CA2264978A1 - Fil electrique et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

L'invention est relative à un fil ou câble comportant au moins un isolant résistant à la propagation de l'arc électrique autour d'au moins un conducteur. L'isolant est étanche et comporte une matrice (12) en PTFE et des fibres (141, 142, 143, ...) de renforcement mécanique, continues et de grande longueur,. L'isolant est soit sous forme de ruban, soit sous forme d'extrudat, de grande longueur. Application aux fils ou câbles d'usage aéronautique et/ou spatial.

Description

FIL ELECTRIQUE ET SON PROCEDE DE FABRICATION
L'invention est relative à un fil conducteur isolé, notamment pour applications aéronautiques et/ou spatiales. Elle concerne également un isolant pour un tel fil ainsi que son pro-cédé de fabrication.
Les fils et les câbles électriques doivent satisfaire un certain nombre de conditions qui dëpendent de leur utili-sation.
Les applications aéronautiques et/ou spatiales imposent des conditions sévères. En particulier, l'isolant doit présenter des propriétës de résistances mécaniques déterminées.
Ces propriétés sont la résistance à la coupure, la résistance à
l'abrasion par raclage et la résistance à l'abrasion fil à fil.
La résistance à la coupure se mesure par la force minimale qu'il est nécessaire d'exercer, à une température déterminée, sur un isolant, à l'aide d'un outil coupant de forme normalisée, pour atteindre le conducteur.
La résistance à l'abrasion par raclage se mesure à
l'aide d'une aiguille de diamètre 0,5 mm environ qu'on applique sur l'isolant perpendiculairement à l'axe du fil avec, selon les normes, une force de 5008 à 1Kg et qu'on déplace dans un sens et dans l'autre sur une partie du fil. Le résultat s'exprime par le nombre minimal de cycles, c'est-à-dire d'allers et retours de l'aiguille, à l'issue desquels le conducteur est mis à nu.
La résistance à l'abrasion fil à fil se mesure à
l'aide d'un essai qui consiste à faire frotter un premier fil tendu contre un second fil tendu, le premier fil se déplaçant transversalement au second. Là aussi, le résultat s'exprime par le nombre minimal de cycles (allers et retours) au bout desquels les deux conducteurs sont mis à nu.
Une autre condition que doit satisfaire un fil ou câble électrique pour application aéronautique ou spatiale est que l'isolant ait_une sensibilité minimale à la propagation de l'arc électrique.
On sait qu'un arc électrique se produit entre deux fils voisins quand les conducteurs correspondants sont mis en

2 court-circuit, soit par un électrolyte, .soit par un élément métallique. Lorsque l'isolant du fil est principalement constitué de résine polyamide, l'arc électrique provoque une pyrolyse locale de la résine et, de ce fait, crée un chemin carboné entre les conducteurs, ce qui facilite le passage de l'arc électrique. Le phénomène s'amplifie ainsi de lui-même et peut entraîner la destruction du faisceau dans lequel se trouvent les deux f ils concernés .
Malgré cet inconvénient, on utilise quand même de la résine polyamide pour isoler les fils et câbles électriques pour applications aéronautiques car l'isolant polyamide prësente les meilleures caractéristiques de résistance mécanique. Toutefois, pour améliorer la résistance à la propagation de l'arc électrique tout en conservant les avantages de résistance mécanique du polyamide, il est connu d'utiliser une combinaison de ruban polyamide et de ruban en polytétra-fluoréthylène (PTFE), la résistance à la propagation de l'arc électrique étant d'autant plus importante que la quantité de PTFE est importante, car le défaut de propagation de l'arc électrique ne se produit pas avec le PTFE. Mais ce gain en résistance à la propagation de l'arc entraîne une diminution corrélative des propriétés de résistance mécanique.
Par ailleurs, le polyamide est un matériau très oné
reux, au moins de l'ordre de quatre fois plus que le PTFE. Le prix du polyamide est encore plus élevé s' il présente des pro priétés de résistance à l'hydrolyse.
L'invention permet de réaliser un fil ou câble élec-trique pour usage aéronautique et/ou spatial comportant un iso-lant présentant des qualités de résistance mécanique comparables à celles des isolants connus mais d'un prix sensiblement moins élevé et avec de bonnes propriétés de résistance à la propagation de l'arc électrique.
Le fil ou câble selon l'invention comprend un isolant résistant à la propagation de l'arc électrique autour d'un conducteur, caractérisé en ce que l'isolant est étanche et . CA 02264978 1999-03-29

