Matériau composite isolant thermique Les calorifuges usuels sont constitués par des matériaux peu conducteurs à l'état divisé, au sein desquels on s'efforce d'emprisonner des couches d'air. Ces matériaux comprennent entre autres des argiles et des terres réfractaires, l'amiante, le kie- selguhr, le feutre, la sciure de bois, le liège, la fibre de verre.
Les coefficients de conductibilité thermique exprimés en cal/cm/s/oC ont les ordres de grandeur suivants
EMI0001.0015
- <SEP> liège <SEP> ... <SEP> .. <SEP> 40 <SEP> <B>-10-4</B>
<tb> sciure <SEP> .. <SEP> . <SEP> . <SEP> ... <SEP> 14 <SEP> - <SEP> 10-4
<tb> - <SEP> feutre <SEP> . <SEP> .... <SEP> <B>8,5-</B> <SEP> 10-4 Beaucoup de ces matériaux ne peuvent cependant pas être utilisés à des températures élevées, supérieu res à 500C par exemple, et il est alors fait appel à des oxydes réfractaires peu conducteurs.
On rappelle ci-dessous l'ordre de grandeur des coefficients de conductibilité thermique des princi paux oxydes réfractaires, exprimés en cal/cm/s/OC
EMI0001.0021
Be0 <SEP> 450. <SEP> 10-4
<tb> A103 <SEP> <B>300-10-1</B>
<tb> <B>MgO</B> <SEP> . <SEP> .... <SEP> .. <SEP> . <SEP> 180. <SEP> 10 SiOo <SEP> <B>160.</B> <SEP> 10-4
<tb> ZrO;
, <SEP> .. <SEP> . <SEP> . <SEP> 43 <SEP> . <SEP> 10-4 Le problème s'est posé de posséder un matériau qui aurait un pouvoir isolant au moins égal à celui du liège et qui pourrait supporter des températures élevées en gardant un pouvoir isolant élevé.
D'autre part, ce matériau devait pouvoir être mis en forme commodément.
La présente invention a pour objet un matériau composite isolant thermique à très faible conductibi- lité thermique même à des températures élevées, et possédant une bonne aptitude à la déformation.
Ce matériau est caractérisé par au moins une couche se présentant sous forme d'une feuille ou d'un ruban, chaque couche dont l'épaisseur est au plus de 0,2 mm étant formée d'un film métallique et, sur une face ou sur les deux faces de celui-ci, d'un film d'oxyde dur ou mou, continu et adhérent au métal sous-jacent. Dans une forme d'exécution de l'invention,
le matériau isolant est formé par un empilement de feuilles d'aluminium oxydées anodi- quement suivant des techniques bien connues.
Dans une autre forme d'exécution de l'invention, le matériau isolant est constitué par un empilement de feuilles de nickel oxydées anodiquement.
Le film continu peut être non, poreux ou poreux. L'aptitude du matériau à la déformation est due à la plasticité des films métalliques; l'épaisseur de ceux-ci est comprise entre quelques centièmes de millimètre et un à deux dixièmes de millimètre. Cha que film métallique est constitué par des feuilles de métaux, ou d'alliages, ou de métaux élaborés à par tir de poudres frittées.
Le film d'oxyde est également très mince; son épaisseur peut être plus faible ou plus forte que celle du film métallique. Le métal de l'oxyde peut être d'une nature différente de celle du métal sur lequel adhère le film d'oxyde.
On a intérêt à réaliser, pour une épaisseur totale donnée de matériau composite, un nombre élevé de couches métal-oxyde et, à cet effet, à utiliser des feuilles métalliques très minces.
Pour certains métaux, la fabrication de feuilles très fines est assez délicate; par exemple, avec. le magnésium, on em ploie des feuilles dont l'épaisseur est de 2/10o à 3/10o de millimètre que l'on obtient à la manière de copeaux à l'aide de fraises appropriées (l'obtention de feuilles de magnésium aussi fines étant impossible par les techniques de laminage).
Le film d'oxyde est compact; un filin. d'oxyde pulvérulent ne convient pas, à moins qu'il ne soit possible de le transformer en une couche continue. Il peut être dur ou mou.
Les faces du film d'oxyde peuvent être lisses ou non lisses, ces qualités étant considérées à l'échelle de l'épaisseur du film; le film d'oxyde adhère au métal<B>;</B> ceci est particulièrement facile à réaliser lors que le film d'.oxyde a été obtenu par oxydation du métal sous-jacent;
il peut même y avoir dans ce cas continuité de structure entre le métal et l'oxyde (c'est le cas pour l'aluminium).
