EP2015316A2

EP2015316A2 - Fil électrique de transmission de signaux destiné à l'industrie aeronautique et spatiale

Info

Publication number: EP2015316A2
Application number: EP08159585A
Authority: EP
Inventors: Jean-Pierre Ferlier; Pascal Clouet; Louis Salvat
Original assignee: Nexans SA; FSP-one Sas
Current assignee: FSP ONE; Nexans SA
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2009-01-14
Also published as: US7772497B2; FR2918786A1; US20090065234A1; EP2015316A3

Abstract

L'invention concerne un fil électrique de transmission de données comportant une pluralité de brins conducteurs revêtue d'au moins une enveloppe isolante (14) comprenant du PTFE, la pluralité de brins comprenant un noyau interne de premiers brins recouvert d'au moins une couche extérieure de seconds brins, lesdits premiers et seconds brins étant constitués d'un métal différent, le métal desdits seconds conducteurs présentant une dureté inférieure à celle du métal desdits premiers conducteurs et lesdits premiers brins étant constitués essentiellement d'un alliage de cuivre et lesdits seconds brins étant constitués essentiellement de cuivre. Selon l'invention, ledit alliage est un alliage de cuivre homogène en phase alpha et stable à une température inférieure ou égale à 500°C.

Description

L'invention concerne un fil électrique de transmission de signaux destiné à l'industrie aéronautique et spatiale.
Elle se rapporte plus précisément à un fil électrique de transmission de données comportant une pluralité de brins conducteurs revêtue d'au moins une enveloppe isolante.
De tels fils connus destinés à l'industrie aéronautique comportent des brins conducteurs constitués d'alliage de cuivre et une enveloppe isolante comportant un ruban intérieur de polyimide et un ruban extérieur de PTFE.
L'utilisation d'une couche de PTFE a notamment pour but d'améliorer la résistance du fil isolé à la propagation de l'arc électrique. L'utilisation d'une couche de polyimide a notamment pour but d'assurer une résistance mécanique de l'enveloppe isolante du câble.
Dans des applications spécifiques telles que des fils et câbles destinés à l'industrie aéronautique et spatiale, ce type de fil doit être conçu de façon à présenter une masse et un volume réduits. Il est donc recherché de réaliser un fil électrique d'une section de l'ordre de 0,2 à 0,4 mm².
Il est également important pour des raisons de sécurité, que l'enveloppe isolante du fil présente une résistance à la coupure et une résistance à l'abrasion, par raclage ou entre fils, importantes.
Les polyimides courants (par exemple de marque Kapton® ou Apical®, et de type 616 d'épaisseur 30 microns) étant performants mécaniquement, une enveloppe isolante les comportant a une résistance à la coupure et à l'abrasion relativement élevée. En particulier, ils sont utilisés depuis plus de trente années pour les constructions à isolation polyimide ne comportant pas de ruban de PTFE (voir Table 1, référence CF24), constructions qui ne résistent pas à la propagation de l'arc électrique.
L'utilisation de ces rubans de polyimide 616 dans un fil de section d'âme de 0,2 mm² à enveloppe isolant associant le polyimide et le PTFE, de diamètre et de masse voisines de celles de la construction référencée CF24, permet d'obtenir une résistance à la propagation de l'arc satisfaisante, mais ne permet pas d'obtenir une résistance de l'isolant à la coupure et à l'abrasion satisfaisantes (Cf Table 1, réf. DR24-616). Pour réaliser un fil de section 0,2 mm² de diamètre et de masse voisine de celle de la construction référencée CF24, résistant à la propagation de l'arc électrique et présentant des performances mécaniques acceptables de l'isolant, on utilise des rubans de polyimide d'épaisseur réduite, de l'ordre de 22 microns, et de coût et de résistance mécanique plus élevés que ceux du ruban 616 (de marques Oasis ® ou Apical®, et de type 171). De tels fils (cf Table 1, réf. DR24-171) remplacent avantageusement sur les aéronefs les fils non résistant à la propagation de l'arc électrique référencés CF24.
Pour augmenter encore ces performances mécaniques, il peut être envisagé d'utiliser un polyimide de nouvelle génération, plus performant mécaniquement, mais ce dernier est beaucoup plus coûteux que les rubans polyimides 616 et 171 et il conduit à un fil électrique de prix trop élevé (cf Table 1, réf. DR24-161).
L'invention résout ce problème en utilisant une enveloppe isolante de caractéristiques mécaniques, électriques et dimensionnelles acceptables et de coût réduit.
Pour ce faire, l'invention propose un fil électrique de transmission de données comportant une pluralité de brins conducteurs revêtue d'au moins une enveloppe isolante comprenant du PTFE, la pluralité de brins comprenant un noyau interne de premiers brins recouvert d'au moins une couche extérieure de seconds brins, lesdits premiers et seconds brins étant constitués d'un métal différent, le métal desdits seconds conducteurs présentant une dureté inférieure à celle du métal desdits premiers conducteurs.