3 comprend une matrice, ou base, en polymère PTFE et des fibres de renforcement mécanique, continues et de grande longueur,.
Les fibres seront choisies de façon à assurer la résistance mécanique nécessaire pour l'isolant du conducteur, c'est-à-dire la résistance à la coupure et la résistance â
l'abrasion (par raclage et fil à fil). Elles sont continues (non coupées).
Ces fibres peuvent être choisies dans le groupe comprenant . les fibres méta aramides ou para-aramides, les fibres polyamides-amides, les fibres de carbone, les fibres polyamides , les fibres PTFE. Les fibres de verre peuvent également être utilisées si une faible résistance de l'isolant à
l'abrasion par raclage suffit. On peut utiliser soit un seul type de fibres, soit une combinaison de plusieurs types de fibres.
Sauf si la fibre est en polyamide, le risque de propa gation de l'arc électrique est pratiquement éliminé. Dans le cas où les fibres sont en polyamide, ce risque est, de toute façon, considérablement diminué du fait de la diminution de la quantité
de polyamide.
En outre, le fil selon l'invention est moins onéreux qu'un fil classique. En effet, les fibres de renforcement ont souvent un coût bien moindre que le polyamide ou que le PTFE.
Par exemple le prix au kilogramme d'une fibre de polyamide-amide est environ quatre fois moins important que le prix au kilogramme du PTFE.
L'isolant est réalisé de préférence sous forme de ruban de grande longueur (typiquement plusieurs milliers de mètres) enroulé autour du conducteur.
En variante, l'isolant est extrudë en grande longueur (typiquement plusieurs milliers de mètres) autour du conducteur du fil, et donc il est sous forme d'un extrudat de grande longueur.
Dans le cas où l'isolant est un ruban, les fibres sont avantageusement dans la direction longitudinale du ruban.

4 Le taux de recouvrement entre spires du ruban est par exemple compris entre 10 et 70%, de préférence entre 10 et 50%.
Le ruban renforcé présente des caractéristiques d'étanchéité, d'isolation et de résistance mécanique suffisantes pour être utilisé seul sur le conducteur. L'étanchéité se mesure par exemple sous pression atmosphérique par la possibilité qu'a le câble formé de l' isolant autour d' une âme de ne pas laisser pénétrer un~fluide tel que l'eau radialement, les extrémités dudit câbles étant émergées et le reste du câble étant immergé, au moins pendant quelques heures, par exemple quelques douze heures. Ainsi l'étanchéité se mesure par exemple par le test de tenue en tension suivant la norme NF C 93523 ou toute norme équivalente (qui correspond à une immersion de 12 heures), ou bien par le test de tenue en tension suivant le norme ASTM
D 3032 voire ASTM D 149.
Toutefois, il peut s'avérer nécessaire de disposer un autre ruban de PTFE autour du ruban à matrice ou base de PTFE
renforcée par des fibres afin d'uniformiser la surface extérieure du fil. En effet, les fibres sont susceptibles de créer, sur la surface extérieure du fil, des irrégularités d'un aspect inacceptable. Le ruban PTFE extérieur a par exemple une épaisseur comprise entre 50 et 100 ~,m et un taux de recouvrement entre spires compris entre 20 et 70%.
Dans un mode de réalisation, le conducteur est de jauge 20, c'est-à-dire présente une section de 0,6 mm2, et le ruban, à matrice ou base de PTFE renforcée par des fibres, prêsente une épaisseur de 50 gym. Les fils conducteurs connus de jauge 20 comportent habituellement quatre couches d'un ruban isolant en polyamide d'épaisseur 30 ~.m environ. Ainsi, si on ne prend~pas de précaution particulière, le fil selon l'invention sera sensiblement plus lourd que le fil classique, d'autant plus que la densité du_PTFE fritté (qui est de 2,2) est supérieure à
la densité (1,5 à 1,8) du polyamide. Dans ces conditions, pour limiter le poids du fil conducteur équipé de ruban isolant selon l'invention, on aura intérêt à prévoir un taux de recouvrement entre spires du ruban qui soit relativement faible, par exemple de l'ordre de 10 à 20%.
Les fibres peuvent être utilisées sans lien les unes avec les autres, ou peuvent être utilisêes sous une forme orga

