Brevet FR2875958A1 — publié le 20060331

Matériau d'absorption du rayonnement électromagnétique hyperfréquence et procédé de fabrication de composants de structure en un tel matériau L'invention concerne les matériaux en couche destinés à revêtir ou constituer des structures pour absorber les rayonnements électromagnétiques hyperfréquence centimétriques, en particulier dans le domaine allant de 2 à 18 GHz qui est celui de la plupart des radars de détection. Elle trouve une application particulièrement importante dans la réalisation d'éléments de structure et/ou de revêtements à deux dimensions, permettant de réduire la signature radar dans les domaines terrestre, marin ou aérien. Pour réduire l'écho radar d'un objet, on utilise à l'heure actuelle deux démarches. D'une part, on choisit des formes géométriques évitant la formation de lobes de 20 réflexion intense dans la direction où on peut craindre une détection; d'autre part, on revêt les zones susceptibles de donner naissance à un écho d'une couche de matériau absorbant. On connaît déjà les conditions à remplir par un tel matériau. Son impédance caractéristique doit être aussi proche que possible de celle de l'atmosphère, de façon à éviter les réflexions à l'interface. La perméabilité magnétique et la permittivité du matériau doivent comporter des composantes imaginaires. Mais tous les matériaux proposés à l'heure actuelle, du genre utilisé dans des chambres sourdes, pré-sentent de graves inconvénients lorsqu'on cherche à les utiliser en application extérieure. Du fait de leur faible résistance mécanique, ils ne constituent pas des matériaux de structure et alourdissent les structures sans les renforcer du point de vue mécanique. Pour la plupart, ils résistent mal aux agressions extérieures. 30 35 2875958 2 L'invention vise notamment à fournir un matériau d'absorption des rayonnements électromagnétiques hyperfréquence répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment par une cohérence qui permet de les utiliser pour constituer des composants de structure et par une absorption relativement élevée et dans une large bande de fréquences, pour une épaisseur acceptable. Dans ce but, l'invention propose notamment un matériau cohérent en couche, comprenant au moins: -une âme constituée d'un squelette en un produit minéral ou synthétique revêtu ou imprégné de matériau de constante diélectrique supérieure à celle du squelette, ayant un angle de perte qui augmente à partir d'une surface externe de l'âme,imprégnée de résine thermodurcissable à l'état expansé, -une peau externe solidaire de façon permanente de l'âme, ayant une transparence aux rayonnements électromagnétiques hyperfréquence supérieure à celle de l'âme, constituée par de la fibre à faible constance diélectrique à l'état tissé ou enchevêtré, la cohérence de la peau et sa liaison avec l'âme étant assurées par une résine thermodurcissable à l'état expansé, -et un substrat en matériau réfléchissant les ondes électromagnétiques hyperfréquence solidarisé de la face de l'âme opposée à la peau par ladite résine thermodurcissable à l'état expansé. L'invention propose également un procédé de fabrication d'un élément en un tel matériau. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est une vue schématique en coupe montrant les différentes strates constitutives du matériau, - la Figure 2 montre l'échelonnement des constantes 2875958 3 diélectriques des différentes strates de l'âme, dans un mode particulier de réalisation de l'invention. Le matériau en couche montré à titre d'exemple en Figure 1, destiné à absorber le rayonnement dans une large plage de fréquences, se présente sous forme d'un sandwich absorbant qui peut par exemple constituer une structure de missile ou être moulée sur une structure dont on veut réduire la signature. Ce matériau peut être regardé comme comportant, à partir de l'avant (c'est-à-dire à partir de la surface qui reçoit le rayonnement à absorber), une peau avant 10, une âme 12 et un substrat 14 qui peut, dans certains cas, être constitué par la paroi même dont on veut éviter la détection. L'âme 12 présente des constantes électromagnétiques