CAractérisation NOn DEstructive de Matériaux par Sonde RF en environnement sévère – CANODEMS

Le projet CANODEMS propose le développement d’un système non destructif de caractérisation radiofréquence (RF) capable de mesurer les propriétés électromagnétiques de matériaux en cours de traitement thermique (ou frittage) ou de cycles thermiques jusqu’à de très hautes températures (1600°C et plus). Le système proposé prend la forme d’une sonde RF en champ proche fonctionnant jusqu’à 30 GHz et accompagnée d’un système d’étalonnage dédié. Le principe proposé repose sur le fait que les propriétés spécifiquement recherchées de nombreux matériaux (pour les hyperfréquences, la furtivité, le blindage, …) reposent sur leur microstructure (densité, taille de grain, …). Or ces paramètres structurels ont une influence sur leur permittivité complexe (permittivité relative, pertes diélectriques, impédance de surface). Il est donc possible grâce à une sonde en champ proche de remonter à ces propriétés via le relevé non destructif de la permittivité complexe du matériau étudié. Les sondes proposées peuvent s’intégrer comme capteur au sein d’enceintes en température pour faire ce suivi en temps réel et devenir un outil d’optimisation à part entière. Nous proposons ainsi un système permettant la caractérisation à très haute température des propriétés mécaniques et hyperfréquences de matériaux en cours de frittage ou déjà frittés. Les sondes non destructives proposées sont ainsi capables de subir de hautes températures et sont utilisables pour différentes applications :
• contrôle temps réel in situ des propriétés de matériaux diélectriques en cours de frittage dans une enceinte climatique traditionnelle ou spécifique (frittage assisté par un courant électrique pulsé ou Spark Plasma Sintering)
• outil de compréhension expérimental des phénomènes thermique, mécanique voire électromagnétique dans le cas du frittage flash se produisant via le monitoring de la permittivité complexe d’un matériau en cours de densification
• mesure des propriétés RF de matériaux frittés (diélectriques pour applications microondes, matériaux absorbants aux hyperfréquences, …) pendant des cycles thermiques jusqu’à 1600°C
• conception d’une version compacte manipulable à la main, outil permettant de contrôler in situ à température ambiante des matériaux après leur fabrication (vérification de lots) ou en retour de mission (blindage céramique ou revêtement de plateformes furtives par exemple) et ce à basse fréquence (2-6 GHz typiquement). La sonde ainsi conçue fera appel à des matériaux à même de présenter les objectifs souhaités à 1600°C, à savoir créer une sonde en champ proche fonctionnelle et basée sur un guide d’onde diélectrique plein (alumine) ou creux (graphite), la mesure des ondes réfléchies étant source d’information sur le matériau à proximité de la sonde. Ce travail associe donc des compétences en termes de conception hyperfréquences et de caractérisation HF de matériaux diélectriques (Xlim, CRT CISTEME) et de compréhension des propriétés microstructurales (IRCER) de matériaux frittés par voie naturelle ou spécifique (frittage flash). Ce travail s’inscrit dans le périmètre du laboratoire d’excellence (Labex) Sigma-Lim regroupant Xlim et IRCER, ce dernier ayant intégré ce type d’activité dans une de ses thématiques socles (Matériaux, Procédés & Composants). Le CRT CISTEME, au-delà de son support dans la conception des sondes et la caractérisation via une manipulation en espace libre (jusqu’à 50 GHz et 800°C) permettant d’avoir des valeurs de permittivité complexe de référence, valorisera à l’issu du projet ces techniques de caractérisation. Les matériaux visés sont de natures différentes et donc d’applications duales:
- diélectriques pour les hyperfréquences (alumine, céramiques HF à cuisson basse température)
- absorbants hyperfréquences et matériaux furtifs (plateformes furtives)
- blindage (alumine, carbure de silicium, nitrure de bore)
- radômes (nitrure de silicium)
- matériaux résistants à de très fortes températures (spatial et nucléaire).