ASTRID - Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation défense

Nouvelles technologies de réalisation d’absorbants électromagnétiques 3D ou conformables, ultra-minces et légers – 3DRAM

Nouvelles technologies de réalisation d'absorbants électromagnétiques 3D ou conformables, ultra-minces et légers

Le projet 3DRAM vise à développer de nouvelles technologies pour la réalisation d'absorbants électromagnétiques. Les objectifs du projet sont les suivants : i) développer des surfaces absorbantes souples, légères et minces pour des fréquences comprises entre 1 et 4 GHz par couplage entre matériaux composites et métasurfaces et ii) développer des technologies de mise en forme 3D d'absorbants et de surfaces sélectives en fréquence.

Enjeux et objectifs

Autrefois restreintes à la furtivité des systèmes de défense, les surfaces absorbantes radar (ou Radar Absorbing Materials RAM) trouvent aujourd’hui de nombreux débouchés dans l’industrie. Les applications potentielles des surfaces absorbantes sont aujourd’hui nombreuses et les technologies employées pour leur réalisation doivent évoluer pour répondre à ces nouveaux besoins. <br />Ce projet a pour objectif de combler les deux principales lacunes des absorbants commerciaux actuels : i) les absorbants ultra-minces pour les fréquences basses du spectre (<4GHz) et ii) les absorbants ou surfaces sélectives en fréquence (FSS) 3D. <br />Le besoin en absorbant ultra-mince pour des fréquences basses intéresse à la fois les domaines militaire et civil. En effet, à ces fréquences, les solutions les plus efficaces sont basées sur l’utilisation de ferrites (lourdes et chères) ou de mousses polymères chargées (épaisses). Des composites magnétiques souples, relativement fins, sont également disponibles mais les niveaux d’absorption sont alors limités. Ce projet propose de concevoir des absorbants ultra-minces en couplant les propriétés d’absorption des métasurfaces et des matériaux composites. Etant donnée la gamme de fréquences visée (1-4GHz), les applications potentielles concerneront la furtivité des systèmes militaires, mais aussi la protection des locaux contre les radiations (GSM, Wifi...) et la limitation des perturbations EM des radars civils par les éoliennes. <br />Le deuxième objectif du projet consiste à développer des moyens technologiques pour la réalisation d’absorbants ou de surfaces filtrantes 3D. Ces objets absorbants 3D trouveront des applications dans le domaine de la guerre électronique (protection des missiles contre les agressions EM) ou de la CEM (réalisation de boitiers absorbants pour les circuits hyperfréquences). Pour cela, les laboratoires impliqués se concentreront sur l’impression 3D de composites absorbants et sur leur métallisation sélective 3D.

La réalisation des matériaux composites est basée sur un mélange d'une matrice polymère et de charges à l'état fondu. Plusieurs techniques de mélange sont utilisés : mélangeur à hélice, mélangeur interne et mini-extrudeuse. Des échantillons ont été réalisés à l'aide de ces différents dispositifs et comparés au travers d'études en microscopie, de caractérisations rhéologiques et de mesures hyperfréquences.
Des lois de mélange ont permis de relier l'évolution des propriétés hyperfréquences des composites en fonction du taux de charge à leurs propriétés microstructurales (notamment la présence d'agrégats).
Une conception de surfaces absorbantes combinant des métasurfaces aux matériaux composites développés a été menée au travers de simulations électromagnétiques. Ces métasurfaces sont constitués de motifs métalliques périodiques (carrés ou croix).
Par ailleurs, la réalisation de filaments de matériaux composites pour l'impression 3D a été réalisée sur une plateforme de lignage semi-industrielle. Les tests d'impression sont actuellement en cours.

Les premiers travaux du contrat ont consisté à évaluer les potentialités de matériaux commerciaux mis en forme par impression 3D filaire pour l'absorption en hyperfréquence. Un matériau ABS chargé au carbone a été sélectionné et une charge en guide d'onde (8-12 GHz) a été réalisée par impression 3D. Les performances de cette charge sont similaires à celles d'une charge de précision commerciale (VSWR < 1.025 sur la bande X) pour un coût estimé entre 10 et 100 fois inférieur. Ces premiers résultats ont permis de confirmer l'intérêt de développer de nouveaux matériaux pour ces applications.
Différents types de composites ont été réalisés à partir de matrices polyéthylène (PE) et polychlorure de vinyle (PVC). L'étude s'est pour l'instant concentrée sur deux familles de charge : le carbone (graphite sous forme de lamelles micrométriques) et un métal ferromagnétique (alliage nickel-fer NiFe sous forme de particules sphériques micrométriques). Des caractérisations systématiques (microstructurales, rhéologiques et hyperfréquences) ont été réalisées pour différents taux de charge (10 à 40% en volume). L'évolution des propriétés hyperfréquences en fonction du taux de charge a pu être corrélée à la présence d'agrégats à faibles taux de charge.
Une surface absorbante hybride, constituée d'un composite magnétique PE/NiFe, d'un substrat FR4 et de patchs métalliques périodiques multi-échelles a été conçu. Les simulations ont montré qu'il était possible d'obtenir une absorption supérieure à 10 dB sur une octave (2-4 GHz) pour une épaisseur de 6 mm. Une étape intermédiaire a consisté à valider ce concept par la réalisation d'un démonstrateur en guide d'onde WR-284. Les premières mesures ont permis de s'assurer du bon accord simulation/mesure, validant notamment la possibilité d'accroître la bande d'absorption par un couplage de l'absorption de la métasurface et du composite.
Des filaments de composites PE/NiFe et PE/C ont été réalisés. Les tests d'imprimabilité sont en cours.

