Brevet FR2669557A1 — publié le 19920529

La présente invention est relative au traitement par micro-ondes de matériaux diélectriques et se rapporte plus particulièrement à un traitement de ce type réalisé sous contrainte de pression mécanique. Les traitements par micro-ondes habituellement utilisés pour l'élaboration ou la mise en oeuvre de matériaux diélectriques, notamment de matériaux composites à matrice organique, dont les dimensions sont supérieures à la demi-longueur d'onde du rayonnement électromagnétique font intervenir soit un système assurant le déplacement relatif du matériau par rapport à la structure spatiale du champ électromagnétique, soit un système de type à cavité multimode avec brasseur de modes de propagation. Dans la première solution, l'application d'une contrainte de pression est généralement impossible du fait du déplacement du matériau. Dans la seconde solution, le matériau à traiter et les éléments diélectriques qui réalisent lten- semble de maintien sous pression de ce matériau (matrice plus poinçon) constituent par leur permittivité moyenne, leurs dimensions et la configuration de leurs interfaces, un circuit électrique hyperfréquence qui sélectionne les modes de propagation. En effet, les expériences montrent que, avec ou sans brasseur de modes, des défauts d'homogénéité ou des "marquages hétérogènes" apparaissent au sein du matériau à traiter, si les traitements ne sont pas suffisamment doux et leurs durées suffisamment prolongées. Les défauts d'homogénéité ou marquages observés dans ces expériences résultent de l'établissement de régimes d'ondes stationnaires qui sont générés dans le matériau par les réflexions internes aux interfaces, en fonction des modes de propagation excités par ces interfaces et en fonction des distances particulières qui les séparent. Ces effets sont d'autant plus importants que l'atténuation des ondes dans ces types de matériaux est relativement faible en raison de la faible constante diélectrique de pertes et que la diffusion de la chaleur favorise peu l'homogénéisation entre les zones marquées, du fait de la conductivité thermique également faible et de la durée des traitements volontairement réduite. Une telle observation de marquages dus aux hétérogénéités et l'incidence des conditions de diffusion de la chaleur sont bien précisées dans le brevet FR.84 15 106. Dans le dispositif décrit dans ce brevet, l'homogénéisation résulte uniquement des conditions de conductivité thermique, l'applicateur restant du type multimode. Pour le dispositif décrit dans le brevet JP60-135230, la contrainte de pression est réduite à une mise sous vide des matériaux à traiter ou à assembler par collage. De ce fait, le remplissage de l'applicateur reste faible et ne nécessite pas de conditions diêlec- triques particulières pour les valeurs de constante de permittivité. Enfin, le brevet FR 88 08 081 ne précise aucun élément relatif à l'application de l'énergie micro-onde ni des conditions de propagation des ondes. L'invention vise à remédier aux inconvénients de la technique antérieure en proposant un "moule " où le champ électrique du mode fondamental est guidé de manière à éviter l'excitation des modes hybrides qui nuisent à l'homogénéité du traitement. La grande difficulté rencontrée dans les procédés de traitement des matériaux par micro-ondes est le contrôle de la répartition spatiale de l'énergie électrique, c'est à dire l'obtention d'un traitement homogène. L'invention vise à créer un nouveau dispositif permettant un traitement homogène grâce à l'établis- sement d'une configuration appropriée du champ électrique dans un moule sous contrainte mécanique. Elle a donc pour objet un dispositif de traitement de matériaux diélectriques à l'aide de microondes comprenant un moule destiné à contenir le matériau à traiter, des moyens de mise sous pression du matériau contenu dans le moule, et un générateur de micro-ondes destiné à appliquer au moule l'~nergîe hyperfréquence nécessaire au traitement du matériau, caractérisé en ce que le moule comprend au moins un matériau diélectrique transparent aux micro-ondes, entourant le matériau à traiter, le matériau diélectrique résistant à l'application d'une contrainte mécanique et ayant une permittivité diélectrique décroissante depuis le matériau à traiter jusqu'à la paroi extérieure du moule, la valeur de la permittivité diélectrique moyenne du matériau diélectrique étant inférieure à la valeur correspondant à la situation de coupure du premier mode d'ordre supérieur au mode fondamental de l'onde électromagnétique engendrée par le générateur. Selon une caractéristique particulière de l'invention, au moins l'interface d'entrée de l'onde électromagnétique dans le moule est constituée par une surface inclinée par rapport à la direction de propagation de l'onde électromagnétique d'un angle o favorisant la propagation du seul mode fondamental TEOl dans le moule. