Corrélation entre la structure multi-échelle de composites à charges conductrices et leurs performances en furtivité multi-bande

Correlation between the multi-scale structure of composites with conductive fillers and their performances for stealth applications

• Auteur / Autrice : Anne Zhang
• Direction : Jinbo Bai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 19/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Pichon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Brosseau, Xavier Castel, Sylvain Gransart, Sébastien Lalléchère, Olivier Dubrunfaut, Delong He
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Brosseau, Xavier Castel

Mots clés

Mots clés libres

Nanotubes de carbone (NTC)

Composites

Furtivité

Absorption micro-ondes

Dépôt Chimique en Phase Vapeur (CVD)

Propriétés diélectriques

Carbon nanotubes (CNT)

Composites

Stealth

Microwave absorption

Chemical Vapor Deposition (CVD)

Dielectric properties

Résumé

Les matériaux absorbants radar ont fait leur apparition à l’époque de la Seconde Guerre Mondiale afin de rendre furtifs les équipements militaires. Depuis, et pour de nombreuses applications non seulement militaires mais également industrielles et civiles, le besoin de matériaux absorbants multifonctionnels ne cesse d’augmenter. Nous proposons dans cette thèse de développer un composite original à renfort tissé et à conductivité réglée pour application en absorption dans le domaine micro-ondes. Les charges conductrices, les nanotubes de carbone (NTC), sont greffées directement sur le tissu de verre (TV) servant de substrat, grâce à un procédé de synthèse continue par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Les structures hybrides NTC-TV en résultant présentent des morphologies particulières qui confèrent des propriétés intéressantes aux composites à matrice époxyde auxquels ils sont intégrés, du fait de leur structure multi-échelle. Les objectifs de cette thèse sont les suivants : optimiser le procédé de synthèse CVD continu en maîtrisant les paramètres expérimentaux pour déposer des NTC sur de grandes longueurs de tissu de façon reproductible, corréler la morphologie multi-échelle particulière des composites hybrides NTC TV/époxy à leurs propriétés diélectriques et leurs capacités d’absorption dans la gamme 1 – 18 GHz, et enfin obtenir des composites performants i.e. absorbants sur de larges bandes de fréquences. La compréhension des mécanismes d’absorption des composites hybrides s’appuie notamment sur l’étude de composites « modèles » NTC/époxy, fabriqués à partir de NTC commerciaux. Les deux types de composites ont permis d’obtenir de bonnes performances en absorption électromagnétique.

Radar absorbing materials appeared around Second World War to make military devices stealthy. Ever since, the demand for multifunctional microwave absorbing materials has continuously grown to meet not only military, but also industrial and civilian applications. In the present work, we propose a novel glass fabric (GF)-reinforced composite with tuned conductivity for microwave absorption applications. The chosen conductive fillers, carbon nanotubes (CNT), are directly grafted onto the glass fibers through a continuous chemical vapor deposition process (CVD). The resulting CNT-GF hybrid structures display intricate morphologies leading to interesting properties of the multi-scale composites fabricated by impregnating them into an epoxy matrix. The goals of this thesis include: understanding and mastering the continuous CVD process in order to grow CNT on considerable lengths of glass fabric, correlating the multiscale morphology of the CNT-GF/epoxy hybrid composites and their dielectric properties and absorption abilities in the 1 – 18 GHz frequency range, and ultimately obtaining composites displaying good absorption performances over large frequency bands. The investigation of the absorption mechanisms of the hybrid composites relies on the study of “model” CNT/epoxy composites fabricated from commercial CNT. Both types of composites resulted in good electromagnetic absorption.