Radio wave absorbing materials (RAM) are commonly found amongst high-tech products such as LCD electronic devices, laptop and desktop computers. Electromagnetic wave absorbing materials are composed of dielectric materials mixed with ferrite, a magnetic material, with varying shapes and sizes. It should be capable of absorbing electromagnetic energy at normal and large incident angles over a wide range of frequencies. This requires the material to possess a large relative complex dielectric constant (permitivity £`r), as well as a large relative complex magnetic permeability constant (£gr). Due to the nature of the complexity of the RAM, which surpasses standard analysis techniques, we have derived, for this thesis, frequency-domain two-dimensional finite-difference formulas for modeling the electromagnetic behavior of RAM. This involves using a material that has a given £`r(1:10 range) and £gr(1:1000 range) which covers a vast range of indices of refraction. To reduce the computational domain, we took care of implementing the numerical absorbing boundary conditions, while also implementing material averaging schemes for the finite-difference coefficients that cover the region where sample medium changes. Simple numerical examples are included to verify our mathematical model. We also implemented an optimal one-dimensional multi-layered RAM design, designed by using a constrained optimization searching technique. Included in the thesis are two complete, practical, optimal designs considering available material parameters (finite loss tangent) as well as their actual manufacturing limitations (layer thickness).

Dans ce travail, nous avons proposé pour la première fois de synthétiser des sphères de carbone creuses ou poreuses par traitement hydrothermal et pyrolyse ultérieure de «templates», soit d’origine naturelle tels que des œufs de poisson ou des billes d’alginate, ou synthétiques comme des capsules polymères remplies d’un mélange xylitol-érythritol. Le saccharose, le tanin, la résine résorcinol-formaldéhyde, etc., ont été utilisés comme précurseurs de carbone. L’influence des conditions de réaction pendant le traitement hydrothermal ou la pyrolyse a été étudiée afin de trouver les conditions optimales pour contrôler le diamètre et la structure des matériaux finaux. Les propriétés d’absorption des micro-ondes par une hétérostructure consistant en une monocouche ordonnée de sphères de carbone vitreux, creuses ou poreuses, ont été étudiées dans la bande Ka (gamme de fréquences de 26-37 GHz), des points de vue expérimental et théorique. Des tests préliminaires pour concentrer l’énergie solaire, afin d’augmenter l’évaporation thermique solaire, ont également été réalisés dans cette thèse / In the present work, we proposed for the first time to synthesize hollow / porous carbon spheres by hydrothermal treatment and subsequent pyrolysis of templates, either natural such as fish eggs or alginate beads, or synthetic such as polymer capsules filled with xylitol-erythritol blend. Sucrose, tannin, resorcinol-formaldehyde, etc., were used as carbon precursors. The influence of the reaction conditions during the hydrothermal treatment or the pyrolysis was investigated in order to find the optimal reaction conditions and to tune the diameter and the porosity of the resultant materials. The microwave-absorbing properties of a heterostructure consisting of an ordered monolayer of hollow or porous glassy carbon spheres packed in 2D were experimentally and theoretically investigated in the Ka-band (26–37 GHz) frequency range. The first test of the hollow carbon spheres used for concentrating the solar energy and thus improving solar thermal evaporation was also carried out in this thesis

Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude de nouveaux matériaux pour l’absorption électromagnétique en chambre anéchoïque. Ce sujet a été imaginé à partir de l’étude d’une nouvelle matrice jusqu’alors jamais utilisée pour les absorbants électromagnétiques : la mousse époxy. Cette dernière présente en effet de nombreux avantages par rapport aux matrices habituellement utilisées dans le commerce : possibilité de réaliser des formes complexes, piégeage de la charge au cœur du matériau… Nous avons associé cette matrice avec différentes charges carbonées (noir de carbone, graphite et des fibres longues de carbone). L’association de la mousse époxy avec des fibres de carbone millimétriques a montré d’excellentes performances d’absorption pour un taux de charge très faibles : 0,5 %wt (S11 ≈ -40 dB entre 4 et 18 GHz en incidences normale et oblique). En variant la longueur des fibres de carbone, nous avons mis en évidence qu’il était possible d’améliorer les performances d’absorption en basses fréquences en utilisant des fibres plus longues. Enfin, nous avons dirigé nos recherches sur la réalisation d’un matériau absorbant ‘Vert’ à partir d’une matrice de liège. Ces nouveaux matériaux, réalisés à partir de matières biosourcées, ont montré de meilleures performances d’absorption qu’un absorbant du commerce de mêmes dimensions en incidence normale (S11 = -53 dB et S11 = - 27 dB respectivement à 4,2 GHz) et en incidence oblique (S11 = -50 dB et S11 = -30 dB respectivement à 4,2 GHz) et constituent donc des candidats potentiels pour le remplacement des matériaux absorbants du commerce actuels. / This thesis work focused on the study of new materials for electromagnetic absorption in anechoic chambers. This subject arose from the study of a new matrix which was never used for electromagnetic absorbers until then: the epoxy foam. This foam has many advantages compared to the matrices usually used in the trade like the possibility of cutting complex shapes out of them or trapping the charge in the core of the absorber...This matrix was associated to different carbonaceous load (carbon black, graphite and carbon fibers). The combination of epoxy foam with millimeter carbon fibers has shown better absorption performance at very low loading rates: 0.5 %wt (S11 ≈ -40 dB between 4 and 18 GHz under normal and oblique incidences). The use of different fiber lengths showed that it is possible to improve absorption performance at low frequencies using long carbon fibers. Finally, we directed our work on the creation of an absorbent material from a cork matrix. These new materials, made from bio-based materials, have shown better absorption performance than a commercial absorber, with the same dimensions in normal incidence (S11 = -54 dB and S11 = - 27 dB respectively at 4.26 GHz) and oblique incidence (S11 = -51 dB and S11 = -30 dB respectively at 4.26 GHz) and are therefore potential candidates for the replacement of existing commercial absorbent materials.