Dans le cas où chaque couche n'est constituée que d'un film métallique et d'un film d'oxyde, l'adhé rence entre les différentes couches se fait par le con tact de la surface du film d'oxyde d'une couche et de la surface du film métallique de la couche sui vante;
l'adhérence est moins bonne que celle qui résulte de la juxtaposition d'un film métallique et du film d'oxyde obtenu par oxydation de ce film, mais elle est suffisante pour obtenir la cohésion des diffé rentes couches du matériau et pour assurer son pou voir isolant élevé.
Quand les couches isolantes sont constituées par un film métallique entouré sur chacune de ses faces par un film d'oxyde, on a alors deux films d'oxyde en regard entre deux films métalliques consécutifs du matériau<B>;</B> le pouvoir isolant du matériau dépend en partie de la nature du contact entre les surfaces en regard de ces deux films d'oxyde ; si ces surfaces sont lisses, le pouvoir isolant .est relativement moins élevé ;
si celles-ci ne sont pas lisses, on aura sur ces surfaces à l'échelle microscopique des dents, lesquel les permettront l'adhérence des deux films et la rétention de bulles gazeuses (généralement de l'air) entre ces dents, cc qui aura pour effet d'augmenter le pouvoir isolant au niveau de ce contact.
Le matériau composite permet des isolements thermiques à des températures relativement élevées, supérieures à 5000C (cas de feuilles d'aluminium oxydées) et dans certains cas supérieures à 1000(,C (cas de feuilles de nickel oxydées) ; les isolements à ces températures restent supérieurs à ceux qu'on obtient à la température ambiante et aux basses tem pératures avec du liège expansé pur.
Le matériau composite comprend un certain nombre de couches oxyde-métal: avec un empile ment de cinq couches, on a déjà un isolement très intéressant. Le matériau peut revêtir l'aspect de feuilles, rubans ou bandes, chaque feuille, ruban ou bande étant composé d'un nombre variable de cou ches oxyde-métal empilées.
Les feuilles pourront être utilisées pour isoler des panneaux. On pourra utiliser plusieurs fois l'épais seur du matériau en juxtaposant plusieurs feuilles pour former une plaque.
Les bandes ou rubans peuvent être utilisés, par exemple, pour isoler des tubes par enroulement héli coïdal avec ou sans chevauchement d'un ou plusieurs bandes ou rubans.
L'empilement des différentes couches métal- oxyde peut être réalisé seulement lorsque l'on entoure l'objet à isoler;
on met alors en oeuvre soit une feuille ou bande ou ruban élémentaire unique métal-oxyde de façon à former plusieurs couches, par exemple par pliage ou par enroulement de la couche précédente à chaque tour, soit successivement plusieurs feuilles ou bandes, ou rubans élémentaires de façon à former également plusieurs couches, par exemple par enroulement.
L'aptitude à la déformation du matériau permet une mise en forme commode des feuilles, bandes ou rubans.
Dans une réalisation particulière de l'invention, le matériau composite est formé par empilement de feuilles d'aluminium, d'alliages d'aluminium ou de frittés d'aluminium oxydés anodiquement sur leurs deux faces. Sous forte pression, de l'ordre de 25 atmosphères, et à une température de l'ordre de 500C,
le matériau présente encore un très bon iso lement caractérisé pair un coefficient de conductibi- lité thermique de 4 - 10-4 cal/cm/s/oC.
Ce grand pouvoir d'isolement thermique joint à une faible section efficace d'absorption des neutrons rend ce matériau particulièrement intéressant dans les réacteurs nucléaires.
Dans une autre forme d'exécution, le matériau composite est constitué de feuilles de nickel oxy dées : ce matériau garde un très bon: pouvoir isolant ainsi qu'une bonne tenue mécanique à des tempéra tures élevées de l'ordre de 1000 C.
En se référant aux figures schématiques 1 à 3 ci-jointes, on va décrire ci-après divers exemples donnés, à titre non limitatif, de mise en oeuvre du matériau composite isolant thermique à très faible conductibilité thermique, même à des températures élevées, et possédant une bonne aptitude à la défor mation.
Les exemples I et Il sont relatifs à des matériaux composites formés par l'empilement de feuilles d'alu minium oxydées sur leurs deux faces ; le coefficient de conductibilité thermique à une température d'en viron 500C, a une valeur de l'ordre de 4 .10-4 cal/ cm/s/oC.
Le matériau composite du premier exemple est formé de cinq feuilles ; celui du second exemple de dix feuilles.
La fig. 1 représente les courbes donnant, en fonc tion de la pression, la chute totale de température à travers chacun de ces matériaux pour un flux de chaleur de 10 W/cm2. <I>Exemple 1:</I> 5 feuilles d'aluminium fritté SAP d'épaisseur ini tiale égale à 120-130 #t ont été oxydées anodiquement sur leurs deux faces : l'épaisseur des films d'oxyde est de 50 R,.