variant de façon progressive depuis la face avant jusqu'à la face arrière pour absorber les micro-ondes qui y pénètrent. La constante diélectrique augmente de l'avant à l'arrière. Pour cela, l'âme peut être constituée de plusieurs strates (deux à six en général) ayant chacune des constantes électromagnétiques sensiblement constantes, ou avec une composition qui évolue de façon progressive de l'avant à l'arrière. L'âme 12 peut être regardée comme constituée d'un squelette en matière synthétique ou minérale dont la textu- re permet la pénétration d'une résine thermodurcissable, la variation des constantes électromagnétiques étant obtenue soit par une évolution de la nature du squelette à travers l'âme, soit par imprégnation de ce squelette par un produit dont les caractéristiques évoluent d'une face à l'autre de l'âme. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, l'âme est constituée de trois strates 16, 18 et 20. Ces strates sont formées d'un squelette de même nature, mais avec une imprégnation différente. Le squelette peut notam- ment être une mousse à cellules ouvertes de matériaux synthétiques tels que les polyuréthanes, les polyisocyanurates, les poly(chlorures de vinyle), les silicones, auxquels 2875958 4 des procédés de mise en oeuvre connus donnent une structure cellulaire. Des propriétés électromagnétiques différentes peu-vent être données à ces strates par une concentration dif- férente de charges conductrices, tels que le noir de carbone, différents produits organo-métalliques, des poudres de métal ferro-magnétique, des ferrites, des polymères conducteurs et/ou ferro-magnétiques. On peut également obtenir des propriétés différen- tes en constituant le squelette des strates de fibres traitées à l'avance de façon à donner des propriétés électromagnétiques différentes aux différentes strates. Les fibres sont alors entremêlées pour constituer des écheveaux, des non tissés ou des tissus d'épaisseur déterminée, imprégna- bles par une résine. On peut également faire évoluer les propriétés électromagnétiques en mélangeant, en proportion variable suivant les strates, des fibres traitées de façon à être conductrices avec des fibres non conductrices. La résine expansée d'imprégnation et de remplissage de l'âme peut avoir une répartition homogène dans l'ensemble de l'âme. Elle est obtenue par imprégnation de composé contenant une résine ou un mélange de résines, un durcisseur, un agent mouillant si la nature du squelette le jus- tifie et un agent d'expansion. La résine qui constitue l'élément de base peut être une résine époxy, polyester, polyuréthane, bismaléimide, polyamide, phénolique ou choisie parmi d'autres résines expansibles ayant une faible constante diélectrique. La peau 10 est composée de fibres en matériau ayant une faible constante diélectrique. Elle doit résister aux agressions extérieures, souvent être imperméable, et être transparente aux rayonnements électromagnétiques puis-qu'elle assure l'adaptation d'impédance avec l'extérieur. L'épaisseur de la peau dépend de la résistance aux agressions à obtenir: elle sera généralement comprise entre 0,2 2875958 5 et quelques millimètres. Une épaisseur de 0,5 mm est sou-vent proche d'un optimum. Les fibres à faible constante diélectrique de la peau 10 sont imprégnées par la même résine expansible qui sert à la constitution de l'âme et qui assure la cohésion de l'ensemble. Les fibres peuvent se présenter sous forme de tissus ou de non-tissés et être de nature minérale (fibres de verre, de silice ou de carbure de silicium par exemple), synthétique (fibres de polioléfine, d'aramide, ou polymère à cristaux liquides). On peut notamment utiliser des fibres de verre, des fibres d'aramide et de quartz, des fibres de polyéthylène haute densité orienté, de module spécifique élevé, ou de copolymère polyamide aromatique. De très bonnes performances sont obtenues pour un inférieur à 2,5, par exemple avec des fibres de polyéthylène qui présentent simultanément des qualités mécaniques et radioélectriques et une faible densité. La résistance aux agressions de la peau peut être encore accrue par un revêtement de peinture 