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.1 est une représentation schématique en perspective de l'entrée du moule mettant en lumière l'empilement des différents diélectriques garnissant le moule ainsi que la position du matériau à traiter suivant l'invention; - la Fig.2 est une vue de profil du moule de la Fig.1 contenant le matériau à traiter; - les Fig.3A et 3B représentent les coupes AA et BB des Fig.2,5 et 6; - la Fig.4 est une représentation en coupe transversale du montage d'application de la pression mécanique; - les Fig.5 et 6 sont des vues analogues à celle de la Fig.2 et représentent deux autres formes de moule possibles; et - la Fig.7 représente le dispositif de traitement dans sa totalité. La démarche suivie dans la présente invention consiste à ne permettre l'établissement que d'un seul mode de propagation des ondes dans le matériau à traiter, dans le moule qui le contient et dans l'applicateur qui lui est associé. Pour que le mode choisi soit unique, il doit être le mode fondamental TEO1 et la configuration de l'ensemble diélectrique formé par le moule et le matériau à traiter doit être conçue de manière à interdire la propagation des modes d'ordre supérieur et, de façon corollaire, les modes hybrides qui pourraient résulter de la possibilité d'existence de ces modes d'ordre supérieur et de leur excitation par les interfaces à l'entrée et à la sortie du moule. Le mode fondamental étant filtré, sa répartition spatiale est connue. On dispose donc le matériau à traiter dans une zone à champ électrique maximal-et homogène. Sur la Fig.1, on a représenté de façon schématique l'entrée du moule du dispositif suivant l'invention Le moule proprement dit est matérialisé par un guide d'onde 1 dans lequel est interposé un empilement de pièces de remplissage en matériau diélectrique qui délimitent une cavité 2 dans laquelle est disposé le matériau à traiter 3. Cet empilement est constitué dans le présent exemple de cinq couches de matériau diélectrique 4,5, 6, 7 et 8 disposées symétriquement par rapport au plan horizontal médian du guide. Les couches 4 et 8, et 5 et 7, sont constituées deux à deux de matériaux diélectriques de même nature. La permittivité du matériau Il des couches 5 et 7 est supérieure à celle des matériaux I des couches 4 et 8. La couche 6 est réalisée en un matériau III de permittivité supérieure à celle des couches 5 et 7 qui l'entourent. Cette couche est interrompue pour définir avec les couches 5 et 7 voisines quatre des parois de la cavité 2 de réception du matériau à traiter. Cette cavité est fermée par deux parois latérales qui sont formées par des couches 9 et 10 d'un quatrième matériau diélectrique IV. Le moule est placé dans un dispositif d'application de pression représenté en trait mixte et qui sera décrit par la suite. Ainsi qu'on peut le voir à la Fig.1, le moule présente une interface 11 d'entrée pour l'onde électromagnétique dans le moule, constitué par une surface inclinée par rapport à la direction longitudinale du guide d'onde d'un angle o tel que la propagation du seul mode fondamental TEO1 dans le moule soit favorisée. Les expériences réalisées dans des applicateurs contenant un matériau à traiter et garnis de matériaux diélectriques de caractéristiques différentes ont montré que - l'angle d'entrée o détermine d'une part les valeurs de la transmission et de la réflexion de l'onde pour le mode fondamental et, d'autre part, est responsable de l'excitation des modes d'ordre supérieur et notamment des modes hybrides stables et reproductibles, - les faibles valeurs des angles o d'inclinaison ou de biseau diminuent la réflexion du mode fondamental mais aussi en diminuent la transmission et augmentent la transmission des autres modes indésirables. Par ailleurs, les