Caractérisation des composites ferromagnétiques isotropes

La caractérisation des composites ferromagnétiques développés dans cette thèse est une étape cruciale. Elle nous aidera à comprendre les propriétés des composites et à améliorer leurs performances. Dans ce chapitre, les méthodes de fabrication et de caractérisation de composites isotropes seront décrites. Les évaluations théoriques et mesures expérimentales de la conductivité, la perméabilité et des propriétés thermiques seront proposées. Nous nous concentrerons particulièrement sur le comportement de l'hystérésis magnétique et sa relation étroite avec l'effet CIBF.

2.1 Fabrication de composites ferromagnétiques

Notre objectif est de fabriquer des composites avec un pourcentage élevé de particules ferromagnétiques (offrant des perméabilités et des réponses thermiques importantes). Nous avons opté pour une méthode robuste de «pressage à chaud» utilisant une presse à chaud. Grâce à la méthode du «pressage à chaud», nous avons construit avec succès des échantillons de différents pourcentages de particules magnétiques (de 3 à 30% vol.), de formes rectangulaires (60 × 14 × 4 mm, figure 3 (a)) et de formes cylindriques (Ø30 mm, épaisseur 15 mm, figure 3 (b)). Outre les composites Fe3O4@ABS, des composites non-ferromagnétiques mais dopés de particules conductrices: 15% vol. de cuivre et 3% vol. de noir de carbone ont également été fabriqués pour vérifier l'effet CIBF sur des composites formés de particules conductrices mais non ferromagnétiques. Finalement d'autres composites ferromagnétiques (10%, 23% et 40% vol. Fe3O4, 15% vol. Ni et 30% vol. Mn-Zinc) ont également été fabriqués pour tester d’autres paramètres.

L'échantillon présenté sur la figure 3(a) est trop grand pour une utilisation endo-veineuse. De ce fait, une autre série d’échantillons en forme d'aiguille a été développée. Deux tailles différentes ont été testées: la grande taille 40 × 3,1 × 3,2 mm3, et la petite taille 27 × 2,5 × 3,2 mm3

(Figure 3 (d)). Ces deux tailles peuvent être utilisées pour le traitement endo-veineux, elles sont en bonne adéquation avec les diamètres habituels des veines du corps humain (4 à 5 mm). De façon classique pour les composites biphasés, il existe une fraction volumique de particules critique appelée seuil de percolation ∅c définissant la limite entre l’état électrique non conducteur et l’état conducteur. Dans ce travail, pour prédire ∅c, nous avons utilisé la théorie des milieux effectifs. Nous avons estimé à 47% vol. la fraction volumique critique (seuil de percolation) pour le Fe3O4@ABS. Pour un pourcentage inférieur au seuil de percolation, la conductivité électrique est de l’ordre de 10-6 S/m et le composite peut être classé comme isolant. Pour le Fe3O4@PDMS le seuil de percolation se rapproche des 50% vol.

Figure 3. (a) Échantillon de forme rectangulaire; (b) un échantillon de forme cylindrique; (c) échantillons rectangulaires de différentes natures (de gauche à droite): Fe3O4@ABS, cuivre@ABS, noir de carbone@ABS, ABS pur, Mn-Zinc@ABS,

Ni@ABS; (d) échantillons en forme d'aiguille.

2.2 Caractérisation magnétique

Pour la caractérisation magnétique de nos composites ferromagnétiques nous nous sommes concentrés dans l’estimation de leurs perméabilités. Différentes méthodes ont été testées: _ En simulation à l’aide d’un outil numérique.

_ Par mesure spectroscopique d'inductance. _ A l’aide d’un modèle analytique.

_ A partir de cycles d'hystérésis expérimentaux.

1) Outil numérique

Une simulation par éléments finis à l'aide du logiciel Comsol® a été réalisée pour l'estimation de la perméabilité relative μr. La perméabilité relative des composites magnétiques obtenue en fonction de la fraction volumique de particules est représentée sur la figure 4. Comme anticipé de façon intuitive, la matrice polymère mélangée à une plus grande quantité de particules magnétiques conduit à des propriétés magnétiques améliorées (perméabilité plus élevée).

Figure 4. Evolution de la perméabilité relative en fonction du pourcentage de particules (issue de la simulation Comsol®).

2) Mesure spectroscopique de l'inductance

Pour caractériser l’évolution de la perméabilité sur une large plage de fréquences (20 Hz à 1 MHz), des mesures d'inductances ont été effectuées à l'aide d'un impédancemètre.