5 nisée telle qu'un ruban non tissé.
Dans un mode de réalisation, les fibres sont noyées dans la matrice de PTFE.
Dans un autre mode de réalisation, les fibres sont incrustées à la surface de la matrice, ou base, de PTFE.
Le conducteur est par exemple en cuivre ou en alliage de cuivre ou en alliage d'aluminium et est recouvert avanta-geusement d'étain, d'argent ou de nickel.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels .
la figure 1 est un schéma d'un ruban selon l'invention, la figure 2 est un schéma analogue à celui de la figure 1, mais pour une variante, la figure 3 est un schéma en coupe d' un fil ou câble selon l'invention, les figures 4 et 4a sont des schémas illustrant un procêdé de fabrication d'un ruban du type de celui de la figure 1 ou de la figure 2, la figure 5 est un schéma illustrant un autre mode de réalisation de ruban selon l'invention et son procédé de fabri-cation, et La figure 6 est un schéma montrant un ruban enroulé
conformément à l'invention.
Dans les modes de réalisation de l'invention que l'on va décrire en relation avec les figures, l'isolant d'un conducteur pour fil d'usage aéronautique et/ou spatial est sous forme d'un nzban comprenant, d'une part, une matrice, ou base, de PTFE et, d'autre part, des fibres de renforcement mécanique. L'invention

6 représentée concerne alors un tel ruban ainsi qu'un fil conducteur ou câble, notamment pour application aéronautique ou spatiale, équipé d'un tel ruban. Elle concerne aussi un procédê
de fabrication d'un tel ruban et d'un fil équipé de ce ruban.
Dans les exemples représentés sur les figures 1 et 2, les fibres continues et de grande longueur (typiquement plusieurs milliers de mètres) sont noyées dans une matrice de PTFE et dans la variante reprêsentée sur la figure 5, lesdites fibres sont incrustées à la surface d'une base de PTFE.
Quel que soit le mode de réalisation, on choisira de préférence des fibres qui s'étendent dans la direction longitudinale du ruban et qui présentent des propriétés de résistance mécaniques telles que le ruban ainsi formé ait une résistance â la coupure et une résistance à l'abrasion par raclage aussi élevées que possible et, de préférence, comparable aux propriétés analogues des rubans polyamides connus. Ainsi pour une mesure faite sur un conducteur comprenant un fil d'âme conductrice de section 0,6 mm2 et un isolant sur cette âme en une épaisseur radiale de 120 gym, l'abrasion fil à fil est typiquement de l'ordre de 6 millions de cycles, l'abrasion par raclagé ést typiquement de l'ordre de 100 cycles pour une force de 0,8 kg, et la résistance à la coupure, à la température ambiante soit 20°C ~ 5°C, avec une aiguille de diamêtre 0,5 mm, est de l'ordre de 10 kgs.
Pour obtenir ces propriétés de résistance mécanique de l'isolant du conducteur, on choisira de préférence des fibres ayant un haut module d'élasticité en traction, généralement de 2 à 80 N/Tex (où le Tex est le poids de la fibre en g/km).
Dans un exemple, on fait appel à des fibres de polyamide-amide telles que des fibres Kezmel de la société
Rhodia. Une fibre de ce type est habituellement constituée par un ensemble de 20.0 à 300 fibres ayant chacune un diamètre de l'ordre de 5 ou 10 ~.m.
Dans un autre exemple, on utilise des fibres méta 3 5 aramides telles que celles connues sous la marque Nomex ou des

