Microstructure observation and statistic modeling of composites dielectric properties
Observations microstructurales et modélisation statistique des propriétés diélectriques de composites
Résumé
Research work, from thinking about and looking for new materials, to making composites and characterising them, takes a great amount of time. For the engineer or the scientist, correlating the microstructure and the macroscopic physical properties, as soon as possible, saves time and money. In this study, the materials are composite materials containing carbon black aggregates, and we will focus our attention on their dielectric properties. We are going to learn more about this composite material. Several materials are made, with different parameters. Dielectric, electrical and others physical measurements provide us with a variety of physical properties of the material. Then, the transmission electron microscopy allows us to observe the configurations of the composite at different scale. The micrographies are transformed thanks to image processing techniques that give a fast access to geometrical parameters. The change of scale laws evaluate bounds on the dielectric properties of composites. They links the microstructure and the dielectric behaviour of a stochastic heterogeneous medium. In order to introduce the experimental results, i.e. the observations of microstructure, into a statistical change of scale theory, because of the rather complex equations, the data are introduced in a numerical code. The code is validated on a few original analytical examples, and used on various model materials, and also on our material with aggregates.
Les campagnes de recherche - comprenant la conception de nouveaux matériaux, la prospection, la réalisation de composites et leur caractérisation - sont longues. Pour l'ingénieur ou le chercheur, relier la microstructure et les propriétés physiques macroscopiques des matériaux le plus en amont, permet de réduire la durée et le coût de ces études. Nous nous intéressons aux propriétés diélectriques d'un composite particulier, formé d'une matrice époxy contenant des inclusions d'agrégats de noir de carbone. Nous détaillons le processus global, de la réalisation du composite à sa modélisation. Des échantillons de composite sont réalisés en faisant varier des paramètres de préparation. Des mesures diélectriques, électriques et d'autres mesures physiques situent le niveau des propriétés macroscopiques des échantillons. L'observation du composite par microscopie électronique à transmission à plusieurs grandissement permet d'appréhender sa morphologie. Les micrographies sont traitées par analyse d'images pour caractériser la géométrie du composite en quelques grandeurs. Les lois statistiques de changement d'échelle permettent, à partir de données sur la microstructure, d'obtenir un encadrement de la permittivité de composites. Les lois statistiques de changement d'échelle sont une méthode de modélisation récente, elles permettent en particulier :
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