22. Enfin le substrat 14 placé à l'arrière du matériau dans le sens de la propagation du rayonnement, ne doit pas être transparent à ce rayonnement. Le matériau constitutif du substrat 14 a dans tous les cas une conductivité électrique suffisante pour obtenir un effet réflecteur. La figure 2 montre en trait plein un échelonnement possible de l'angle de perte dans l'épaisseur du materiau. Dans la pratique, la plage acceptable pour chaque couche peut varier dans un large domaine, comme indiqué par la zone hachurée. Mais il doit toujours y avoir augmentation de l'angle de perte lorsqu'on passe de 16 à 18, puis à 20. Lorsqu'il' n'est pas constitué par une paroi métallique à revêtir ou par une simple feuille métallique, le substrat 14 est généralement constitué d'une matrice de fibres conductrices, par exemple de fibres de carbone, de fi- bres de matériau isolant revêtu de cuivre ou de nickel ou de fibres métalliques, à l'état tissé ou non-tissé. La matrice est imprégnée de la même résine thermodurcissable 2875958 6 expansée que celle qui intervient dans la composition de l'âme. La résine qui imprégne au moins l'âme solidarise celle-ci du substrat, en même temps qu'il l'imprégne, s'il contient une matrice poreuse. Sauf lorsqu'il a un rôle structurel, le réflecteur a une épaisseur adaptée. A titre d'exemple on peut indiquer qu'un tel matériau destiné à assurer une atténuation de -10 dB en réflectivité, en bandes C, Ku et X a été réalisé sous une épaisseur d'un peu plus de 10 mm. Le réflecteur était constitué par un pli de tissu de fibres de carbone, de 0,2 mm d'épaisseur finale. L'âme était constituée de trois couches de mousse polyuréthane à cellules ouvertes de chacune 3,3 mm d'épaisseur, imprégnées de noir de carbone dispersé dans un polymère, avec des caractéristiques diélectriques évolutives d'une strate à l'autre. La peau était constituée de plis de tissus de fibres de polyéthylène à propriétés mécaniques élevées et à faible constante diélectrique, avec une épaisseur finale de 0,5 mm. La résine expansible était une résine époxyde à durcisseur aminé contenant un agent de mouillage et un agent d'expansion. Le matériau finalement obtenu avait une épaisseur 25 de 10,6 mm et une masse surfacique de 4,5 Kg/m2. Divers procédés peuvent être utilisés pour réaliser un matériau en couches suivant l'invention. Une solution généralement avantageuse consiste à déposer successivement, dans un moule muni de moyens de 30 chauffage, - les tissus ou les non-tissés de constitution de la peau 10, - les strates successives de constitution de l'âme, déjà imprégnées d'une teneur de matériau d'augmentation de 35 l'angle de perte qui augmente d'une strate à la suivante, - le squelette du substrat, 2875958 7 en interposant, entre ces constituants, des couches de résine expansible ayant une masse surfacique déterminée. Une couche supplémentaire de résine peut être pré-vue à l'avant et à l'arrière pour améliorer l'état de surface du matériau. Pour obtenir des strates de propriétés régulières, divers procédés peuvent être utilisés pour leur donner les propriétés électromagnétiques requises, par exemple la projection au pistolet de matériau conducteur dispersé dans un liant, puis l'essorage de la matière en excès. On peut utiliser une machine de projection commandée par robot, pour rendre les opérations plus reproductives. Une fois tous les composants en place, le moule est fermé, puis chauffé pour amorcer les réactions de polyméri- sation et d'expansion de la résine qui remplit le squelette de l'âme et imprègne la peau et le substrat. Grâce à ce procédé, on peut en une seule opération remplir l'âme et imprégner la peau et le substrat, sous le seul effet de la pression d'expansion de la résine. On ob- tient un matériau rigide et structural, à faible masse volumique, ayant une forme déterminée à volonté. Dans le cas par exemple d'un matériau en couche du type donné à titre d'exemple plus haut, la résine est appliquée après mise en place de chaque couche, à l'aide d'une machine à mélanger et à projeter. L'expansion s'effectue d'elle même après un simple amorçage thermique consistant à porter le moule