Les perspectives du projet concernent à la fois les développements de matériaux et la modélisation et la réalisation de surfaces absorbantes.
De nouvelles formulations de composites seront testées, notamment en incluant des charges de type ferrimagnétique (famille des ferrites de nickel). Les travaux sur l'impression 3D seront poursuivis avec pour finalité de réaliser des démonstrateurs hyperfréquences (charges).
Les travaux sur la modélisation de surfaces absorbantes hybrides seront poursuivis en cherchant à tirer profit du couplage entre des métasurfaces et des matériaux composites pour élargir la bande d'absorption. Une surface absorbante, mesurable en espace libre, sera réalisée avant la fin du projet.

Les résultats du projet ont été valorisés par 1 publication internationale, 1 communication internationale et 5 communications nationales :
1. Y. Arbaoui, V. Laur, A. Maalouf, P. Queffelec, D. Passerieux, A. Delias, P. Blondy, “Full 3D printed micro

Les applications des absorbants électromagnétiques se sont multipliées ces dernières années. Autrefois restreintes à la furtivité des systèmes de défense, les surfaces absorbantes radar (ou Radar Absorbing Materials RAM) trouvent aujourd’hui de nombreux débouchés dans l’industrie (compatibilité électromagnétique dans les cartes RF, suppression de lobes secondaires pour les antennes …). En outre, l’accroissement important des technologies sans fil a fait récemment exploser les taux d’exposition des personnes aux ondes électromagnétiques. Cette exposition permanente soulève de nouvelles questions et problématiques de santé publique et la protection des personnes et de l’habitat contre les ondes est ainsi devenue une problématique d’actualité. Les applications potentielles des surfaces absorbantes sont aujourd’hui nombreuses et les technologies employées pour leur réalisation doivent évoluer pour répondre à ces nouveaux besoins.
Ce projet a pour objectif de combler les deux principales lacunes des absorbants commerciaux actuels : i) les absorbants ultra-minces pour les fréquences basses du spectre (<4GHz) et ii) les absorbants ou surfaces sélectives en fréquence (FSS) 3D.
Le besoin en absorbants ultra-minces pour des fréquences basses intéresse à la fois les domaines militaire et civil. En effet, à ces fréquences, les solutions d’absorption les plus efficaces sont basées sur l’utilisation de ferrites (lourdes et chères) ou de mousses polymères chargées (épaisses). Des composites magnétiques souples, relativement fins, sont également disponibles mais les niveaux d’absorption sont alors limités. Ce projet propose de concevoir des absorbants ultra-minces en couplant les propriétés d’absorption des métasurfaces et des matériaux composites. Étant donnée la gamme de fréquences visée (1-4GHz), les applications potentielles concerneront la furtivité des systèmes militaires, mais aussi la protection des locaux contre les radiations (GSM, Wifi, 3G, 4G) et la limitation des perturbations électromagnétiques des radars civils par les éoliennes.
Le deuxième objectif du projet consiste à développer des moyens technologiques pour la réalisation d’absorbants ou de surfaces filtrantes 3D. Ces objets absorbants 3D trouveront des applications dans le domaine de la guerre électronique (protection des missiles contre les agressions EM) ou de la CEM (réalisation de boitiers absorbants pour l’encapsulation de circuits hyperfréquences). Pour cela, les laboratoires impliqués se concentreront sur l’impression 3D de composites absorbants et sur la métallisation sélective 3D sur des objets de type boitier ou radôme.

Coordinateur du projet

Laboratoire en Sciences et Techniques de l'Information, de la Communication et de la Connaissance (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Laboratoire d'Ingénierie des Matériaux de Bretagne - Equipe Rhéologie
Institut d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie
Laboratoire en Sciences et Techniques de l'Information, de la Communication et de la Connaissance

Aide de l'ANR 298 286 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 36 Mois

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