expériences ont également montré que la longueur de mode de propagation (longueur d'onde guidée) est unique et est une fonction de la valeur moyenne des permittivités des constituants; cette "moyenne" dépend aussi de la position respective de ces constituants par rapport à la structure du mode de propagation. L'interface d'entrée dans le moule excite inévitablement les modes d'ordre supérieur. Afin d'éviter leur propagation dans le moule pour ne filtrer que le mode fondamental, il faut, selon l'invention, que les matériaux diélectriques de constitution du moule présentant une permittivité "moyenne" inférieure à la valeur correspondant à la situation de coupure du premier mode d'ordre supérieur. La valeur seuil de la permittivité moyenne des diélectriques constituant le moule est donnée par l'expression suivante où Em est la permittivité relative moyenne du matériau formant le moule. c, la célérité de la lumière, f, la fréquence de l'onde, a, le grand côté de l'applicateur. A titre d'exemple, pour un guide d'ondes standard qui, pour l'Europe, correspond à une forme prismatique de section rectangulaire où a = 86,36 mm, la permittivité seuil est de 2,0. Cette permittivité doit tenir compte de l'amplitude des variations de la permittivité du matériau à traiter, pendant la totalité du cycle de transformation. Cette condition étant remplie, les modes indésirables excités à l'interface s'atténuent exponentiellement (modes évanescents) et le mode fondamental se trouve être le seul mode à se propager dans le moule. Ainsi qu'on peut le voir à la Fig.2, l'interface 12 de sortie du moule est elle aussi un biseau parallèle à l'interface d'entrée 11 afin d'éviter la réflexion des ondes sur ladite interface et leur retour vers le moule. Les Fig.3A et 3B sont des vues en coupe suivant les lignes A-A et B-B de la Fig.2, 5 et 6 et montrent respectivement les positions des diverses couches de matériau diélectrique dans le moule en dehors de la cavité contenant le matériau à traiter et en regard de cette cavité. Sur la Fig.3A, les couches 4,5 et 7,8 de matériau diélectrique de remplissage I et Il sont disposées de part et d'autre de la couche 6 de matériau diélectrique de remplissage III et constituent une configuration de permittivité décroissant du centre vers les bords du moule. Sur la Fig.3B, le matériau à traiter 3 occupe le centre de la cavité. Il est confiné sur ses faces latérales horizontales par les couches 5, 7 de matériau diélectrique Il qui à leur tour sont prises entre les deux couches 4,8 de matériau diélectrique I. Le matériau 3 ê traiter est en outre confiné sur ses faces verticales par les couches 9, 10 de matériau diélectrique de remplissage IV. Sur la Fig.4, on a représenté en coupe le dispositif d'application de pression mécanique au matériau à traiter. Ce montage qui est avantageusement incorporé au guide d'onde 1 de la Fig.1 en regard de l'empilement de couches de matériau diélectrique délimitant la cavité 2 contenant le matériau à traiter, comporte une matrice métallique 14 pourvue d'une embase 15 et dans laquelle est ménagée une chambre 16 ouverte à sa partie supérieure ayant les dimensions intérieures du guide d'onde 1. Un poinçon 17 est mis en place sur la partie supérieure ouverte de la matrice afin d'appliquer une pression à l'empilement de couches de matériau diélectrique décrit en référence aux Fig.1 à 3B et par conséquent au matériau à traiter 3 contenu dans la cavité 2. L'empilement représenté à la Fig.5 est constitué des mêmes couches 4 à 8 de matériaux diélectriques de permittivité décroissante du centre vers les parois du guide d'onde qui le contient, que celles de l'agencement de la Fig.2. Il diffère de celui-ci par ses interfaces d'entrée et de sortie 18 et 19 qui sont constituées chacune par une paroi en creux formée de deux plans sécants 18a, 18b, 19a, 19b inclinés d'un angle o par rapport à la direction longitudinale du guide. L'empilement représenté à la Fig.6 diffère de celui de la Fig.5 en ce que ses interfaces d'entrée et de sortie 20 et 21 sont constituées par des parois en saillie 20, 21 formées chacune de deux plans sécants 20a, 20b, 21a, 21b inclinés d'un angle e par rapport à la direction longitudinale du guide. Sur la Fig.7, on a représenté schématiquement le dispositif de traitement dans son ensemble. Ce dispositif comporte un applicateur 