Le pouvoir d'isolement thermique du matériau obtenu par l'empilement de ces cinq feuilles est très bon, bien que l'épaisseur du matériau soit faible (en viron 0,7 mm) : on voit sur la fig. 1 que la chute de température est de l'ordre de 300C pour une pres- Sion de 1 kg/cm;' et de 2001)C pour une pression de 25 kg/cm'.
<I>Exemple II:</I> 10 feuilles d'aluminium oxydées obtenues de la même façon que dans l'exemple 1 sont empilées ; le matériau composite obtenu a une épaisseur d'environ 1,5 mm et l'on voit, en se référant à la fig. 1, qu'il permet un isolement correspondant à une chute de température de l'ordre de 500 C pour une pression de 1 kg/cm2 et de 3500C pour une pression de 25 kg/cm .
La fig. 2 représente une plaque isolante 1 formée par l'empilement d'une vingtaine de feuilles élémen taires oxyde-métal.
La fig. 3 représente un tube 2 que l'on isole au moyen d'un ruban 3 que l'on enroule avec chevau chement des différentes spires (recouvrement à cha que tour égal à 1/5 de la largeur du ruban), ce ruban étant lui-même constitué par une ou plusieurs feuilles métal-oxyde de façon à réaliser un empilement de 5, 10, ou 15, etc., couches métal-oxyde.
Thermal insulating composite material The usual heat insulators consist of poorly conductive materials in the divided state, within which an effort is made to trap layers of air. These materials include inter alia clays and refractory earths, asbestos, kie-selguhr, felt, sawdust, cork, fiberglass.
The coefficients of thermal conductivity expressed in cal / cm / s / oC have the following orders of magnitude
EMI0001.0015
- <SEP> cork <SEP> ... <SEP> .. <SEP> 40 <SEP> <B> -10-4 </B>
<tb> sawdust <SEP> .. <SEP>. <SEP>. <SEP> ... <SEP> 14 <SEP> - <SEP> 10-4
<tb> - <SEP> felt <SEP>. <SEP> .... <SEP> <B> 8,5- </B> <SEP> 10-4 However, many of these materials cannot be used at high temperatures, above 500C for example, and poorly conductive refractory oxides are then used.
The order of magnitude of the thermal conductivity coefficients of the main refractory oxides, expressed in cal / cm / s / OC, is recalled below.
EMI0001.0021
Be0 <SEP> 450. <SEP> 10-4
<tb> A103 <SEP> <B> 300-10-1 </B>
<tb> <B> MgO </B> <SEP>. <SEP> .... <SEP> .. <SEP>. <SEP> 180. <SEP> 10 SiOo <SEP> <B> 160. </B> <SEP> 10-4
<tb> ZrO;
, <SEP> .. <SEP>. <SEP>. <SEP> 43 <SEP>. <SEP> 10-4 The problem arose of having a material which would have an insulating power at least equal to that of cork and which could withstand high temperatures while keeping a high insulating power.
On the other hand, this material had to be able to be shaped conveniently.
The present invention relates to a thermal insulating composite material with very low thermal conductivity even at high temperatures, and having good deformation ability.
This material is characterized by at least one layer in the form of a sheet or a tape, each layer, the thickness of which is at most 0.2 mm, being formed of a metallic film and, on one side or on both sides thereof, a hard or soft oxide film, continuous and adherent to the underlying metal. In one embodiment of the invention,
the insulating material is formed by a stack of aluminum foils oxidized anodically according to well known techniques.
In another embodiment of the invention, the insulating material consists of a stack of anodically oxidized nickel sheets.
The continuous film can be non-porous or porous. The suitability of the material for deformation is due to the plasticity of the metal films; the thickness of these is between a few hundredths of a millimeter and one to two tenths of a millimeter. Each metallic film consists of sheets of metals, or alloys, or metals produced by firing sintered powders.
The oxide film is also very thin; its thickness may be smaller or greater than that of the metal film. The metal of the oxide may be of a different nature from that of the metal to which the oxide film adheres.
It is advantageous to produce, for a given total thickness of composite material, a large number of metal-oxide layers and, for this purpose, to use very thin metal sheets.
For some metals, the manufacture of very thin sheets is quite delicate; for example, with. magnesium, we use sheets with a thickness of 2 / 10o to 3 / 10o of a millimeter, which is obtained in the manner of chips using appropriate cutters (obtaining sheets of magnesium as thin being impossible by rolling techniques).
The oxide film is compact; a rope. oxide powder is not suitable, unless it is possible to transform it into a continuous layer. It can be hard or soft.
The faces of the oxide film may or may not be smooth, these qualities being considered on the scale of the thickness of the film; the oxide film adheres to the metal <B>; </B> this is particularly easy to achieve when the oxide film has been obtained by oxidation of the underlying metal;
in this case there may even be continuity of structure between the metal and the oxide (this is the case for aluminum).
