FR3060022A1 - Materiau composite aluminium-alumine et son procede de preparation - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un matériau composite à base d'aluminium et d'alumine, à son procédé de fabrication et un câble comprenant ledit matériau composite à titre d'élément électriquement conducteur.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication :
(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national
060 022
62371
COURBEVOIE
©) Int Cl8 : C 22 C49/06 (2017.01), C 22 C 49/14, 47/08, 101/04, H 01 B 1/02
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| (22) Date de dépôt : 13.12.16. | ©) Demandeur(s) : NEXANS— FR. |
| (30) Priorité : | |
| ©) Inventeur(s) : MASQUELIER NICOLAS et SUMERA | |
| RODRIGUE. | |
| (43; Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 15.06.18 Bulletin 18/24. | |
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194/ MATERIAU COMPOSITE ALUMINIUM-ALUMINE ET SON PROCEDE DE PREPARATION.
FR 3 060 022 - A1
La présente invention se rapporte à un matériau composite à base d'aluminium et d'alumine, à son procédé de fabrication et un câble comprenant ledit matériau composite à titre d'élément électriquement conducteur.
i
MATÉRIAU COMPOSITE ALUMINIUM-ALUMINE ET SON PROCÉDÉ DE PRÉPARATION
La présente invention se rapporte à un matériau composite à base d'aluminium et d'alumine, à son procédé de fabrication et un câble comprenant ledit matériau composite à titre d'élément électriquement conducteur.
Elle s'applique typiquement mais non exclusivement, aux câbles d'énergie à basse tension (notamment inférieure à 6kV) ou à moyenne tension (notamment de 6 à 45-60 kV) ou à haute tension (notamment supérieure à 60 kV, et pouvant aller jusqu'à 800 kV), qu'ils soient en courant continu ou alternatif, dans les domaines du transport d'électricité aérien, sous-marin, terrestre et de l'aéronautique.
Plus particulièrement, l'invention concerne un câble électrique présentant de bonnes propriétés mécaniques, notamment en termes de résistance mécanique à la traction et de bonnes propriétés électriques, notamment en termes de conductivité électrique.
Il est connu de remplacer des conducteurs en cuivre ou en alliage de cuivre par des conducteurs en aluminium ou en alliage d'aluminium. Bien que l'aluminium soit plus léger et plus économique que le cuivre, ce métal présente de faibles propriétés mécaniques, notamment en termes de résistance mécanique à la traction, le rendant difficilement utilisable dans le domaine des câbles.
Afin d'améliorer les propriétés mécaniques d'un conducteur en aluminium ou en alliage d'aluminium, US 6,245,425 a décrit un procédé de préparation d'un matériau composite aluminium-alumine, notamment sous la forme d'un fil continu, comprenant une étape d'imprégnation d'un matériau fibreux constitué de fibres d'alumine polycristallines (a-AI2O3) par de l'aluminium fondu et une étape au cours de laquelle le matériau fibreux imprégné et recouvert d'aluminium fondu est solidifié. En particulier, l'imprégnation est réalisée en continu avec un dispositif approprié émettant des ultrasons ou à l'aide d'un moule sous haute pression. Le matériau composite obtenu comprend de 30 à 70% en volume environ de fibres d'alumine et présente une résistance mécanique à la traction supérieure ou égale à 1,38 GPa. Toutefois, ledit matériau composite présente une conductivité électrique trop faible (e.g. 30% IACS environ) inadaptée pour une application dans le domaine des câbles, et une résistance mécanique trop élevée pour être facilement manipulé. Par ailleurs, le procédé permettant d'obtenir ledit matériau met en œuvre des matières premières coûteuses.
Ainsi, le but de la présente invention est de fournir un matériau composite à base d'aluminium présentant une conductivité électrique améliorée et une résistance mécanique optimisée pour pouvoir être manipulé facilement pour une utilisation dans le domaine des câbles, notamment comme élément électriquement conducteur d'un câble d'énergie et/ou de télécommunications. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé simple et économique de préparation d'un tel matériau composite.
L'invention a donc pour premier objet un matériau composite comprenant une matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium et des particules d'alumine dispersées dans ladite matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium.
Le matériau composite comprend de préférence de 1 à 10 000 ppm environ d'alumine, et de préférence de 100 à 5000 ppm environ d'alumine.
Dans la présente invention, l'expression « ppm » signifie partie par million massique (i.e. exprimant une fraction massique).
Le matériau composite présente de préférence une conductivité électrique d'au moins 45% IACS (International Annealed Copper Standard) environ, de préférence encore d'au moins 50% IACS, et encore plus préférentiellement d'au moins 55% IACS environ.
Le matériau composite présente de préférence une résistance mécanique à la traction allant de 70 à 500 MPa environ, et de préférence encore de 130 à 400 MPa environ.
Le matériau composite comprend de préférence des particules d'alumine uniformément dispersées dans une matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium.
Dans un mode de réalisation particulier, les particules d'alumine sont sous la forme d'aiguilles ou de plaques.
Les particules d'alumine présentent de préférence une épaisseur (l'épaisseur étant définie comme la dimension la plus petite de chacune desdites particules) d'au moins 0,1 pm environ, et de préférence d'au moins 0,5 pm environ.
Selon une forme de réalisation de l'invention, les particules d'alumine présentent une taille moyenne allant de 0,1 à 50 pm environ, et de préférence de 0,1 à 10 pm environ.