Grâce à l'invention, lors de l'application d'une charge sur le fil électrique, lors d'un test de coupure ou d'abrasion par raclage, les brins périphériques de dureté inférieure, ont tendance à se déformer par compression et à répartir sur une plus grande surface la force de coupure ou d'abrasion de l'enveloppe isolante. Une résistance à la coupure supérieure à 120 N et une résistance à l'abrasion sous un effort de 8 N supérieure ou égale à 150 cycles peuvent ainsi être obtenues en utilisant une aiguille en acier, de diamètre 0,50 mm, pour tester un fil électrique de section de 0,2 mm², tout en utilisant une enveloppe isolante de caractéristiques mécaniques courantes et de coût réduit. (cf Table 1, référence « DR24-616 composite 3+9 » et référence « DR24-616 composite 7+12 »).
Dans le document de brevet US 2003/037957 est décrit un tel câble dont lesdits premiers brins peuvent être constitués d'un alliage de cuivre avec 2 à 10% en poids d'argent ou de niobium, renforcé de fibres, et lesdits seconds brins être constitués essentiellement de cuivre. Selon ce document, une enveloppe isolante en résine de copolymère éthylène-tétrafluoroéthylène (E-TFE) peut être utilisée.
Dans le cas de l'utilisation d'une enveloppe isolante de PTFE, cette enveloppe nécessite une cuisson d'environ une minute à une température supérieure à sa température de fusion égale à 342°C, cette opération étant appelée frittage. Une température de 380 à 400°C est généralement appliquée lors de cette opération de cuisson de l'enveloppe de PTFE. Dans le cas de l'emploi d'un alliage de cuivre et d'argent ou de niobium tel que décrit dans ce document, un début de recuit de cet alliage se produit à cette température.
Par ailleurs, un alliage de cuivre avec 2 à 10% en poids d'argent ou de niobium tel qu'utilisé selon le document précédent, présente une phase alpha sur un domaine de composition réduit et il en résulte des difficultés de préparation et de mise en oeuvre. La préparation d'un tel alliage présente des risques d'obtention de précipités ou de composés indéfinis.
Par ailleurs, dans le cadre de l'application à l'industrie aéronautique et spatiale, le câble doit résister à une exposition prolongée à une température de 260°C, de durée de l'ordre de 10000 heures.
Or, la résistance à la rupture d'un alliage de cuivre et d'argent ou de niobium peut devenir de l'ordre de 400 à 500 MPa, lorsqu'il est soumis à une température de 260°C durant un temps prolongé.
L'invention résout ces problèmes techniques en proposant un fil électrique de transmission de données comportant une pluralité de brins conducteurs revêtue d'au moins une enveloppe isolante comprenant du PTFE, qui résiste à une température de service permanent de 260°C.
Pour ce faire, l'invention propose un fil électrique de transmission de données comportant une pluralité de brins conducteurs revêtue d'au moins une enveloppe isolante comprenant du PTFE, la pluralité de brins comprenant un noyau interne de premiers brins recouvert d'au moins une couche extérieure de seconds brins, lesdits premiers et seconds brins étant constitués d'un métal différent, le métal desdits seconds conducteurs présentant une dureté inférieure à celle du métal desdits premiers conducteurs et lesdits premiers brins étant constitués essentiellement d'un alliage de cuivre et lesdits seconds brins étant constitués essentiellement de cuivre, caractérisé en ce que ledit alliage est un alliage de cuivre homogène en phase alpha et stable à une température inférieure ou égale à 500°C.
L'alliage de cuivre a l'avantage, par rapport à l'acier, d'être un excellent conducteur et les premiers brins présentent une résistance à la rupture supérieure à 650 MPa.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit alliage de cuivre est un alliage de cuivre, de nickel et de silicium.
Cet alliage de cuivre peut comprendre, en poids, au moins 95% de cuivre et au moins 2% de nickel, et, de préférence, il comprend en poids 96,5% de cuivre, 2,5% de nickel et 0,6% de silicium.
Cet alliage de cuivre peut également être un alliage de cuivre, de cobalt et de béryllium.
Ledit alliage de cuivre peut comprendre, en poids, au moins 95% de cuivre et 0,5 à 2% de béryllium.
Lesdits premiers brins peuvent être revêtus d'une couche de métal de protection contre l'oxydation.
Lesdits seconds brins peuvent être revêtus d'une couche de métal de protection contre l'oxydation.
Avantageusement, la couche de métal de protection contre l'oxydation a une épaisseur d'au moins 1 micron.
Le câble comporte, de préférence, une première enveloppe isolante interne constituée de polyimide, qui est de caractéristiques courantes et de coût réduit.
De préférence, ladite couche extérieure de seconds brins est concentrique au dit noyau interne de premiers brins.
L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant que des modes de réalisation préférés.