à une température d'environ 50 C. Le procédé est susceptible de nombreuses variantes de mise en oeuvre. Par exemple les diverses strates consti- tuant l'âme peuvent être toutes mises en place, sans inter-position de résine de remplissage qui est expansée à travers toutes les strates à la fois. L'imprégnation et le remplissage des couches des strates constituant l'âme par expansion de la résine peuvent être effectués en plusieurs étapes successives pour plus de facilité dans la mise en 2875958 8 oeuvre. Il faut alors, pour obtenir une adhérence satisfaisante, scarifier la strate déjà fabriquée pour ouvrir les cellules superficielles de la résine expansée, avant application d'une nouvelle strate. Enfin il est possible de substituer, à des strates distinctes, une âme constituée d'un matériau présentant, dans son épaisseur, un gradient de caractéristiques électromagnétiques et dont la structure permet une imprégnation globale. 9 REVENDICATIONS 1. Matériau en couche d'absorption du rayonnement électromagnétique hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il 5 comprend: - une âme (12) constituée d'un squelette en un pro-duit minéral ou synthétique revêtu ou imprégné de matériau de constante diélectrique supérieure à celle du squelette, ayant un angle de perte qui augmente à partir d'une surface externe de l'âme, imprégnée de résine thermodurcissable à l'état expansé, - une peau externe (10) solidaire de façon permanente de l'âme, ayant une transparence aux rayonnements électromagnétiques hyperfréquence supérieure à celle de l'âme, constituée par la fibre à faible constance diélectrique à l'état tissé ou enchevêtré, la cohérence de la peau et sa liaison avec l'âme étant assurées, par une résine thermodurcissable à l'état expansé, et un substrat en matériau réfléchissant les on-20 des électromagnétiques hyperfréquence solidarisé de la face de l'âme opposée à la peau par ladite résine thermodurcis- sable à l'état expansé, ladite résine assurant la cohésion d'ensemble du matériau. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'âme (12) est constituée de deux à six strates (16,18,20) ayant chacune des propriétés électromagnétiques sensiblement constantes. 3. Matériau selon la revendication 2, caractérisé 30 en ce que les strates sont constituées, du même squelette de contexture mousse imprégnée de ladite résine. 4. Matériau selon la revendication 3, caractérisé en que le squelette est une mousse à cellules ouvertes de matériaux synthétiques tels que les polyuréthanes, les po- lyisocyanurates, les poly(chlorures de vinyle), les silicones. 2875958 10 5. Matériau selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les strates contiennent des concentrations différentes de charges conductrices, tels que le noir de carbone, différents produits organométalliques, des pou- dres de métal ferro-magnétique, des ferrites, des polymères conducteurs et/ou ferro-magnétiques. 6. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la peau (10) est composée de fibres en matériau ayant une faible constante diélectrique. 7. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (14) est constitué d'une matrice de fibres conductrices, de fibres de matériau isolant revêtu de cuivre ou de nickel ou de fibres métalliques, à l'état tissé ou non-tissé et en ce que la matrice est imprégnée de la même résine thermodurcissable expansée que celle qui intervient dans la composition de l'âme. 8. Procédé de fabrication de matériau selon l'une 20 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on dépose, dans un moule, - des tissus ou non-tissés de constitution de la peau (10), - des strates successives (16,18,20) de constitu- tion de l'âme (12), pré-imprégnées d'une teneur de matériau d'augmentation de l'angle de perte qui augmente d'une strate à la suivante, - un squelette de substrat, en interposant, entre ces constituants, des 30 pellicules de résine expansible ayant une masse surfacique déterminée, et en ce qu'on ferme le moule et on le chauffe pour amorcer les réactions de polymérisation et d'expansion de la résine qui remplit le squelette de l'âme et imprègne la peau et le substrat.