Conception et prédiction des caractéristiques diélectriques des matériaux composites à deux et trois phases par la modélisation et la validation expérimentale

Conception and prediction of dielectric characteristics of two and three phase composite materials through modelling and experimental validation

• Auteur / Autrice : Sabina Orlowska
• Direction : Abderrahmane Beroual
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, optoélectronique et microsystèmes (Ecully, Rhône ; 1995-2006)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrotechnique

Diélectriques

Analyse numérique

Permittivité

Composites

Résumé

Ce travail porte sur la conception et la prédiction des caractéristiques diélectriques de matériaux composites modèles à deux et trois phases, par la modélisation et la validation expérimentale. La modélisation des matériaux est effectuée dans le code de calculs Phi3d selon l'algorithme de résolution de l'équation de Laplace par la méthode des équations intégrales de frontière (MEIF). La permittivité effective complexe des matériaux composites est étudiée en fonction de la fréquence dans la gamme 50 Hz - 1MHz, dans l'approximation quasi statique et en fonction de la concentration des inclusions et de leurs formes. La validation expérimentale est menée sur des échantillons de matériaux élaborés en laboratoire. Les composites étudiés sont les matériaux à deux et trois constituants et des matériaux avec des inclusions enrobées. Des échantillons à base de résine époxyde et contenant des inclusions de différentes natures sont analysés. Il s'agit plus particulièrement de micro billes de verre pleines et de micro billes de verre creuses (ce type d'inclusions a permis de vérifier la validité de la méthode numérique par rapport aux lois analytiques) et du titane de baryum dans quel cas les simulations ont permis de prédire la forme des particules de cette poudre. Des échantillons avec des fibres de verre découpés sur un corps d'isolateur composite en polymères sont également étudiés. Dans ce cas, le taux de l'humidité, absorbée par ces échantillons dans le processus de cuisson dans l'eau, a été déterminé par la modélisation. Enfin, l'étude de la grêle fondante dans l'air a permis de montrer que le coefficient d'atténuation déterminé par les simulations est en parfait accord avec celui prédit par les lois analytiques.

This work deals with the design and prediction of the dielectric characteristics of two- and three- component composite materials by the computer modeling and by the experimental validation. The modeling of the materials is executed in Phi3d electric field calculating package, based on the algorithm which solves Laplace equation using boundary integral equation method (BIEM). The complex effective permittivity of the composite materials is studied in function of frequency in the range 50 Hz - 1 MHz, in the quasi static approximation and in function of the filler inclusions concentration and their shapes. The experimental validation is carried out on material samples elaborated in laboratory. The studied composites are two- and three-phase materials and materials with coated inclusions. The samples made out of epoxy resin matrix contain different kinds of fillers : Glass microspheres and hollow glass microspheres filled composites aimed in the best verification of the exactitude of the numerical method through the comparison of the results with those of mixing laws predictions and Barium titanate filled composites which were used to find the powder particles best simulating models. Samples with fibre glass were cut out of the composite insulator glass-polymeric rod. In this case the humidity rate that may be absorbed by the samples in the water boiling process is determined by the modelling. Finally, a study executed on the melting hail in the air matrix, show that the attenuation coefficient obtained by simulations is in a good accordance with the results predicted by the analytical laws.