La perméabilité magnétique est mesurée à l'aide de la mesure de l’inductance d'une bobine enroulée autour de l’échantillon de composite magnétique. La perméabilité effective est dérivée de la mesure d'inductance. Tous les échantillons de forme cylindrique (y compris l'ABS pur) ont été encerclés par une bobine de 100 spires. La perméabilité relative (μr) a été obtenue en utilisant l'équation 1 (ci-dessous) et en supposant toutes les bobines identiques:

𝜇_𝑟 =^{𝐿𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑒} 𝐿_{𝑝𝑜𝑙𝑦𝑚𝑒𝑟}

Equation 1

𝐿𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑒 et 𝐿𝑝𝑜𝑙𝑦𝑚𝑒𝑟 désignent respectivement l'inductance du composite ferromagnétique et celle du polymère pur.

On peut voir sur la figure 5 que les perméabilités relatives résultantes des composites de Fe3O4@ABS varient de 1 pour les 3% vol. de particules à 1,8 pour le 30% vol.. μr augmente régulièrement en fonction de la fraction volumique.

Figure 5. Evolution de la perméabilité relative des composites de Fe3O4@ABS mesurée à l’aide de l’impédancemètre.

3) Loi de mélange, utilisation d’un modèle analytique

La prédiction de la perméabilité magnétique effective (perméabilité moyenne d'un milieu non homogène) d’un composite ferromagnétique est à l’origine de nombreux travaux académiques et industriels. Au cours des dernières décennies, de nombreux progrès ont été accomplis autour des théories efficaces de mélanges, comme la formule de Maxwell-Garnett, la formule de Bruggeman, la formule du potentiel cohérent et bien d’autres. Parmi tous ces modèles prédictifs, le modèle non sphérique de Bruggeman est celui qui semble donner les meilleurs résultats de simulation pour nos composites isotropes Fe3O4@ABS (particules de 5 μm). Comme on peut le vérifier sur la figure 6, les valeurs expérimentales suivent parfaitement la courbe théorique.

Figure 6. Comparaison de l’évolution théorique et expérimentale de la perméabilité relative de composites Fe3O4@ABS en fonction du pourcentage de

4) Courbe d'hystérésis

Les cycles d’hystérésis de tous nos composites ferromagnétiques ont été mesurés à l’aide d’un dispositif expérimental dédié incluant un électroaimant de laboratoire. Les spécimens de forme cylindrique (figure 3 (b)) sont bien adaptés et ont fait l’objet de cette caractérisation. La figure 7 représente les cycles d'hystérésis des composites ferromagnétiques obtenus sous une excitation magnétique sinusoïdale de 1 Hz, 17 kA.m-1.

Figure 7 Cycle d’hystérésis des composites Fe3O4@ABS dopés de différentes fractions de particules (1Hz).

Comme prévu, une teneur plus élevée en Fe3O4 conduit à des cycles d'hystérésis plus raides et donc des valeurs de perméabilité plus élevées. La surface du cycle d'hystérésis augmente également légèrement en fonction de la fraction des particules.

2.3 Caractérisation thermique

L’étude de l'influence de la température sur les propriétés magnétiques est une étape obligatoire dans la conception de notre composite.

Pour vérifier l’influence de la température, de nouvelles mesures d'inductance et indirectement de perméabilités des échantillons composites Fe3O4@ABS (figure 3 (a)) ont été effectuées à l’aide de l’impédancemètre. La largeur de la bande de fréquence testée a été réglée à 1 kHz - 1 MHz (en concordance avec les applications typiques de chauffage par induction). Ces tests expérimentaux ont été réalisés en plaçant les composites à l'intérieur du four pour des températures variants de –20 ° C à 100 ° C.

Finalement, nous avons pu constater qu’indépendamment des variations de fréquences, les composites testés présentent des propriétés magnétiques relativement stables. La perméabilité magnétique d’un échantillon donné pour une fréquence donnée est quasiment constante dans la plage de températures testée. (Figure 8)

(a) (b)

Figure 8 Variation de la perméabilité en fonction de la température pour des composites de Fe3O4@ABS à (a) 1 KHz; et à (b) 1 MHz.

De plus, un dispositif de caractérisation dédié a été utilisé pour mesurer la conductivité thermique des composites. Les composites Fe3O4@ABS (3, 8 et 17% vol. de particules), les composites Ni@ABS (10, 23, 40% vol. de particules), ainsi que l'ABS pur ont été caractérisés. Les résultats expérimentaux se sont révélés en bonne adéquation des résultats théoriques. Dans le chapitre suivant, l'effet CIBF pour des composites ferromagnétiques isotropes est étudié. Une analyse complète des paramètres impliqués dans le mécanisme CIBF est proposée.

Chapitre 3 - Effet CIBF des composites ferromagnétiques