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MODÉLISATION PAR ÉLÉMENTS FINIS 2D DU CHAUFFAGE PAR MICRO-ONDES
Généralités sur les biocomposites (polymères-bois)
Les composites à base de bois-plastique ou « WPC (Wood Polymer Composite), sont des matériaux fabriqués à partir d’un mélange de fibres de bois et, généralement, d’un polymère thermoplastique , dans le but d’obtenir un produit présentant certaines caractéristiques de ces deux matériaux. Aussi, les composites bois-plastique offrent la possibilité de valoriser les résidus de bois et le plastique recyclé de post-consommation. Si on compare un matériau composite renforcé de fibres naturelles par rapport à un autre renforcé de fibres de verre, ou même à un alliage, on constate des avantages : la faible densité, l’ absence d’abrasion, etc. À cela s’ajoute d’autres avantages dans les domaines suivants:
• Environnemental: matière première renouvelable avec un caractère écologique;
• Économique: moins cher, gain de poids et de prix, valorisation des sous-produits;
• Technologique: isotropie des propriétés, résistance mécanique élevée, etc.;
Mais aussi, ils présentent des inconvénients tels que:
• Caractère hydrophile des fibres (mise en forme, stabilité dimensionnelle);
• Peu d’adhérence fibre-matrice, ce qui oblige un traitement des interfaces hydrophobe-hydrophile, nécessité de traitement à certains risques (moisissure par exemple).
Procédés de fabrication des composites
Plusieurs techniques existent pour élaborer les composites bois-polymère (WPC) en fonction de leur utilisation. Généralement, on rencontre trois techniques pour l’ élaboration de ces nouveaux matériaux : méthodes physiques, méthodes chimiques et méthodes basées sur le traitement alcalin. Les méthodes physiques consistent à modifier les propriétés structurales des renforts en bois et le polymère afin de faciliter l’interface entre ces deux constituants. Concernant les méthodes chimiques, généralement, elles sont basées sur l’utilisation d’un troisième matériau (agent de couplage) qui favorise la compatibilité entre la matrice polymérique et le renfort. Finalement, la méthode alcaline elle consiste à détruire les liaisons hydrogène caractérisant les fibres du bois. Cela augmente la cohésion entre la fibre traitée et la matrice polymérique. Toutefois, il est important de souligner que la qualité du composite dépend aussi des conditions de son d’élaboration: vitesse de rotation du mélangeur, la température de mélange, le temps, l’humidité (Campbell, 2010).
Transfert de chaleur dans les biocomposites
Un des plus importants défis de la transformation et la mise en forme des biocomposites réside dans l’étape chauffage. Au cours de celle-ci, la matrice thermoplastique du composite subit des transformations structurales permettant sa déformation et sa mise en forme. La possibilité de passer d’une phase à l’autre dépend fortement de la température: en dessous de la température de transition vitreuse (Tg), les chaînes moléculaires du thermoplastique ne sont pas assez mobiles et le matériau est solide, avec une microstructure figée. Au-dessus de la température de fusion (Tr), les liaisons entre les chaînes sont détruites, le matériau est liquide. Entre ces deux températures, les chaînes sont mobiles et leur configuration peut changer. C’est ce dernier état du matériau qui est intéressant pour beaucoup de procédés de fabrication et de mise en forme , car il permet à la fois de déformer celui-ci avec moins d’efforts et de faire évoluer sa microstructure.
Chauffage diélectrique des matériaux par micro-ondes
Le chauffage par micro-ondes ou par chauffage diélectrique, qui utilise les ondes électromagnétiques dans l ‘intervalle de fréquences allant de 300 MHz à 3000MHz, est utilisé pour le chauffage de matériaux diélectriques. Toutefois, dans le spectre de fréquences des micro-ondes, il y a des fréquences qui sont utilisées pour les téléphones cellulaires, les radars, la télévision et la communication par satellites. Seules deux fréquences suivantes 0.915GHz et 2.45 GHz sont réservées pour des utilisations industrielles, scientifiques et médicales. Le mécanisme de chauffage dominant dans cette technique est basé sur les pertes diélectriques (dissipation thermique), aussi connu comme le mécanisme des pertes de réorientation (Chandrasekaran et al.,2011).
Quand un matériau est introduit dans un champ électromagnétique oscillant, ces molécules dipolaires sont incapables de suivre les oscillations rapides du champ. Il en résulte un déphasage ente les vecteurs de polarisation et le champ électrique. Cela induit une énergie thermique qui est dissipée dans le matériau.
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Table des matières
CHAPITRE 1 :INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1. Généralités sur les biocomposites (polymères-renforts végétaux)
1.2. Procédés de fabrication des biocomposites
1.3. Transfert de chaleur dans les biocomposites
1.4. Chauffage diélectrique des matériaux par micro-ondes
1.5. Objectif de l’étude
1.6. Méthodologie
CHAPITRE 2 :MODÉLISATION PAR ÉLÉMENTS FINIS 2D DU CHAUFFAGE PAR MICRO-ONDES
2.1. Formulation mathématique du chauffage diélectrique
2.2. Approximation spaciale
2.3. Assemblage
2.4. Schéma d’intégration temporelle
2.5. Validation analytique-numérique : chauffage par conduction
2.6. Validation analytique-numérique: chauffage par radiation
CHAPITRE 3 :EXPRESSIONSMATHÉMATIQUESDE L’ÉNERGIE DISSIPÉE DANS LES MEMBRANES DIÉLECTRIQUES
3.1. Résolution des équations de Maxwell
3.2. Énergie dissipée et théorème de Poynting
3. 2.1. La loi de Lambert
3. 2. 2. Équation de Maxwell
3.3. Modèles mathématiques de l’énergie dissipée
3.3.1. Modèle 1D de Ayappa
3.3.2. Modèle 2D de Zhong et al(2015)
CHAPITRE 4 :VALIDATION NUMÉRIQUE DES MODÈLES 1D ET 2D
4.1. Validation numérique
4.2. Applications: Résultats et discussion
CHAPITRE 5 :CONCLUSION
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