La taille moyenne des particules d'alumine est mesurée par microscopie électronique à balayage (MEB).
Selon une forme de réalisation de l'invention, le matériau composite présente une porosité d'au plus 1% en volume environ, et de préférence il est non poreux.
La teneur en aluminium de l'alliage d'aluminium de la matrice peut être d'au moins 80% en masse, et de préférence d'au moins 95% en masse, par rapport à la masse totale de l'alliage d'aluminium.
L'alliage d'aluminium peut être choisi parmi les alliages d'aluminium des séries 1000 (i.e. 99% d'aluminium minimum), 5000 (i.e. comprenant au moins du magnésium), 6000 (i.e. comprenant au moins du magnésium et du silicium) et 8000 (i.e. comprenant moins de 99% d'aluminium).
L'alliage d'aluminium peut comprendre en outre une ou plusieurs impuretés inévitables.
À titre d'exemples d'alliages d'aluminium pouvant être utilisés dans le matériau composite de l'invention, on peut citer les alliages AI1120, AI1370 AI6101, AI6201, AI8030, AI8076 et les alliages thermiques
De préférence, le matériau composite ne comprend pas de fibres d'alumine. De cette manière, le matériau composite n'est pas trop rigide et peut être manipulé facilement, notamment pour une utilisation dans le domaine des câbles.
De préférence, le matériau composite de l'invention est exempt de polymère(s) organique(s). En effet, la présence de polymères organiques peut dégrader ses propriétés électriques, notamment sa conductivité électrique.
Le matériau composite est de préférence uniquement constitué de la matrice d'aluminium ou d'alliage d'aluminium et des particules d'alumine dispersées dans ladite matrice d'aluminium ou d'alliage d'aluminium.
L'invention a donc pour deuxième objet un procédé de préparation d'un matériau composite comprenant une matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium et des particules d'alumine dispersées dans ladite matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
i) mettre en contact au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée, avec de l'aluminium fondu ou un alliage d'aluminium fondu, ii) former une masse solide à base d'alumine et d'aluminium, et iii) casser la couche d'alumine hydratée au sein de la masse solide, afin de former un matériau composite comprenant une matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium et des particules d'alumine dispersées dans ladite matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium.
Grâce au procédé de l'invention, un matériau composite comprenant des particules d'alumine dispersées dans une matrice d'aluminium ou d'alliage d'aluminium peut être facilement formé, tout en présentant de bonnes propriétés mécaniques, notamment en termes de résistance mécanique à la traction, et de conductivité électrique, en particulier grâce à la dispersion homogène des particules d'alumine dans la matrice d'aluminium ou d'alliage d'aluminium.
Le ou les éléments électriquement conducteurs allongés utilisés dans l'étape i) présentent généralement un diamètre allant de 1 à 20 mm environ.
Le ou les éléments électriquement conducteurs allongés utilisés dans l'étape i) sont généralement des fils machines anodisés.
Dans l'invention, la couche d'alumine hydratée est une couche d'hydroxyde d'alumine ou d'hydroxyde d'oxyde d'aluminium.
La couche d'alumine hydratée peut être une couche d'alumine monohydratée ou une couche d'alumine polyhydratée telle que par exemple une couche d'alumine trihydratée.
À titre d'exemple de couche d'alumine monohydratée, on peut citer une couche de boéhmite, qui est le polymorphe gamma de AIO(OH) ou AI2O3.H2O ; ou de diaspore, qui est le polymorphe alpha de AIO(OH) ou AI2O3.H2O.
À titre d'exemple de couche d'alumine trihydratée, , on peut citer une couche de gibbsite ou d'hydrargillite, qui est le polymorphe gamma de AI(OH)3 ; une couche de bayerite qui est le polymorphe alpha de AI(OH)3 ; ou une couche de nordstrandite, qui est le polymorphe béta de AI(OH)3.
De préférence, la couche d'alumine hydratée est directement en contact physique avec l'élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium. En d'autres termes, il n'y a pas de couche(s) intercalée(s) entre la couche d'alumine hydratée et ledit élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium.
La couche d'alumine hydratée peut avoir une épaisseur allant de 1 à 50 pm environ, et de préférence de 4 à 20 pm environ.
Dans un mode de réalisation particulier, l'aluminium fondu ou l'alliage d'aluminium fondu de l'étape i) est porté à une température allant de 660°C à 900°C environ, et de préférence de 660°C à 760°C environ.
L'étape i) peut être effectuée selon l'une quelconque des méthodes suivantes :
- couler de l'aluminium fondu ou un alliage d'aluminium fondu sur ledit élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée, ou
- passer en continu ledit élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée à travers un bain d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu (méthode également connue sous l'anglicisme « dip forming »).
A l'issue de l'étape i), l'élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée est revêtu d'au moins une couche d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu entourant la couche d'alumine hydratée.
L'étape i) effectuée par coulée d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu sur ledit élément électriquement conducteur allongé peut comprendre les sous-étapes suivantes (procédé non continu) :
i-a) placer au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée dans un contenant, et i-b) couler de l'aluminium fondu ou un alliage d'aluminium fondu dans ledit contenant.
Le contenant peut être un moule, et en particulier un moule cylindrique.
L'étape i) effectuée par coulée en non continu est particulièrement adaptée lorsque plusieurs éléments électriquement conducteurs allongés en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée sont utilisés. Ils sont alors par exemple placés dans un contenant tel que défini dans l'invention, puis l'aluminium ou l'alliage d'aluminium fondu est coulé sur l'ensemble des éléments électriquement conducteurs allongés contenus dans ledit contenant.
