous une pression de 20 MPa. Cette étape permet la formation d'une couche continue tout en lui conservant son anisotropie magnétique ou diélectrique. La zone C correspond à une reprise de température de 100 à 1600C sous une pression réduite de 0,2 MPa. La zone D correspond à un deuxième palier en température à pression réduite de 0,2 MPa de 160 à 1800C. Cette étape provoque La fusion du polymère et assure l'adhérence des gaines polymériques de la couche. La zone E représente un refroidissement sans pression pour limiter le fluage du matériau, et l'étape F représente un démoulage à 1200C. Les couches de matériaux diélectriques et magnétiques réalisées comme décrit ci-dessus, sont ensuite empilées puis assemblées pour réaliser des écrans de blindage électromagnétique absorbants, comme décrit sur les figures 1 et 2. Ce procédé de fabrication de couches à anisotropie magnétique ou diélectrique peut être utilisé pour la réalisation d'autres matériaux que celui décrit aux figures 1 et 2. En particulier, il peut servir pour la réalisation de blindage essentiellement magnétique ou essentiellement diélectrique. La courbe représentée sur la figure 5 donne le rapport Er/Ei en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique incidente. Ei et Er représentent l'énergie de l'onde électromagnétique à absorber respectivement incidente et réfléchie par le matériau de l'invention et les fréquences sont exprimées sous forme logarithmique. La courbe de la figure 5 a été obtenue pour un matériau composite constitué de 4 couches orthotropes, c'est-à-dire tel que représenté sur la figure 1, la charge diélectrique étant du titanate de baryum et la charge magnétique une ferrite de nickel et de zinc. De cette courbe, il ressort que le matériau composite présente une valeur d'efficacité d'absorption maximum de 18 db à 1000 MHz et une efficacité de 16,5 db entre 10 et 800 MHz. Les matériaux de l'invention sont donc capables de résorber les nuisances électromagnétiques sur des largeurs de bande étandues avec une efficacité suffisante-pour atténuer 90 à 99% de l'onde incidente. REVENDICATIONS 1. Matériau composite stratifié comportant au moins deux empilements de couches assemblés, un premier empilement constitué d'une couche (2) de premières fibres diélectriques (4), orientées paraLLèlement à une première direction (x), et d'une couche (6) de premières fibres magnétiques (8), orientées parallèlement à une seconde direction (y) perpendiculaire à la première direction (x), et un second empilement constitué d'une couche (10) de secondes fibres diélectriques (12), orientées parallèlement à la seconde direction (y), et d'une couche (14) de secondes fibres magnétiques, orientées parallèlement à la première direction (x). 2. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la permittivité électrique respectivement des premières et secondes fibres diélectriques (4, 12) est approximativement égale à la perméabilité magnétique respectivement des premières et secondes fibres magnétiques (8, 16) et en ce que la perméabilité magnétique respectivement des premières et secondes fibres diélectriques (4, 12) est approximativement égale à la permittivité électrique respectivement des premières et secondes fibres magnétiques (8, 16). 3. Matériau composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres diélectriques sont constituées d'une gaine polymérique (18) renfermant une charge diélectrique (20) et éventuellement des moyens de renfort (22). 4. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que les fibres magnétiques sont constituées d'une gaine polymérique (18) renfermant une charge magnétique (20) et éventuellement des moyens de renfort (22). 5. Matériau composite selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la gaine polymérique (18) est en polyamide. 6. Matériau composite selon L'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les moyens de renfort (22) se présentent sous forme de fibres. 7. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les fibres diélectriques sont en titanate de baryum et les fibres magnétiques en ferrite de nickel et de zinc. 8. Procédé de fabrication d'un matériau composite stratifié consistant à: a) - former au moins une couche (2) de premières fibres diélectriques (4) parallèles, b) - former au moins une couche (6) de premières fibres magnétiques (8) parallèles, c) - faire au moins un premier empilement des couches de premières fibres diélectriques et des premières fibres magnétiques de sorte que Les premières fibres diélectriques et les premières fibres magnétiques soient perpendiculaires, d) - former au moins une couche (10) de secondes fibres diélectriques (12) parallèles, e) former au moins une couche (14) de secondes fibres magnétiques (16) parallèles, f) - faire au moins un second empilement des couches de secondes fibres diélectriques et de secondes fibres magnétiques de sorte que les secondes fibres diélectriques et les secondes fibres magnétiques soient perpendiculaires, g) - assembler le premier et second empilements de sorte que les premières et secondes fibres respectivement diélectriques et magnétiques ! soient perpendiculaires. 9. Procédé selon La revendication 8, caractérisé en ce que les fibres diélectriques et les fibres magnétiques sont formées en coextrudant un polymère thermoplastique et une charge respectivement diéLectrique et magnétique avec éventuellement des moyens de renfort. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que les couches de fibres sont formées par bobinage sur un support plan, compactage à froid du bobinage puis pressage à chaud. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le pressage à chaud comporte une étape de déformation plastique du polymère puis de fusion dudit polymère.