7 fibres para-aramides connues sous les marques Kevlar et Twaron des sociétés Dupont de Nemours et Akzo. On rappelle ici qu'un aramide est un polyamide aromatique.
On peut également faire appel à des fibres de carbone, des fibres en polyimide, et, éventuellement, des fibres en PTFE.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le ruban 10 comporte une matrice 12 de PTFE dans laquelle sont noyées des fibres polyamide-imide 141, 142, 143, etc. Ces fibres sont sans lien les unes avec les autres. Toutefois, elles s'étendent sur une très grande longueur dans la direction longitudinale - représentée par la flèche F - du ruban 10. Dans cet exemple, l'épaisseur du ruban est d'environ 50 ~,m et sa largeur de l'ordre de 350 mm lors de sa fabrication. Après fabrication, le ruban est découpé longitudinalement en rubans de largeurs de 4 à 15 mm environ chacun.
Le mode de réalisation représenté sur la figure 2 se distingue de celui décrit en relation avec la figure 1 par le fait qu'on utilise des fibres polyamide-imide 141, 142, 143, etc. sous forme de ruban non tissé, c'est-à-dire que lesdites fibres sont organisées selon des fils de trame parallèles 141, 142, 143,... et sont assemblées par des fils transversaux de chaîne 161 (un seul fil de chaîne a été représenté sur la figure 2). De façon en soi connue, la distance entre deux fils voisins de chaîne est nettement plus importante que la distance entre deux fils voisins de trame 141, 142.
On a représenté sur la figure 3 une coupe d'un fil 20 présentant un conducteur central 22 composé d'une pluralité de brins 211, 212 etc., sur lequel est appliqué un ruban 10 avec un taux de recouvrement de l'ordre de 20% d'une spire à l'autre.
Le taux de recouvrement est le rapport entre, d'une part, la largeur 1 de recouvrement de deux spires 26 et 28 (figure 5) du ruban enroulé sur le conducteur et, d'autre part, la largeur totale L du ruban. De cette manière, le long du fil on aura soit une simple épaisseur du nzban soit une double épaisseur, la double épaisseur n'apparaissant que sur environ

8 20% de la longueur. De façon générale, le taux de recouvrement sera compris entre 10 et 50%. Toutefois, on a intérêt à
minimiser ce taux de recouvrement de façon à limiter le poids du fil et son diamètre extérieur.
Le ruban 10 est recouvert par un autre ruban 30 en PTFE de type conventionnel d'épaisseur comprise entre 30 et 100 ~,m. Ce niban 30 est enroulé dans le sens contraire du ruban 10, et avec un taux de recouvrement compris entre 20 et 70 %.
On décrira ci-après en relation avec les figures 4 et 4a, un procédé de fabrication du ruban des figures 1 et 2.
Préalablement aux étapes de fabrication correspondant aux figures 4 et 4a, on effectue un traitement de surface des fibres de façon à améliorer la liaison, ou adhérence, entre ces dernières et la matrice de PTFE. A cet effet, on enduit les fibres d'une dispersion aqueuse de PTFE. Le PTFE en solution aqueuse est sous forme de fines particules dont chacune a des dimensions de l'ordre de 0,1 ~,m.
A la place, ou en plus, de cette enduction des fibres, on peut aussi prévoir un traitement par effet Corona. De façon en soi connue, le traitement par effet Corona consiste à faire circuler une fibre entre deux électrodes entre lesquelles on crée un arc électrique. Le plasma de l'arc électrique effectue un traitement de surface de la fibre qui aide à son adhérence ultérieure au PTFE dans lequel elle sera noyée ou sur lequel elle sera incrustée.
Après cette enduction des fibres et/ou le traitement par effet Corona, les fibres et le PTFE sont introduits dans une extrudeuse pour PTFE fonctionnant selon un procédé dit de "pul-trusion" . Le PTFE non fritté en poudre est mélangé à un lubri-fiant tel qu'un hydrocarbure, ce mélange formant un ensemble pâteux appelé "préforme".
L'appareil de pultrusion comporte, tout d'abord, un dispositif de guidage 32 dans lequel les fibres sont introduites longitudinalement en même temps que le mélange pâteux.