L'étape i) effectuée par coulée d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu sur ledit élément électriquement conducteur allongé peut comprendre les sous-étapes suivantes (procédé continu) :
i-a') placer au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée sur une roue de coulée, et i-b') couler de l'aluminium fondu ou un alliage d'aluminium fondu sur la roue de coulée.
L'étape i) effectuée par passage en continu dudit élément électriquement conducteur allongé à travers un bain d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu peut comprendre les sous-étapes suivantes :
i-A) placer au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée dans un dispositif comprenant au moins une cuve destinée à contenir un bain d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu et des moyens de transport servant à acheminer ledit élément électriquement conducteur allongé vers ladite cuve, et i-B) faire passer en continu ledit au moins un élément électriquement conducteur allongé à travers ledit bain d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu.
L'étape i) effectuée par « dip forming » peut être mise en œuvre avec un ou plusieurs éléments électriquement conducteurs allongés en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée.
L'étape ii) est une étape de solidification.
L'étape ii) est généralement effectuée à l'air, notamment à 20°C environ.
La masse solide obtenue à l'issue de l'étape ii) peut être de type monobloc tel que par exemple un barreau ou un cylindre massif.
Lorsque l'étape i) est effectuée par coulée en non continu, l'étape ii) peut consister à retirer du contenant ledit au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée et revêtu d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium fondu obtenu à l'issue de l'étape i), puis à le refroidir pour obtenir une masse solide.
Lorsque l'étape i) est effectuée par coulée en continu (i.e. avec une roue de coulée), l'étape ii) peut consister à refroidir ledit au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée et revêtu d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium fondu obtenu à l'issue de l'étape i), directement à la sortie de la roue de coulée, notamment à l'aide de moyens de refroidissement, pour obtenir une masse solide.
Le refroidissement peut également avoir lieu ultérieurement dans un laminoir, en particulier en présence d'eau et éventuellement de lubrifiants.
Lorsque l'étape i) est effectuée par « dip forming », l'étape ii) peut consister à refroidir ledit au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée et revêtu d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium fondu obtenu à l'issue de l'étape i), directement à la sortie de la cuve, notamment à l'aide de moyens de refroidissement contenus dans le dispositif tel que défini ci-dessus, pour obtenir une masse solide.
Le refroidissement peut également avoir lieu ultérieurement dans un laminoir, en particulier en présence d'eau et éventuellement de lubrifiants.
L'étape iii) est une étape de déformation de la masse solide qui permet de casser la couche d'alumine hydratée.
En particulier, elle permet de casser ou d'exploser la couche d'alumine hydratée et de répartir de façon uniforme des particules d'alumine dans une matrice d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium.
Lorsque plusieurs éléments électriquement conducteurs sont utilisés dans l'étape i), l'étape iii) permet de casser l'ensemble des couches d'alumine hydratée.
L'étape iii) peut être une étape de laminage ou d'extrusion.
Lorsque l'étape iii) est une étape de laminage, elle est généralement effectuée à froid, notamment à une température allant de 5 à 40°C environ, ou à chaud, notamment à une température allant de 40 à 600°C environ.
Lorsque l'étape iii) est une étape d'extrusion, elle est généralement effectuée à une température allant de 20 à 650°C environ.
L'extrusion peut être directe, indirecte ou isostatique.
L'étape iii) de laminage est particulièrement appropriée lorsque l'étape i) est effectuée selon un procédé continu, c'est-à-dire par passage en continu dudit au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée à travers un bain d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu (« dip forming ») ou par coulée en continu d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu sur au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée placé sur une roue de coulée.
Dans ce mode de réalisation, les étapes i), ii) et iii) peuvent alors être réalisées en continu.
En particulier, le dispositif de « dip forming » tel que défini ci-dessus peut comprendre en outre des moyens de laminage (e.g. laminoir) disposés après les moyens de refroidissement tels que définis ci-dessus.
La masse solide peut alors être amenée vers lesdits moyens de laminage disposés après les moyens de refroidissement pour effectuer l'étape iii).
L'étape iii) d'extrusion, notamment d'extrusion directe, indirecte ou isostatique, est particulièrement appropriée lorsque l'étape i) est effectuée en coulant de l'aluminium fondu ou un alliage d'aluminium fondu sur ledit au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée placé dans un contenant (procédé non continu).
A l'issue de létape iii), un matériau composite de diamètre allant de 2 à 350 mm environ peut ainsi être obtenu.
A l'issue de létape iii), le matériau composite est généralement de forme allongé.
Ainsi, le procédé de l'invention permet de former en trois étapes un matériau composite comprenant une matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium et des particules d'alumine uniformément réparties dans ladite matrice.
Le procédé peut comprendre en outre une étape iv) de mise en forme du matériau composite obtenu à l'étape précédente iii), afin d'obtenir un matériau composite ayant les dimensions et la forme voulues.
L'étape iv) peut en particulier comprendre la ou les étapes suivantes : une étape de filage et/ou une étape de tréfilage et/ou une étape de laminage et/ou une étape d'extrusion de type conform (i.e. extrusion continue) du matériau composite de l'étape iii).
L'étape iv) peut être effectuée à une température d'au plus 80°C environ.
