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Les procédés fondés sur le chauffage par hystérésis diélectrique, c’est à dire par voie micro-ondes, présentés dans ce travail ont pour objectif final la fabrication de pièces en composite à matrice thermodurcissable dans un moule fermé contenant le composite préimprégné qui y a été préalablement disposé. La propriété remarquable de ces procédés pour les traitements thermiques est leur aptitude à générer un chauffage volumique résultant de la conversion thermique de l’énergie électromagnétique. Cet effet de chauffage volumique est une conséquence directe de leur longueur d’onde qui est à l’échelle des pièces industrielles et des objets courants.
Les micro-ondes fournissent en effet un facteur de remplissage optimal des objets de taille décimétriques, ce qui explique la possibilité d’atteindre des rendements énergétiques très élevés dans les processus d’échauffement des objets constitués de matériaux isolants électriques. Encore faut-il que ces derniers aient un facteur d’absorption ε » (partie imaginaire de la permittivité diélectrique complexe ou pertes diélectriques) non négligeable à la fréquence correspondante
La spécificité principale du chauffage micro-ondes comparé au chauffage par source chaude est sa dépendance de l’évolution thermique du coefficient d’absorption. L’énergie appliquée conduit au travers des propriétés diélectriques à une énergie absorbée. Cette dernière, dans tout matériau dissipatif, est proportionnelle à l’intégrale sur le volume de celui-ci, du produit du carré du module du champ électrique appliqué par les pertes diélectriques. L’énergie dissipée pourra donc évoluer considérablement au cours du chauffage selon la dépendance thermique du coefficient d’absorption.
Cependant, l’utilisation de l’énergie micro-ondes présente des difficultés de mise en œuvre liées à l’hétérogénéité spatiale des sources de chaleur au sein du produit, du fait de deux problèmes majeurs.
La première difficulté résulte du problème de l’existence des régimes d’ondes stationnaires identifiés par des zones chaudes et des zones froides. Ces ondes stationnaires sont dues aux multiples réflexions de l’onde incidente aux interfaces internes de l’objet ou de la pièce. Ces zones sont distantes d’une longueur constante égale à la moitié de la longueur d’onde guidée λg. Dans notre Laboratoire, le problème des ondes stationnaires a été considéré comme suffisamment résolu par l’utilisation d’adaptations convenables aux interfaces des objets à traiter
D’autre part, il est bien connu que si on dispose un produit présentant un fort coefficient d’absorption sous un champ électrique micro-ondes, on constate rapidement l’établissement de forts gradients de température à l’intérieur du produit. Cela est dû à l’atténuation des sources de chaleur d’origine électromagnétique. Cette atténuation représente le second problème du procédé micro-ondes qu’il faut résoudre et qui montre une importance particulière dans le cas de pièces industrielles épaisses.
L’élaboration thermique de pièces épaisses à partir d’un matrice réactive nécessite la maîtrise constante de l’incrément de température, en tout point du matériau à transformer, et donc, la maîtrise des sources de chaleur dans le temps et dans l’espace. Dans le contexte du chauffage par hystérésis diélectrique, la connaissance de la distribution spatiale de la densité volumique de puissance électromagnétique absorbée, c’est-à-dire la connaissance de la distribution spatiale de l’amplitude du champ électrique, peut assurer cette maîtrise des sources de chaleur et tendre vers leur uniformité spatiale malgré le phénomène général de l’atténuation.
Ce travail, qui s’est déroulé au Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux (LIM) à l’ENSAM de Paris, concerne le problème de l’atténuation des sources de chaleur d’origine électromagnétique lors du traitement thermique des composites à matrice thermodurcissable par chauffage micro-ondes, à la fréquence 915 MHz. La compensation de l’atténuation se fait, en réalisant une variation spatiale convenable des dimensions des éléments diélectriques du moule le long de la pièce à élaborer. L’étude et la compréhension des couplages entre l’ensemble des processus physiques nécessairement mis en jeu lors du traitement d’un matériau composite à matrice thermodurcissable seront des étapes incontournables.
L’originalité apportée par ce travail est l’utilisation de la modélisation électromagnétique pour résoudre le problème de l’atténuation dans le procédé. Une situation électromagnétique nouvelle est observée durant cette étude. Ce phénomène est caractérisé par la décroissance spatiale de l’amplitude du champ électrique dans le sens opposé à la direction de la propagation des ondes, lors de l’utilisation d’un moule de dimensions spécifiques et d’épaisseur non uniforme le long de l’éprouvette. Ce phénomène est appelé « effet diélectrique d’inversion de l’atténuation (EDIA) » des ondes électromagnétiques. Cette situation est valable pour toutes les fréquences micro-ondes. Elle restera la base des conditions de traitement uniforme par chauffage micro-ondes de pièces à fort coefficient d’absorption à la fréquence de 915 MHz.
La maîtrise du procédé d’élaboration par micro-ondes d’un matériau composite à matrice polymère nécessite, en premier lieu, la connaissance de ce type de matériau, deuxièmement, la maîtrise de la propagation des ondes électromagnétiques et troisièmement, l’aspect de la cinétique chimique du procédé car le matériau utilisé dans notre cas est à matrice thermodurcissable, ce qui a une influence significative sur ce mode d’élaboration. Ce dernier point sera détaillé dans le dernier chapitre “interprétations thermiques des résultats“.
De plus, une meilleure compréhension de la mise en forme des matériaux composites à matrice polymère thermodurcissable est importante pour l’optimisation du procédé.
Les matériaux composites à matrice organique disposent d’atouts importants par rapport aux matériaux traditionnels. Ils apportent de nombreux avantages fonctionnels : légèreté, résistance mécanique et chimique, liberté de formes. Ils permettent d’augmenter la durée de vie de certains équipements grâce à leurs propriétés mécaniques et chimiques. Ils contribuent au renforcement de la sécurité grâce à une meilleure tenue aux chocs et au feu. Ils offrent une meilleure isolation thermique ou phonique et, pour certains d’entre eux, une bonne isolation électrique. Ils enrichissent donc les possibilités de conception en permettant d’alléger les structures et de réaliser des formes complexes. Dans chacun des marchés d’application (automobile, bâtiment, électricité, équipements industriels,…), ces performances remarquables sont à l’origine de solutions technologiques innovantes.
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