9 Ensuite, les fibres sont tirêes et le mélange pâteux est poussé sous haute' pression et à température de l'ordre de 40°C, dans une filière plate 34 qui réduit la section de l'en-semble pour atteindre une épaisseur de ruban de l'ordre de 60 ~.m. Après passage dans la filière 34, le ruban subit au poste de cuisson 36 une cuisson à une température inférieure ou égale à 250°C destinée à faire évaporer le lubrifiant. L'effort de traction à la sortie du poste 32 ou 34 permet d'installer les fibres en direction longitudinale. Après le poste 36, le ruban est introduit dans un poste de calandrage 38 qui est représenté
schématiquement sur la figure 4a. Le calandrage consiste à
réduire l'épaisseur du ruban formé précédemment de façon à
ramener son épaisseur de 60 à 50 ~,m par exemple. Cette opération s'effectue, en général, à chaud. Elle consiste, de façon classique, à prévoir deux rouleaux 40 et 42 entre lesquels passe le ruban 44 dont on veut diminuer l'épaisseur.
Enfin, le nzban 10 ainsi fabriqué est enroulé sur un tambour 46, puis découpé longitudinalement comme mentionné ci-dessus.
Pour fabriquer le fil 20 (figure 3), on enroule le ruban à base de PTFE non fritté ainsi fabriqué autour du conducteur 22 avec, comme mentionné ci-dessus, un taux de recouvrement de préférence de l'ordre de 20%, puis on enroule le ruban 30 en PTFE non fritté autour de ce ruban 10 en sens contraire. L'ensemble ainsi formé, qui comporte du PTFE non fritté, est alors soumis à une opération de frittage qui consiste en un chauffage à une température d'au moins 342°C
pendant environ 1 minute. Cette opération de frittage du PTFE
augmente la densité de ce dernier, solidarise entre elles les différentes couches de rubans, et modifie la structure cristalline du polymère PTFE. Enfin, le frittage chasse l'air résiduel emprisonné par les rubans de PTFE non frittés.
Dans la variante représentée sur la figure 5, le ruban 50 est formé par l'incrustation, par pression, de fibres 52 à la surface d'un ruban 54 de PTFE non fritté dont l'épaisseur est comprise entre 25 et 40 ~,m. A cet effet, on part d'un ruban de fibres 52 disposées en ruban non tissé de grande longueur et préalablement enduites d'une dispersion aqueuse de PTFE et/au soumises à un traitement par effet Corona comme décrit ci-5 dessus. Ce traitement préalable est particulièrement utile dans cette réalisation, car les pressions exercées entre le ruban 54 de PTFE et le ruban de fibres 52 sont sensiblement moins importantes que dans le procédé décrit en relation avec les figures 4 et 4a.

10 Après le traitement des fibres, le ruban 52 de fibres non tissé est appliqué sur le ruban PTFE 54 et l'ensemble est calandré à chaud comme décrit avec la figure 4a. La pression exercée entre les rouleaux de calandrage 56 et 58 incruste les fibres dans la surface du ruban 54, formant ainsi le ruban 50.
En variante (non représentée), le ruban non tissé 52 est disposé entre 2 rubans de PTFE.
Quel que soit le mode de réalisation, le ruban à base de PTFE non fritté qui est ainsi formé est enroulé autour du conducteur du fil comme décrit avec les autres modes de réalisation.
Bien qu'on ait le plus souvent intérêt à minimiser le taux de recouvrement du ruban de façon à limiter le poids du conducteur formé, il peut se produire qu'on ait, au contraire, intérêt à l'augmenter de façon à améliorer les résistances mécaniques de l'isolant ainsi formé. Également pour optimiser les performances mécaniques, on peut associer deux rubans selon l'invention ayant chacun un taux de recouvrement de l'ordre de 20 à 30% ; autrement dit, dans le mode de réalisation représenté
sur la figure 3, on peut remplacer le ruban de PTFE 30 par un autre ruban selon l'invention.