22 dont la configuration est celle décrite en référence aux Fig.4 et 5 et dont l'ensemble de mise sous pression est représenté schématiquement par un poinçon 23. L'applicateur est relié à un guide d'onde 24 auquel est connecté à une extrémité un générateur de micro-ondes 25, un isolateur 26 étant interposé entre le générateur 25 et l'applicateur 22. Le générateur 25 du type magnétron, génère des ondes électromagnétiques à une fréquence de 2,45 GHz et l'isolateur 26 protège le générateur contre d'éventuelles ondes de retour. L'isolateur 26 est du type à circulation d'eau. A son extrémité opposée au générateur 25, le guide d'onde 24 est connecté à une charge adaptable 27 qui, elle aussi, est du type à circulation d'eau, et qui est destinée à éviter tout retour d'ondes vers le moule. Les ondes électromagnétiques délivrées par le générateur de micro-ondes sont guidées vers le moule par le guide d'onde 24 dans lequel seul le mode fondamental se propage. Dans le dispositif représenté ici à titre d'exemple, le champ électrique est maximum et homogène dans le plan médian de l'applicateur 22 et la substance 3 à traiter est donc disposée au centre du moule comme indiqué sur les figures. La répartition homogène de l'intensité du champ électrique dans la substance à traiter est maîtrisée grâce aux propriétés suivantes des diélectriques I, II, III et IV qui constituent le moule. La permittivité diélectrique III est très voisine de celle du matériau à traiter pour éviter la discontinuité diélectrique afin que l'onde électromagnétique entre facilement dans la substance. La permittivité diélectrique du matériau à traiter étant la plus élevée, celles des diélectriques environnants I et Il sont dans l'ordre E'(I) E'(II) est légèrement inférieure à la permittivité du matériau. Le diélectrique Il a les qualités d'un matériau de moule. En effet, ce matériau étant en contact direct avec le matériau à traiter, c'est donc de son état de surface que dépend l'aspect de la pièce à élaborer. En outre, ces performances ne doivent pas évoluer avec la température. La conductivité thermique du diélectrique Il présente une anisotropie. Il est préférable qu'il soit bon conducteur thermiquement dans le sens de la propagation des ondes afin de faciliter l'uniformisation de l'échauffement dans le sens longitudinal. A l'inverse, les pertes de chaleur vers le diélectrique Il sont réduites au minimum possible grâce à une conductivité thermique du diélectrique Il très faible dans la direction perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde électromagnétique et à la direction du champ électrique. Cette propriété peut être acquise en utilisant pour le diélectrique II, par exemple, un matériau à fibres. Le diélectrique IV constituant les couches 9 et 10 (Fig.3B) présente des propriétés d'isolant thermique. Afin de limiter les déperditions latérales de la chaleur, il est intercalé, entre la substance à traiter et la paroi métallique de l'applicateur. Enfin, tous ces diélectriques ont la propriété commune d'être tous résistants à la pression mécanique. Les ondes sortant du moule sont piégées dans la charge constituée par la charge adaptable 27. Aucun retour des ondes n'est observé, ce qui confère au système une structure à onde progressive. Ainsi, on contrôle l'homogénéité de la répartition spatiale du champ électrique dans le matériau à traiter. Le fait que la substance à transformer possède la permittivité diélectrique la plus élevée permet une bonne concentration du champ dans la susbtance et donc une bonne homogénéité de son traitement. Le dispositif de traitement suivant l'invention est particulièrement bien adapté pour assurer le traitement thermique de matériaux composites constitués d'une masse de matière organique et de matériaux de charges tels que des fibres de verre, des fibres de carbone ou autre. Il est également adapté pour le traitement de matières organiques homogènes. Dans les modes de réalisation qui viennent d'être décrits, les angles d'inclinaison des interfaces d'entrée et de sortie sont égaux. Cependant, ces angles peuvent être choisis différents compte tenu de la transmission et de la réflexion du mode fondamental de l'onde électromagnétique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques à l'aide de micro-ondes comprenant un moule destiné à contenir le matériau à traiter, des