Élaboration de tissus bimétalliques pour le blindage électromagnétique

par Paul Clerico

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Anne-Laure Helbert et de Thierry Baudin.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes , en partenariat avec Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    La finalité de cette thèse est l'élaboration d'un tissu bimétallique composé d'empilement de couches (aluminium/acier/aluminium) à propriétés mécaniques et électromagnétiques combinées optimales. Ce tissu de 200µm d'épaisseur sera réalisé par colaminage de trois tôles fines Aluminium/Acier/Aluminium et éventuellement par multi-colaminage (Accumulative Roll Bonding, ARB) [1]. Ce dernier procédé de mise en forme permet d'augmenter le nombre de couches pour une même épaisseur finale. En effet, le composite est coupé en deux dans le sens de la longueur et les deux morceaux sont superposés et à nouveau laminés de 50%. Cette procédure peut être reproduite plusieurs fois de suite et générer alors une très petite taille de grains favorable aux propriétés mécaniques. Le composite sera constitué d'aluminium 8xxx et d'acier bas carbone, matériaux couramment utilisés et à faible coût pour faciliter une éventuelle industrialisation du produit conçu. Pour mener à bien cette étude, plusieurs objectifs sont visés : 1. Préciser au niveau microscopique (interfaces entre couches) la relation entre l'aptitude au colaminage ou au multi-colaminage et la cohésion des interfaces mesurées par exemple via un test de pelage. Pour ce faire, plusieurs paramètres process seront étudiés, comme le taux de laminage (en faisant varier l'épaisseur initiale des tôles mais également les proportions d'aluminium et d'acier), la vitesse de déformation via la vitesse de rotation des cylindres du laminoir, la température de laminage (une élévation de température devrait faciliter les mécanismes de diffusion mais aussi conduire à la formation d'intermétalliques fragilisants), le nombre de passes de multi-colaminage, … La microstructure des matériaux et la cohésion des interfaces seront caractérisées par MEB/EDS/EBSD et la texture cristallographique par diffraction des rayons X. Des mesures de rugosité de surface avant placage seront également effectuées car on sait que cette dernière favorise le placage [2]. 2. Relier l'architecture du composite (superposition de tôles strictionnées [1] ou non) aux propriétés mécaniques et de blindage électromagnétique du tissu : • Des mesures de dureté (voire de nanodureté pour la caractérisation d'éventuels intermétalliques qui peuvent se former lors de la mise forme à chaud) ainsi que des essais de traction seront mis en œuvre. • Des essais de CEM (Compatibilité ElectroMagnétique) seront réalisés pour mesurer le comportement du tissu vis-à-vis du blindage (basses fréquences 0-10kHz et hautes fréquences > 200MHz). 3. Développer une simulation prédictive des propriétés mécaniques et électromagnétiques : L'objectif de ce dernier point est de faciliter l'optimisation du tissu composite suivant l'application visée, en couplant les analyses expérimentales décrites précédemment à des modélisations 3D s'appuyant sur une homogénéisation des propriétés mécaniques et CEM. Cette étude pourra se faire par étapes via l'utilisation de logiciels de calcul par éléments finis tout d'abord en 2D (validation des modèles de lois de comportement matériaux) puis 3D (analyse du système suivant l'application visée). De par sa nature, l'étude est donc fortement pluridisciplinaire, puisqu'elle nécessite aussi bien des compétences de caractérisation de lois de comportement au niveau « matériau », que de compétences de modélisation et d'expérimentation au niveau du « magnéto-mécanique ». Ces compétences seront trouvées au sein des 3 établissements partenaires de l'Université Paris-Saclay participant au projet.

  • Titre traduit

    Bimetallic tissue preparation for electromagnetic shielding


  • Résumé

    The purpose of this thesis is the development of a bi-metallic fabric composed of stacked layers (aluminum / steel / aluminum) with optimal mechanical and electromagnetic properties combined. The 200µm thick fabric will be achieved by co-laminating three thin sheets Aluminium / Steel / Aluminium and possibly by multi-roll bonding (Accumulative Roll Bonding, ARB) [1]. This shaping process can increase the number of layers for the same final thickness. Indeed, the composite is cut in half lengthwise and the two pieces are superposed and again rolled by 50%. This procedure can be repeated several times and then generate a very small grains favorable to mechanical properties. The composite is made of 8xxx aluminum and low carbon steel, commonly used materials and low cost to facilitate a possible industrialization of the product designed. To carry out this study, several objectives are targeted: 1. Clarify at microscopic level (interfaces between layers) the relationship between the ability to co-lamination or multi-roll bonding and cohesion of interfaces measured eg via a peel test. To do this, several process parameters will be considered as the rolling ratio (by varying the initial sheet thickness but also the proportions of aluminum and steel), the deformation speed via the speed of rotation of the cylinder rolling mill, the rolling temperature (temperature rise should facilitate dissemination mechanisms but also lead to the formation of debilitating intermetallics), the number of multi-colaminating passes, ... The microstructure of materials and cohesive interfaces will be characterized by SEM / EDS / EBSD and by crystallographic texture ray diffraction X. Before plating, surface roughness measurements will also be performed since it is known that it promotes plating [2] . 2. Connect architecture composite to the mechanical properties and electromagnetic shielding fabric: • Hardness measurements (even nanohardness for the characterization of possible intermetallic that may form during the heat-setting) and tensile tests will be implemented. • EMC Testing (electromagnetic compatibility) will be made to measure tissue behavior vis-à-vis the shield (0-10kHz low frequencies and high frequencies> 200MHz). 3. Develop a predictive simulation of mechanical and electromagnetic properties: The aim of the latter is to facilitate the optimization of the composite fabric according to the intended application, by combining experimental analyzes described above to 3D models based on homogenization of mechanical and EMC. This study will be done in stages through the use of computational software finite element first 2D (validated material laws models) and 3D (analysis system according to the intended application). By its nature, the study is highly multidisciplinary, since it requires both skill of characterization and behavior laws at the "material", and modeling skills of experimentation at the "magneto-mechanical" . These skills will be found in the 3 partner institutions of the University of Paris-Saclay project participant.