Claims (24)

1. Fil ou câble comportant au moins un isolant résistant à la propagation de l'arc électrique autour d'au moins un conducteur, caractérisé en ce que l'isolant est étanche et comprend une matrice (12), ou base (54), en polymère polytétra-fluoréthylène PTFE et des fibres de renforcement mécanique (14 1, 14 2, ... 52) continues et de grande longueur,.

2. Fil ou câble selon la revendication 1, caractérisé
en ce que les fibres (14 1, 14 2, ... ) sont noyées dans une matrice (12) de PTFE.

3. Fil ou câble selon la revendication 1, caractérisé
en ce que les fibres (52) sont incrustées à la surface de la base (54) de PTFE.

4. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'isolant présente la forme d'un ruban de grande longueur.

5. Fil ou câble selon la revendication 4, caractérisé
en ce que le taux de recouvrement des spires du ruban est compris entre 10 et 70%, de préférence entre 10 et 50%.

6. Fil ou câble selon la revendication 5, caractérisé
en ce que le taux de recouvrement des spires du ruban est de l'ordre de 20%.

7. Fil ou câble selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le ruban a une épaisseur de l'ordre de 50 µm.

8. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'isolant est sous forme d'un extrudat de grande longueur.

9. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres de renforcement mécanique (14 1, 14 2, ... 52) forment un ruban non tissé.

10. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les fibres de renforcement mécanique (14 1, 14 2, ... 52) sont disposées dans la matrice ou sur la base sans lien les unes avec les autres.

11. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres de renforcement mécanique (14 1, 14 2, ... 52) présentent un haut module d'élasticité.

12. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le PTFE est du PTFE non fritté.

13. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres de renforcement sont choisies dans le groupe comprenant : les fibres méta-aramides, les fibres para-aramides, les fibres polyamidesimides, les fibres de carbone, les fibres polyamides et les fibres PTFE.

14. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conducteur est en cuivre ou alliage de cuivre ou alliage d'aluminium et est, de préférence, revêtu d'étain, d'argent, ou de nickel.

15. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'isolant est recouvert par un isolant de PTFE (30), par exemple sous forme de ruban d'épaisseur de l'ordre de 50 à 100 µm enrubanné avec un coefficient de recouvrement entre spires compris entre 20 et 70%.

16. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'isolant est disposé
directement contre le conducteur (22).

17. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'isolant est dépourvu de polyamide.

18. Fil ou câble selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte deux rubans se recouvrant.

19. Application d'un fil ou câble selon l'une quelconque des revendications précédentes à un usage en aéronautique et/ou spatial.

20. Ruban isolant à base de PTFE selon l'une des revendications 4 à 7 comportant une matrice, ou base, en polymère PTFE non fritté et des fibres de renforcement mécanique, continues et de grande longueur, orientées sensiblement dans le sens longitudinal dudit ruban.

21. Procédé de fabrication d'un ruban selon la revendication 20, caractérisé en ce que les fibres étant noyées dans la matrice de PTFE, on fait appel à un procédé de pultrusion qui consiste en une extrusion pâteuse de PTFE et en une traction simultanée sur les fibres.

22. Procédé de fabrication d'un ruban selon la revendication 20, caractérisé en ce que les fibres étant incrustées dans la base de PTFE, on applique par calandrage à chaud et sous pression des fibres contre une surface de ruban de PTFE.

23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'on choisit un ruban de PTFE non fritté d'épaisseur comprise entre 25 et 40 µm.

24. Procédé de fabrication d'un ruban selon la revendications 21 à 23, caractérisé en ce qu'avant l'assemblage de la matrice, ou base, aux fibres, on fait subir un traitement aux fibres pour améliorer l'adhérence de ces dernières au PTFE, ce traitement consistant en une enduction d'une solution aqueuse de PTFE et/ou en un traitement à effet Corona.