Matériaux absorbants en hyperfréquences à base de mousse époxy chargée en fibres longues de carbone

Microwave absorbing materials based on epoxy foam loaded with long carbon fibers

• Auteur / Autrice : Aicha El Assal
• Direction : Ala Sharaiha, Ratiba Benzerga
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications
• Date : Soutenance le 09/03/2021
• Etablissement(s) : Rennes 1 en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : MATHSTIC
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Éric Lheurette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Pouliguen, Ali Harmouch, Akil Jrad
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Begaud, Julien Sarrazin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamatériaux

Composites

Micro-ondes

Absorbants et adsorbants

Mots clés libres

Absorbants microondes

Multicouches

Métamatériaux

Composites

Absorbant hybride

Microwave absorbers

Multilayers

Metamaterials

Composites

Hybrid absorber

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et la mesure d’absorbants microondes. Plusieurs types d’absorbant ont été étudiés dans la bande de fréquence allant de 0.75 GHz à 18 GHz. Il s’agit tout d’abord d’absorbants planaires à multicouches élaborés à partir de mousses époxy chargées avec différents pourcentages massiques (entre 0.0125 et 10 %) de fibres de carbone ayant des longueurs entre 100 µm et 12 mm. La performance d’absorption des multicouches a été optimisée, tout en réduisant leur compacité, grâce à un code MATLAB et à l’utilisation d’un l’algorithme génétique. La composition et l’épaisseur de chaque couche ont ainsi pu être optimisées, et ont conduit à la réalisation de plusieurs prototypes performants (absorption > 90%) de faibles épaisseurs (entre 50 mm et 98 mm), très faiblement chargés (<0.075 % de fibre) et présentant pour certains une très faible densité (0.06 g.cm-3). Par ailleurs, des absorbants à métamatériaux (MMs) ont été étudiés. Une nouvelle géométrie multi-résonante (nommée Vshape), présentant une multitude de pics d’absorption sur la bande de fréquence étudiée, a pu être proposée ; un calcul analytique du coefficient de réflexion, utilisant les propriétés effectives extraites, a été mis en place. La simulation, la mesure ainsi que le calcul analytique de ce MM montrent des résultats très concordants validant ainsi nos modèles. Finalement, un absorbant hybride, associant une couche fine de mousse époxy chargée en fibres de carbone au métamatériau, a été proposé pour élargir sa bande passante. Ainsi, un absorbant plan ultralarge-bande (avec un coefficient de réflexion < -10 dB entre 2.6-18 GHz) a ainsi pu être obtenu. Cet absorbant montre le meilleur compromis épaisseur / bande d’absorption / fréquence d’absorption présenté à ce jour dans la littérature.

This work focuses on the design, elaboration, and measurement of microwave absorbers. Several types of absorbers have been studied in the frequency range from 0.75 GHz to 18 GHz. First, planar multilayer absorbers have been made epoxy foams loaded with different weight percentages (between 0.0125 and 10%) of carbon fibers with lengths between 100 µm and 12 mm. The absorption performance of these multilayers has been optimized while reducing their compactness, thanks to a MATLAB code and the use of a genetic algorithm. The composition and thickness of each layer could thus be optimized and led to the production of several high-performance prototypes (absorption> 90%) of low thicknesses (between 50 mm and 98 mm), very lightly loads (<0.075% fiber), and with very low density (0.06 g.cm-3). Second, metamaterial (MM) absorbers have been studied. A new multi-resonant geometry (called Vshape), presenting several absorption peaks on the studied frequency band, has been proposed; an analytical calculation of the reflection coefficient, using the extracted effective properties, was implemented. The simulation, measurement as well as analytical calculation of this MM show very consistent results thus validating our models. Finally, a hybrid absorber, combining a thin layer of epoxy foam loaded with carbon fibers to the metamaterial, was proposed to broaden its bandwidth. Thus, a planar ultra-wide-band absorber (with a reflection coefficient <-10 dB between 2.6-18 GHz) could thus be obtained. This absorber shows the best compromise between thickness/absorption band/absorption frequency presented to date in the literature.