Lorsque l'étape i) est effectuée par « dip forming » ou par coulée en continu (i.e. avec une roue de coulée) et l'étape iii) par laminage, l'étape iv) comprend de préférence une étape de tréfilage et/ou une étape d'extrusion de type conform.
Lorsque l'étape i) est effectuée par coulée en non continu et l'étape iii) par extrusion, l'étape iv) comprend de préférence une étape de laminage et/ou de tréfilage et/ou d'extrusion de type conform.
Le procédé peut comprendre en outre après l'étape iii) ou l'étape iv), une étape v) de chauffage.
Cette étape permet notamment d'augmenter l'allongement mécanique du matériau composite de l'étape iii) ou de l'étape iv).
Cette étape est conventionnellement appelée étape « de recuit » également connue sous l'anglicisme « anneaiing step ». L'étape de recuit permet d'augmenter l'allongement mécanique d'un élément métallique en le chauffant, et ainsi de pouvoir le déformer facilement une fois recuit.
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape v) est réalisée à une température allant de 200°C à 500°C environ.
Dans un mode de réalisation particulier, la durée de l'étape v) varie de 10 minutes à 20 heures environ.
En particulier, l'étape de chauffage v) a pour but d'assouplir le matériau composite de l'étape iii) ou de l'étape iv), c'est-à-dire d'éliminer une partie de la déformation provoquée notamment par l'étape iii) ou iv) (e.g. tréfilage), sans modifier la structure du matériau composite obtenu à l'issue de l'étape iii).
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape v) peut conduire à un élément électriquement conducteur allongé présentant une élongation à la rupture allant de 5 à 50% environ, et de préférence de 20 à 40% environ.
Le chauffage selon l'étape v) peut être réalisé à l'aide d'un four électrique (i.e. four à résistance) et/ou d'un four à induction et/ou d'un four à gaz.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l'invention comprend en outre avant l'étape i), une étape i0) de formation de la couche d'alumine hydratée.
Cette étape peut être effectuée par conversion chimique.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'étape i0) du procédé est effectuée par anodisation.
L'anodisation est un traitement de surface qui permet de former par oxydation anodique, à partir d'un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium, la couche d'alumine hydratée. Ainsi, l'anodisation va consommer une partie de l'élément électriquement conducteur allongé pour former ladite couche d'alumine hydratée.
Lors de l'anodisation, la couche d'alumine hydratée se forme à partir de la surface de l'élément électriquement conducteur allongé vers le cœur dudit élément électriquement conducteur allongé, contrairement à un dépôt électrolytique.
L'anodisation est classiquement basée sur le principe de l'électrolyse de l'eau. Elle consiste à immerger l'élément électriquement conducteur allongé dans un bain d'anodisation, ledit élément électriquement conducteur allongé étant placé au pôle positif d'un générateur de courant continu.
Le bain d'anodisation est plus particulièrement un bain acide, de préférence un bain d'acide phosphorique ou un bain d'acide sulfurique. On parle alors respectivement d'anodisation phosphorique ou d'anodisation sulfurique.
Lorsque la couche d'alumine hydratée est formée avantageusement par anodisation, les paramètres électrolytiques sont imposés par une densité de courant et une conductivité du bain. Pour une épaisseur souhaitée sur un élément électriquement conducteur allongé prototype de 8 à 10 pm environ, la densité de courant est préférentiellement fixée de 55 à 65 A/dm2 environ, la tension est fixée de 20 à 21 V environ, et l'intensité est fixée de 280 à 350 A environ.
La couche d'alumine hydratée formée à l'issue de l'anodisation est poreuse.
La densité de courant appliquée permet de garantir qu'une quantité suffisante de pores a été formée.
Le procédé conforme à l'invention peut comprendre en outre au moins l'une des étapes suivantes, préalables à l'étape i0) :
a) dégraisser ledit élément électriquement conducteur allongé, et/ou
b) décaper ledit élément électriquement conducteur allongé.
De préférence, l'étape a) et l'étape b) peuvent être réalisées de façon concomitante.
Par ailleurs, le procédé conforme à l'invention peut comprendre en outre l'étape suivante, préalable à l'étape i0) :
c) Neutraliser ledit élément électriquement conducteur allongé.
Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, le procédé conforme à l'invention peut comprendre lesdites trois étapes a), b) et c), l'étape c) étant réalisée après les étapes a) et b).
L'étape de dégraissage a) a pour objet d'éliminer les différents corps et particules contenus dans les graisses susceptibles d'être présentes sur la surface de l'élément électriquement conducteur allongé.
Elle peut être effectuée par voie chimique ou aidée par voie électrolytique.
À titre d'exemple, l'étape a) de dégraissage peut être réalisée en plongeant au moins partiellement l'élément électriquement conducteur allongé dans une solution comprenant au moins un tensio-actif en tant qu'agent dégraissant.
L'étape de décapage b) sert à éliminer les oxydes susceptibles d'être présents sur la surface de l'élément électriquement conducteur allongé. Il existe plusieurs méthodes de décapage : chimique, électrolytique ou mécanique.
De préférence, on pourra utiliser un décapage chimique consistant à éliminer les oxydes par dissolution, voire par éclatement de la couche d'oxyde, sans attaquer le matériau de l'élément électriquement conducteur allongé sous-jacent.
À titre d'exemple, l'étape b) de décapage peut être réalisée en plongeant au moins partiellement l'élément électriquement conducteur allongé dans une solution comprenant une base en tant qu'agent décapant.