In the case where each layer consists only of a metal film and an oxide film, the adhesion between the different layers is effected by the contact of the surface of the oxide film with a layer and the surface of the metal film of the next layer;
the adhesion is less good than that which results from the juxtaposition of a metal film and the oxide film obtained by oxidation of this film, but it is sufficient to obtain the cohesion of the different layers of the material and to ensure its longevity. see high insulation.
When the insulating layers consist of a metal film surrounded on each of its faces by an oxide film, there are then two oxide films facing each other between two consecutive metal films of the material <B>; </B> the power insulation material depends in part on the nature of the contact between the facing surfaces of these two oxide films; if these surfaces are smooth, the insulating power is relatively lower;
if these are not smooth, we will have on these surfaces on a microscopic scale teeth, which will allow the adhesion of the two films and the retention of gas bubbles (generally air) between these teeth, which will have the effect of increasing the insulating power at this contact.
The composite material allows thermal insulation at relatively high temperatures, greater than 5000C (in the case of oxidized aluminum foils) and in certain cases greater than 1000 (, C (in the case of oxidized nickel foils); the insulation at these temperatures remains higher than those obtained at room temperature and at low temperatures with pure expanded cork.
The composite material comprises a certain number of oxide-metal layers: with a stack of five layers, there is already a very interesting insulation. The material may take on the appearance of sheets, ribbons or bands, each sheet, ribbon or band being composed of a varying number of stacked oxide-metal layers.
The sheets can be used to insulate panels. The thickness of the material can be used several times by juxtaposing several sheets to form a plate.
The bands or tapes can be used, for example, to insulate tubes by helical winding with or without the overlap of one or more bands or ribbons.
The stacking of the various metal-oxide layers can be achieved only when the object to be isolated is surrounded;
one then implements either a single elementary metal-oxide sheet or strip or tape so as to form several layers, for example by folding or by winding the preceding layer on each turn, or successively several sheets or strips, or elementary ribbons of so as to also form several layers, for example by winding.
The deformability of the material allows convenient shaping of the sheets, webs or tapes.
In a particular embodiment of the invention, the composite material is formed by stacking sheets of aluminum, aluminum alloys or aluminum frits oxidized anodically on their two faces. Under high pressure, of the order of 25 atmospheres, and at a temperature of the order of 500C,
the material still exhibits very good insulation characterized by a coefficient of thermal conductivity of 4 - 10-4 cal / cm / s / oC.
This great thermal insulation power, together with a low effective neutron absorption section, makes this material particularly interesting in nuclear reactors.
In another embodiment, the composite material consists of oxidized nickel sheets: this material retains very good: insulating power as well as good mechanical strength at high temperatures of the order of 1000 C.
With reference to the attached schematic Figures 1 to 3, various examples given, without limitation, of the use of the thermal insulating composite material having very low thermal conductivity, even at high temperatures, will be described below, and possessing a good aptitude for deformation.
Examples I and II relate to composite materials formed by the stacking of aluminum sheets oxidized on their two faces; the coefficient of thermal conductivity at a temperature of about 500C, has a value of the order of 4 .10-4 cal / cm / s / oC.
The composite material of the first example is formed from five sheets; that of the second example of ten sheets.
Fig. 1 represents the curves giving, as a function of the pressure, the total temperature drop through each of these materials for a heat flux of 10 W / cm2. <I> Example 1: </I> 5 SAP sintered aluminum sheets with an initial thickness equal to 120-130 #t were anodically oxidized on both sides: the thickness of the oxide films is 50 R ,.
The thermal insulation power of the material obtained by stacking these five sheets is very good, although the thickness of the material is small (around 0.7 mm): we see in fig. 1 that the temperature drop is of the order of 300 ° C. for a pressure of 1 kg / cm; ' and 2001) C for a pressure of 25 kg / cm '.
<I> Example II: </I> 10 oxidized aluminum sheets obtained in the same way as in Example 1 are stacked; the composite material obtained has a thickness of about 1.5 mm and it can be seen, with reference to FIG. 1, that it allows insulation corresponding to a temperature drop of the order of 500 ° C. for a pressure of 1 kg / cm2 and of 3500 ° C. for a pressure of 25 kg / cm.
Fig. 2 shows an insulating plate 1 formed by the stack of about twenty elementary oxide-metal sheets.
Fig. 3 shows a tube 2 which is isolated by means of a tape 3 which is wound up with overlapping of the different turns (overlap at each turn equal to 1/5 of the width of the tape), this tape being itself even consisting of one or more metal-oxide sheets so as to produce a stack of 5, 10, or 15, etc., metal-oxide layers.