Optimisation d'un blindage électromagnétique composite métallique pour des applications basses fréquences : approches numériques et expérimentales

Optimization of electromagnetic composite shield for low frequency applications : numerical and experimental approaches

• Auteur / Autrice : Kokouvi Etse
• Direction : Xavier Mininger, Anne-Laure Helbert, Thierry Baudin, Laurent Prevond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris - Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....) - Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Guiffaut, Sébastien Lalléchère, Caroline Toffolon-Masclet, Marion Risbet-Voitot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Guiffaut, Sébastien Lalléchère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Laminage

Méthodes d'homogénéisation numérique

Compatibilité électromagnétique

Blindage (rayonnements)

Modélisation électromagnétique

Mots clés libres

Blindage électromagnétique

Homogénéisation

Laminage

Composite métallique

Electromagnetic shielding

Homogeneization

Rolling

Composite material

Résumé

L'intégration croissante de l'électronique dans tous les secteurs d'activité génère des problèmes de compatibilité électromagnétique et soulève des préoccupations concernant l'impact sur la santé des êtres vivants exposés aux champs résultants. Ainsi, l'utilisation d'un blindage peut être nécessaire pour confiner les champs électromagnétiques rayonnés et/ou pour protéger un système sensible à ces champs. Cependant, la nécessité de développer des écrans de blindage légers et efficaces sur un large spectre de fréquences constitue un véritable défi. Les systèmes de blindage électromagnétiques contiennent souvent des métaux. Ces derniers possèdent une grande conductivité électrique ou une perméabilité magnétique élevée favorable au blindage. L'association de différents métaux par colaminage peut permettre d'obtenir un composite alliant les avantages d'un matériau magnétique, ayant une haute perméabilité pour un blindage efficace en basses fréquences, et un matériau conducteur électrique pour un blindage intéressant à plus hautes fréquences. De précédents travaux entre les 3 laboratoires impliqués dans ce projet ont montré qu'il est possible d'obtenir un écran bimétallique de quelques centaines de micromètres d'épaisseur par le colaminage de feuilles d'acier et d'aluminium. Cette solution permet de couvrir une gamme de fréquences de 0 à 100 kHz mais est peu efficace en basses fréquences. Par des approches numériques et expérimentales, cette nouvelle thèse étudie l'intérêt des multicouches associant l'aluminium et le cuivre à un alliage à grande perméabilité magnétique (mumétal) pour l'atténuation du champ magnétique du DC à plusieurs dizaines de kilohertz. Dans un premier temps, une approche de discrétisation de fines couches conductrices hétérogènes est proposée afin de limiter le coût des calculs numériques par la méthode des éléments finis. Ensuite, une étude numérique a permis d'évaluer l'impact du nombre de couches, de l'ordre de superposition des couches et de l'épaisseur de chaque couche sur l'efficacité d'un écran de blindage bimétallique. En se basant sur l'étude numérique, des matériaux multicouches optimisés constitués d'aluminium et de mumétal ont été élaborés par colaminage. L'impact de ce procédé de soudage à froid sur l'efficacité du composite laminé est analysé et des recuits ont ensuite été effectués. Enfin, les impacts des recuits sur la structure du composite métallique notamment sur l'adhérence des tôles et sur son efficacité de blindage sont étudiés. Les travaux expérimentaux ont permis de montrer que l'association de l'aluminium au mumétal peut permettre, à iso épaisseur, un gain de 78% en efficacité de blindage du bimétallique résultant par rapport au meilleur des deux métaux.

Title : Optimization of electromagnetic composite shield for low frequency applications: numerical and experimental approachesKeywords : Cold roll bonding, magnetic shielding, multilayer shieldsAbstract : The constantly increasing number of electronic systems within the same electromagnetic environment poses a problem of electromagnetic compatibility and raises issue of the impact on the health of living being exposed to the radiated electromagnetic field. Therefore, the use of shielding may be necessary to confine radiated electromagnetic fields and/or to protect sensitive electronic systems to these fields. However, the need to develop lightweight and effective shields over a wide frequency range is a challenge. Electromagnetic shields often contain metals either because of their high electrical conductivity or because of their high magnetic permeability., which are favorable for electromagnetic field attenuation. Combining different metals through cold roll bonding can result in a laminated composite that combines the advantages of a magnetic material with high permeability for effective low-frequency shielding and a conductive material that provides effective shielding at higher frequencies. Previous work between the three laboratories involved in this project has shown that it is possible to obtain a bimetallic shield of a few hundred micrometers thick by cold rolling steel and aluminum sheets. This solution covers a frequency range from 0 to 100 kHz but is less effective at low frequencies. Through a numerical and experimental approaches, this new thesis study the benefits of multilayers combining aluminum and copper with a high magnetic permeability alloy (mu-metal) for attenuating the magnetic field over a wide frequency range, including low frequencies. First, a discretization approach of heterogeneous conductive thin layers is proposed to reduce the cost of numerical calculations using the finite element method. Then, a numerical study has been carried out to evaluate the impact of the number of layers, the order of layer superposition, and the thickness of each layer on the effectiveness of a bimetallic magnetic shield. Based on the numerical study, multilayer materials combining aluminum and mu-metal, or aluminum, copper, and mu-metal have been elaborated by cold roll bonding. The impact of this cold-welding process on the effectiveness of the laminated composite is analyzed, and thermal annealing processes were subsequently performed to improve their shielding effectiveness. Finally, the effects of annealing on the structure of the laminated composite, including sheet bonding strength and its shielding effectiveness, are revealed. Experimental work has shown that the combination of aluminum with mu-metal can result in a 78% improvement in shielding effectiveness compared to the best of the two materials having the same total thickness.