Lorsque l'étape a) et l'étape b) sont réalisées concomitamment, une unique solution comprenant un agent dégraissant et un agent décapant peut être utilisée pour à la fois décaper et dégraisser l'élément électriquement conducteur allongé.
L'étape de neutralisation c) permet de conditionner l'élément électriquement conducteur allongé, avant l'étape i0).
Plus particulièrement, lorsque l'étape i0) est une étape d'anodisation, l'étape c) de neutralisation consiste à conditionner l'élément électriquement conducteur allongé en le plongeant au moins partiellement dans une solution identique au bain d'anodisation prévu à l'étape i0), afin de mettre la surface de l'élément électriquement conducteur allongé au même pH que le bain d'anodisation de l'étape i0).
Cette solution permet en outre d'une part d'éliminer certaines traces d'oxydes pouvant nuire à l'anodisation, et d'autre part d'éliminer les éventuels résidus de l'agent décapant. La neutralisation permet de mettre la surface de l'aluminium au même pH que le bain anodique.
À titre d'exemple, l'étape c) de neutralisation peut être réalisée en plongeant au moins partiellement l'élément électriquement conducteur allongé dans une solution comprenant un acide en tant qu'agent neutralisant.
À titre d'exemple, il est préférable tout d'abord de décaper et de dégraisser ledit élément électriquement conducteur allongé, en le plongeant dans une solution de soude et de tensio-actifs telle que par exemple la solution référencée GARDOCLEAN commercialisé par la société CHEMETALL (30-50 g/L de soude), notamment à une température allant de 40 à 60°C environ, pendant une durée de 30 secondes environ. Puis, ledit élément électriquement conducteur allongé peut être plongé dans une solution d'acide sulfurique (20% en poids d'acide sulfurique dans de l'eau distillée) pour effectuer l'étape c) de neutralisation, de préférence à température ambiante (i.e. 25°C), pendant 10 secondes.
L'étape i0) peut ensuite être réalisée.
À titre d'exemple, un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium, par exemple de diamètre 3 mm, peut être anodisé en formant une couche d'alumine hydratée tout autour dudit élément électriquement conducteur allongé, par anodisation sulfurique (20 à 30% en poids d'acide sulfurique dans de l'eau distillée) à une température de 30°C, ou par anodisation phosphorique (8 à 30% en poids d'acide phosphorique dans de l'eau distillée) à température ambiante (i.e. 25°C), sous l'application d'une densité de courant comprise entre 55 et 65 A/dm2. Ledit élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium obtenu est ainsi recouvert d'une couche d'alumine hydratée.
La couche d'alumine hydratée obtenue à l'issue de l'étape i0) peut être poreuse. Les pores sont éventuellement agencés de façon sensiblement régulière (ou homogène) tout le long de la surface externe de la couche d'alumine, et ils ont éventuellement tous sensiblement les mêmes dimensions.
Dans un mode de réalisation particulier, le procédé conforme à l'invention comprend en outre après l'étape i0), et notamment d'anodisation, l'étape suivante :
ii) Colmater les pores de ladite couche d'alumine hydratée.
Cette étape ii) permet d'améliorer la compacité de la couche d'alumine hydratée. Suite à cette étape ii), tous les pores en surface de la couche d'alumine hydratée sont bouchés.
L'étape ii) peut par exemple être réalisée en effectuant une hydratation à chaud dudit élément électriquement conducteur allongé, en plongeant ledit élément électriquement conducteur allongé dans de l'eau bouillante ou de l'eau chaude.
Le colmatage peut être effectué dans de l'eau avec éventuellement un additif, par exemple du sel de nickel à une température supérieure à 80°C, préférentiellement comprise entre 90 et 95°C.
Avantageusement, ledit élément électriquement conducteur allongé obtenu après l'étape i0) ou ledit élément électriquement conducteur allongé obtenu après l'étape ii), est rincé à l'eau osmosée.
La présente invention a pour troisième objet un matériau composite obtenu selon le procédé conforme au deuxième objet de l'invention.
Le matériau composite obtenu selon le procédé conforme au deuxième objet de l'invention peut être un matériau composite tel que défini dans le premier objet de l'invention.
La présente invention a également pour quatrième objet un câble électrique comprenant au moins un matériau composite conforme au premier objet de l'invention ou obtenu selon le procédé conforme au deuxième objet de l'invention.
Ledit câble présente des propriétés mécaniques et électriques améliorées.
Ainsi, le matériau composite est utilisé comme un élément électriquement conducteur allongé dans ledit câble.
Dans un mode de réalisation particulier, le matériau composite peut être sous la forme d'un brin composite de section transversale ronde, trapézoïdale ou en forme de Z.
Dans un mode de réalisation, le câble comprend plusieurs brins composites, et de préférence un assemblage de brins composites.
Cet assemblage peut notamment former au moins une couche du type enveloppe continue, par exemple de section transversale circulaire ou ovale ou encore carrée.
Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, le câble peut être un câble OHL.
Par conséquent, il peut comprendre un élément allongé de renforcement, de préférence central, ledit assemblage pouvant être positionné autour de l'élément allongé de renforcement.
Lorsque les brins composites sont de section transversale ronde, ils peuvent avoir un diamètre pouvant aller de 2,25 mm à 4,75 mm. Lorsque les brins sont de section transversale non ronde, leur diamètre équivalent en section ronde peut également aller de 2,25 mm à 4,75 mm.