La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un fil électrique selon l'invention comportant douze brins conducteurs.
La figure 2 est une vue en coupe transversale d'un fil électrique selon l'invention comportant dix neuf brins conducteurs.
La figure 3 est une vue en coupe transversale illustrant un essai d'abrasion ou de coupure sur un fil électrique conforme à l'invention.

Sur la figure 1, est représenté un fil électrique comportant douze brins conducteurs.
Un noyau interne de premiers brins comporte trois brins, 1 à 3, et est recouvert d'une couche concentrique de seconds brins au nombre de neuf, 4 à 12, tous ces brins conducteurs de diamètre identique, inférieur à 1 mm, de préférence de l'ordre de 0,1 mm, étant toronnés ensemble.
Les premiers brins sont constitués d'un alliage de cuivre et éventuellement revêtus d'une couche de nickel d'une épaisseur d'environ 1,3 micron et les seconds brins sont constitués de cuivre éventuellement également revêtus d'une couche de nickel d'une épaisseur d'environ 1,3 micron.
Les premiers brins d'alliage de cuivre présentent une charge à la rupture d'au moins 650 MPa et un taux d'allongement compris entre 8 et 13%.
L'alliage de cuivre peut être un alliage de cuivre, de nickel et de silicium. De préférence, cet alliage de cuivre comprend, en poids, au moins 95% de cuivre et au moins 2% de nickel, et, de préférence, il comprend en poids 96,5% de cuivre, 2,5% de nickel et 0,6% de silicium. Un tel alliage présente une dureté comprise entre 120 et 160 Vickers.
Il peut également être utilisé un alliage de cuivre, de cobalt et de béryllium comprenant, en poids, au moins 95% de cuivre et 0,5 à 2% de béryllium. Un tel alliage présente une dureté de l'ordre de 200 Vickers.
Les seconds brins de cuivre présentent une charge à la rupture comprise entre 200 et 220 MPa, un taux d'allongement compris entre 10 et 25% et une dureté de l'ordre de 50 Vickers.
De préférence, la couche extérieure de seconds brins est concentrique au noyau interne de premiers brins.
Il est indifférent que les couches concentriques successives aient ou non le même sens de câblage, et il est également indifférent qu'elles aient un pas de câblage identique ou non. De préférence, le pas de câblage de la couche extérieure est compris entre 8 fois et 16 fois le diamètre extérieur du toron.
Ce toron composite est revêtu d'une première enveloppe isolante 13 constituée d'un ruban de polyimide rubané , qui est lui-même recouvert d'une seconde enveloppe isolante externe 14 constituée d'un ruban de PTFE rubané dans le sens inverse de celui du ruban polyimide.
A titre d'exemple de réalisation préféré, les brins conducteurs ont un diamètre de 0,15 mm, le ruban de polyimide est d'une épaisseur de 0,03 mm et le ruban de PTFE a une épaisseur voisine de 0,05 mm. Deux épaisseurs de ruban polyimide et deux épaisseurs de ruban PTFE sont appliquées et scellées par traitement thermique (cf Table 1, référence « DR24-616 composite 3+9 »).
Ce toron comportant 3+9 brins conduit à des caractéristiques mécaniques de l'isolant satisfaisantes, mais sa résistance à la rupture s'avère inférieure à l'exigence de résistance minimale de 350 MPa.
Un fil électrique selon l'invention, comportant un conducteur dont la proportion de fils de cuivre est moins élevée que précédemment, peut résoudre cette insuffisance.