moyens (14,17; 23) de mise sous pression du matériau (3) contenu dans le moule, et un générateur de micro-ondes (25) destiné à appliquer au moule l'énergie hyperfréquence nécessaire au traitement du matériau, caractérisé en ce que le moule comprend au moins un matériau diélectrique (4,5,6,7,8,9,10) transparent aux micro-ondes, entourant le matériau (3) à traiter, le matériau diélectrique résistant à l'application d'une contrainte mécanique et ayant une permittivité diélectrique décroissante depuis le matériau (3) à traiter jusqu'à la paroi extérieure du moule, la valeur de la permittivité diélectrique moyenne du matériau diélectrique étant inférieure à la valeur correspondant à la situation de coupure du premier mode d'ordre supérieur au mode fondamental de l'onde électromagnétique engendrée par le générateur (25). 2. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'interface d'entrée (11; 18; 20) de l'onde électromagnétique dans le moule est constituée par une surface inclinée par rapport à la direction de propagation de l'onde électromagnétique d'un angle (o) favorisant la propagation du seul mode fondamental TEO1 dans le moule. 3. Dispositif de traitement suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit moule contient plusieurs matériaux diélectriques (4,5,6,7,8,9, 10) ayant des permittivités diélectriques différentes et étant disposés dans le moule de manière que la permittivité diélectrique de l'ensemble varie en décroissant depuis le matériau (3) à traiter jusqu'à la paroi extérieure du moule. 4. Dispositif de traitement de matériaux diélectrique suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau diélectrique (5,7, 9, 10) en contact avec le matériau (3) à traiter présente une anisotropie de conductivité thermique, la conductivité thermique dudit matériau étant forte dans le sens de propagation de l'onde électromagnétique et faible dans la direction perpendiculaire à la direction de propagation et à la direction du champ électrique. 5. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que dans la direction du champ électrique un diélectrique (9,10) isole thermiquement le matériau à traiter des parois métalliques des moyens (14,17;23) de mise sous pression du matériau (3) à traiter. 6. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques suivant l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'interface de sortie (12; 19; 21) de l'onde électromagnétique est également constituée par une surface inclinée par rapport à la direction de propagation de l'onde électromagnétique. 7. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les angles d'inclinaison des surfaces inclinées formant les interfaces d'entrée et de sortie (11, 12; 18, 19; 20, 21) du moule sont égaux. 8. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les angles d'inclinaison des surfaces inclinées formant les interfaces d'entrée et de sortie sont choisis différents, afin d'optimiser le transfert associé au mode fondamental et réduire l'excitation éventuelle des autres modes. 9. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques suivant l'une des revendications 2 et 6 à 8, caractérisé en ce que l'interface ou les interfaces sont constituées chacune par une surface plane (11,12) inclinée par rapport à la direction de propagation de l'onde électromagnétique. 10. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques suivant l'une des revendications 2 et 6 à 8, caractérisé en ce que l'interface ou les interfaces sont constituées chacune par une paroi en creux (18,19) formée de deux plans sécants (18a, 18b, 19a, 19b) inclinés d'un angle (o) par rapport à la direction de propagation de l'onde électromagnétique. 11. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques suivant l'une des revendications 2 et 6 à 8, caractérisé en ce que l'interface ou les interfaces sont constituées chacune par une paroi en saillie (20,21) formée de deux plans sécants (20a,20b, 21a, 21b) inclinés d'un angle (o) par rapport à la direction de propagation de l'onde électromagnétique. 12. Dispositif de traitement de matériaux diélectriques suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un piège à micro-ondes accordable (27) relié au guide d'onde (24) en aval du moule et des moyens (22) de mise sous pression qui l'entourent et destiné à éviter tout retour d'onde vers le moule.