Bien entendu, il est préférable que tous les brins constitutifs d'un assemblage aient la même forme et les mêmes dimensions.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément allongé de renforcement est entouré par au moins une couche d'un assemblage de brins composites.
De préférence, les brins composites constitutifs d'au moins une couche d'un assemblage de brins composites, sont aptes à conférer à ladite couche une surface sensiblement régulière, chaque brin constitutif de la couche pouvant notamment présenter une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s).
Selon l'invention, par « brins composites apte à conférer à ladite couche une surface sensiblement régulière, chaque brin constitutif de la couche pouvant notamment présenter une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s)», on entend que : la juxtaposition ou l'emboîtement de l'ensemble des brins constitutifs de la couche, forme une enveloppe continue (sans irrégularités), par exemple de section circulaire ou ovale ou encore carrée.
Ainsi, les brins de section transversale en forme de Z ou en forme de trapèze permettent d'obtenir une enveloppe régulière contrairement aux brins de section transversale ronde. En particulier, des brins de section transversale en forme de Z sont préférés.
De manière encore plus préférée, ladite couche formée par l'assemblage des brins composites présente une section transversale en forme d'anneau.
L'élément allongé de renforcement peut être typiquement un élément composite ou métallique. A titre d'exemple, on peut citer des brins d'acier ou des brins composites d'aluminium dans une matrice organique.
Les brins composites peuvent être torsadés autour de l'élément allongé de renforcement, notamment lorsque le câble comprend un assemblage de brins composites.
Dans un mode de réalisation particulier, le câble électrique de l'invention comprend au moins une couche électriquement isolante entourant ledit matériau composite ou la pluralité de matériaux composites, ladite couche électriquement isolante comprenant au moins un matériau polymère.
Le matériau polymère de la couche électriquement isolante du câble de l'invention peut être choisi parmi les polymères réticulés et non réticulés, les polymères du type inorganique et du type organique.
Le matériau polymère de la couche électriquement isolante peut être un homo- ou un co-polymère ayant des propriétés thermoplastiques et/ou élastomères.
Les polymères du type inorganique peuvent être des polyorganosiloxanes.
Les polymères du type organique peuvent être des polyoléfines, des polyuréthanes, des polyamides, des polyesters, des polyvinyliques ou des polymères halogénés tels que des polymères fluorés (e.g. polytétrafluoroéthylène PTFE) ou des polymères chlorés (e.g. polychlorure de vinyle PVC).
Les polyoléfines peuvent être choisies parmi les polymères d'éthylène et de propylène. A titre d'exemple de polymères d'éthylène, on peut citer les polyéthylènes linéaires basse densité (LLDPE), les polyéthylènes basse densité (LDPE), les polyéthylènes moyenne densité (MDPE), les polyéthylènes haute densité (HDPE), les copolymères d’éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), les copolymères d’éthylène et d’acrylate de butyle (EBA), d’acrylate de méthyle (EMA), de 2-hexyléthyl acrylate (2HEA), les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines tels que par exemple les polyéthylène-octène (PEO), les copolymères d'éthylène et de propylène (EPR.), les copolymères d'éthylène/éthyle acrylate (EEA), ou les terpolymères d'éthylène et de propylène (EPT) tels que par exemple les terpolymères d'éthylène propylène diène monomère (EPDM).
Plus particulièrement, le câble électrique conforme à l'invention peut être un câble électrique de type câble d'énergie.
Par exemple, le câble de l'invention peut comprendre un matériau composite conforme au premier objet de l'invention ou obtenu selon le procédé conforme au deuxième objet de l'invention, une première couche semi-conductrice entourant ledit matériau composite, une couche électriquement isolante entourant la première couche semi-conductrice et une deuxième couche semi-conductrice entourant la couche électriquement isolante.
La couche électriquement isolante est telle que définie précédemment.
Dans un mode de réalisation particulier, généralement conforme au câble électrique de type câble d'énergie de l'invention, la première couche semi-conductrice, la couche électriquement isolante et la deuxième couche semi-conductrice constituent une isolation tricouche. En d'autres termes, la couche électriquement isolante est directement en contact physique avec la première couche semi-conductrice, et la deuxième couche semi-conductrice est directement en contact physique avec la couche électriquement isolante.
Le câble électrique de l'invention peut comprendre en outre un écran métallique entourant la deuxième couche semi-conductrice.
Cet écran métallique peut être un écran dit « filaire » composé d'un ensemble de conducteurs en cuivre ou en aluminium arrangé autour et le long de la deuxième couche semi-conductrice, un écran dit « rubané » composé d'un ou de plusieurs rubans métalliques conducteurs posé(s) en hélice autour de la deuxième couche semi-conductrice, ou d'un écran dit « étanche » de type tube métallique entourant la deuxième couche semi-conductrice. Ce dernier type d'écran permet notamment de faire barrière à l'humidité ayant tendance à pénétrer le câble électrique en direction radiale.
Tous les types d'écrans métalliques peuvent jouer le rôle de mise à la terre du câble électrique et peuvent ainsi transporter des courants de défaut, par exemple en cas de court-circuit dans le réseau concerné.
En outre, le câble de l'invention peut comprendre une gaine extérieure de protection entourant la deuxième couche semi-conductrice, ou bien entourant plus particulièrement ledit écran métallique lorsqu'il existe. Cette gaine extérieure de protection peut être réalisée classiquement à partir de matériaux thermoplastiques appropriés tels que des HDPE, des MDPE ou des LLDPE ; ou encore des matériaux retardant la propagation de la flamme ou résistant à la propagation de la flamme. Notamment, si ces derniers ne contiennent pas d'halogène, on parle de gainage de type HFFR. (pour l'anglicisme « Halogen Free Flame Retardant »).
D'autres couches, telles que des couches gonflantes en présence d'humidité peuvent être ajoutées entre la deuxième couche semi-conductrice et l'écran métallique lorsqu'il existe et/ou entre l'écran métallique et la gaine extérieure lorsqu'ils existent, ces couches permettant d'assurer l'étanchéité longitudinale du câble électrique à l'eau.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif.
La figure 1 représente de manière schématique une structure, en coupe transversale, d'une première variante d'un câble électrique selon l'invention.
La figure 2 représente de manière schématique une structure, en coupe transversale, d'une seconde variante d'un câble électrique selon l'invention.
La figure 3 représente de manière schématique une variante d'un procédé de fabrication d'un matériau composite selon l'invention.
La figure 4 représente deux images d'un matériau composite obtenu à l'issue de l'étape ii) selon le procédé de l'invention.
La figure 5 représente une image et une coupe transverse d'un matériau composite selon l'invention obtenu à l'issue de l'étape iii) selon le procédé de l'invention.
La figure 6 montre l'intérieur d'un matériau composite selon l'invention obtenu à l'issue de l'étape iii) selon le procédé de l'invention.
Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l’invention ont été représentés de manière schématique, et ceci sans respect de l’échelle.
La figure 1 représente une première variante d'un câble électrique 1 selon l'invention, vue en coupe transversale, comprenant un matériau composite 2 conforme au premier objet de l'invention ou obtenu selon le procédé conforme au deuxième objet de l'invention et une couche électriquement isolante 3 entourant ledit matériau composite 2.
La figure 2 représente une seconde variante d'un câble électrique 4 de transmission électrique à haute tension du type OHL selon l'invention, vue en coupe transversale, comprenant trois couches d'un assemblage 5 de brins composites 6, chaque brin composite étant constitué d'un matériau composite selon l'invention. Ces trois couches 5 entourent un élément central allongé de renforcement 7. Les brins composites 6 constitutifs desdites couches 5 ont une section transversale en forme de Z (ou en de forme « S » selon l'orientation du Z). L'élément central allongé de renforcement 7 représenté dans la figure 2 peut être par exemple des brins d'acier 8 ou des brins composites d'aluminium dans une matrice organique.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, il est possible de modifier le nombre de brins composites 6 de chaque couche 5, leur forme, le nombre de couches 5 ou encore le nombre de brins d'acier ou brins composites 8.
La figure 3 représente un dispositif 9 pouvant être utilisé pour fabriquer un matériau composite selon le procédé conforme à l'invention. Le dispositif comprend une cuve 10 destinée à contenir un bain d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu et des moyens de transport 11 servant à acheminer un élément électriquement conducteur allongé comprenant une couche d'alumine hydratée 13 vers ladite cuve 10. À l'issue de l'étape i), un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée et revêtu d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium fondu est directement refroidi à la sortie de la cuve 10, notamment à l'aide de moyens de refroidissement 12, pour obtenir une masse solide (étape ii)). Puis, la masse solide est amenée vers des moyens de laminage 14 disposés après les moyens de refroidissement 12 pour effectuer l'étape iii).
Préparation de matériaux composites conformes à l'invention et obtenus selon le procédé conforme à l'invention
Un élément électriquement conducteur en alliage d'aluminium commercialisé sous la référence AI1370 et comprenant une couche d'alumine hydratée d'épaisseur 6 pm environ a été préparé de la façon suivante :
Etapes a), b), c): pour ces étapes on a utilisé un élément électriquement conducteur en alliage d'aluminium AI1370 de 2,97 mm de diamètre. Ledit élément électriquement conducteur allongé a été décapé et dégraissé, en le plongeant dans une solution de soude et de tensio-actifs référencée GARDOCLEAN commercialisé par la société CHEMETALL (30-50 g/L de soude), à une température de 40 à 60°C environ, pendant une durée de 30 secondes environ. Puis, ledit élément électriquement conducteur allongé a été plongé dans une solution d'acide sulfurique (20% en poids d'acide sulfurique dans de l'eau distillée) pour effectuer l'étape c) de neutralisation, à température ambiante, pendant 10 secondes.
Etape i0) : on a formé une couche d'alumine hydratée d'épaisseur 6 pm environ autour de l'élément électriquement conducteur obtenu précédemment par anodisation en utilisant une densité de courant de 60 A/dm2 environ et une tension de 22V environ.
Etape ii) : on a colmaté les pores de la couche d'alumine hydratée en.
Etape i) : on a mis en contact 4 éléments électriquement conducteurs tels que préparés précédemment avec un alliage d'aluminium fondu commercialisé sous la référence AI1370 par coulée dudit alliage d'aluminium fondu sur lesdits éléments électriquement conducteurs allongés.
Pour ce faire, on a donc placé lesdits éléments électriquement conducteurs allongés dans un moule cylindrique.
Etape ii) : on a refroidi le moule à l'air à 20°C environ, pour former un cylindre solide de 37 mm de diamètre environ et de 150 mm de longueur environ.
Etape iii) : on a extrudé le cylindre à 450°C environ après avoir réchauffer le cylindre pendant 2 heures environ.
Etape iv) : on a laminé le matériau composite obtenu à l'étape iii) précédente à 20°C afin d'obtenir un matériau composite conforme à l'invention dénommé Mi ou on a tréfilé le matériau composite obtenu à l'étape iii) précédente pour former un matériau composite tréfilé M2.
Etape v) : on a recuit à 350°C pendant 2h le matériau composite laminé obtenu à l'étape iv) pour former un matériau composite M3 ou le matériau composite tréfilé M2 obtenu à l'étape iv) pour former un matériau composite M4.
A titre comparatif, on a reproduit les étapes telles que décrites ci-dessus avec un élément électriquement conducteur en alliage d'aluminium commercialisé sous la référence Al 1370 ne comprenant pas de couche d'alumine hydratée (i.e. non conforme à l'invention) pour former respectivement les matériaux non composites M'i, M'2, M3 et M'4.
Le tableau 1 ci-dessous illustre les résultats de conductivité électrique (en % IACS), de résistance mécanique à la traction (en MPa) et d'élongation à la rupture (en %) des matériaux composites Mt, M2, M3 et M4 de l'invention et à titre comparatif des matériaux ne comprenant pas d'alumine (i.e. non conformes à l'invention) M'i, M'2, M3 et M'4.
TABLEAU 1
| Conductivité (en % IACS) | Résistance mécanique à la traction (en MPa) | Élongation à la rupture (en %) | |
| Mx | 59,6 | 187 | 2 |
| M'i | 62,8 | 132 | 2 |
| m2 | 58,7 | 194 | 2 |
| M'2 | 62,9 | 138 | 2 |
| m3 | 61,3 | 96 | 19 |
| M'3 | - | 57 | 30 |
| m4 | 60,7 | 100 | 24 |
| m'4 | 63,4 | 73 | 39 |
Le matériau composite de l'invention présente donc une résistance mécanique améliorée tout en garantissant une bonne conductivité électrique pour pouvoir être utilisé comme élément électriquement conducteur allongé d'un câble électrique et/ou de télécommunications.
La figure 4 montre deux photos du matériau composite avant l'étape iii) d'extrusion et la figure 5 montre deux photos du matériau composite obtenu après extrusion l'étape iii) d'extrusion. La figure 6 montre la dispersion des particules d'alumine (en gris) au sein de la matrice d'alliage d'aluminium.
Claims (19)
- REVENDICATIONS1. Matériau composite, caractérisé en ce qu'il comprend une matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium et des particules d'alumine dispersées dans ladite matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium.
- 2. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de 1 à 10 000 ppm d'alumine.
- 3. Matériau composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente une conductivité électrique d'au moins 45% IACS.
- 4. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une résistance mécanique à la traction allant de 70 à 500 MPa.
- 5. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules d'alumine présentent une épaisseur d'au moins 0,1 pm.
- 6. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules d'alumine présentent une taille moyenne allant de 0,1 à 50 pm.
- 7. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un matériau non poreux.
- 8. Procédé de préparation d'un matériau composite comprenant une matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium et des particules d'alumine dispersées dans ladite matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :i) mettre en contact au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée, avec de l'aluminium fondu ou un alliage d'aluminium fondu, ii) former une masse solide à base d'alumine et d'aluminium, et iii) casser la couche d'alumine hydratée au sein de la masse solide, afin de former un matériau composite comprenant une matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium et des particules d'alumine dispersées dans ladite matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium.
- 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche d'alumine hydratée a une épaisseur allant de 4 à 20 pm.
- 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l'étape i) est effectuée selon l'une quelconque des méthodes suivantes :- couler de l'aluminium fondu ou un alliage d'aluminium fondu sur ledit élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée, ou- passer en continu ledit élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée à travers un bain d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu.
- 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'étape i) est effectuée en coulant de l'aluminium fondu ou un alliage d'aluminium fondu sur ledit au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée placé dans un contenant et l'étape iii) est une étape d'extrusion.
- 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'étape i) est effectuée par passage en continu dudit au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée à travers un bain d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu ou par coulée en continu d'aluminium fondu ou d'un alliage d'aluminium fondu sur au moins un élément électriquement conducteur allongé en aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant une couche d'alumine hydratée placé sur une roue de coulée, et l'étape iii) est une étape de laminage.
- 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape iv) de mise en forme du matériau composite obtenu à l'étape précédente iii), afin d'obtenir un matériau composite ayant les dimensions et la forme voulues.
- 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre après l'étape iii) ou l'étape iv), une étape v) de chauffage.
- 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre avant l'étape i), une étape i0) de formation de la couche d'alumine hydratée par anodisation.
- 16. Matériau composite, caractérisé en ce qu'il comprend une matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium et des particules d'alumine dispersées dans ladite matrice en aluminium ou en alliage d'aluminium et en ce qu'il est obtenu selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 8 à 15.
- 17. Câble électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un matériau composite tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou obtenu selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 8 à 15.
- 18. Câble selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il est un câble OHL comprenant un élément allongé de renforcement et un assemblage de brins composites positionnés autour de l'élément allongé de renforcement, chacune des brins composites étant un matériau composite tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou obtenu selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 8 à 15.
- 19. Câble selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche électriquement isolante entourant ledit matériau composite ou la pluralité de matériaux composites, ladite couche électriquement isolante comprenant au moins un matériau polymère.1/3
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