Sur la figure 2, est représenté un fil électrique comportant dix-neuf brins conducteurs.
Un noyau interne de premiers brins comporte sept brins, 1 à 7, et est recouvert d'une couche concentrique de seconds brins au nombre de douze, 8 à 19, tous ces conducteurs de diamètre identique, inférieur à 1 mm, de préférence de l'ordre de 0,1 mm, étant toronnés ensemble.
Les premiers brins sont constitués d'un alliage de cuivre éventuellement revêtus d'une couche de nickel d'une épaisseur d'environ 1,3 micron et les seconds brins sont constitués de cuivre éventuellement également revêtus d'une couche de nickel d'une épaisseur d'environ 1,3 micron.
L'alliage de cuivre est, avantageusement, un alliage de cuivre, de nickel et de silicium. De préférence, cet alliage de cuivre comprend, en poids, au moins 95% de cuivre et au moins 2% de nickel, et, de préférence, il comprend en poids 96,5% de cuivre, 2,5% de nickel et à 0,6% de silicium.
Ce toron composite est revêtu d'une première enveloppe isolante 20 constituée d'un ruban de polyimide rubané, de caractéristiques courantes et de coût réduit, qui est lui-même recouvert d'une seconde enveloppe isolante externe 21 constituée d'un ruban de PTFE rubané dans le sens inverse.
A titre d'exemple de réalisation préféré, les brins électriques ont un diamètre de 0,115 mm, le ruban de polyimide est d'une épaisseur de 0,03 mm et le ruban de PTFE a une épaisseur de 0,05 mm. Deux épaisseurs de ruban polyimide et deux épaisseurs de ruban PTFE sont appliquées et scellées par traitement thermique (cf Table 1, référence « DR24-616 composite 7+12 »).
La figure 3 est une vue en coupe transversale illustrant un essai d'abrasion ou de coupure sur un fil électrique conforme à l'invention.
Lors d'un essai de coupure ou d'abrasion par raclage, une aiguille 22 est appliquée sur le câble et soumise à une certaine charge.
Grâce à l'invention, lors de l'application de cette charge sur le câble, les brins périphériques, 8, 18, 19, essentiellement en cuivre, de dureté inférieure à celle des brins du noyau interne, 1 à 7, et qui sont à proximité de l'aiguille, ont tendance à se déformer par compression et à répartir la force de coupure ou d'abrasion de l'enveloppe isolante 20, 21. La pression d'abrasion ou de coupure subie par la gaine isolante en est réduite.
Une résistance à la coupure supérieure à 120 N et une résistance à l'abrasion sous un effort de 8 N supérieure ou égale à 150 cycles peuvent ainsi être obtenues en utilisant une aiguille en acier, de diamètre 0,50 mm, pour tester un fil électrique de section 0,2 mm² et de diamètre de 0,9 mm, tout en utilisant une enveloppe isolante, de caractéristiques mécaniques courantes et de coût réduit.

Il est ainsi possible d'utiliser pour l'enveloppe isolante, un ruban interne de polyimide 13 de propriétés mécaniques courantes et de coût réduit et d'une épaisseur de l'ordre de 30 microns. A titre d'exemple, pour l'enveloppe isolante interne, il peut être utilisé du polyimide de référence 616 commercialisé par DuPont de Nemours sous la marque Kapton® et par Kaneka sous la marque Apical®.

TABLE 1 : COMPARAISON DE FILS AERONAUTIQUES DE SECTION 0.2 MM²

Performance fil	A obtenir	CF24	DR24-616	DR24-171	DR24-161	DR24-616 composite 3+9	DR24-616 composite 7+12
Description	-	Fil actuel à isolation polyimide	Fil à isolation polyimide + PTFE non conforme	Fil actuel à isolation polyimide + PTFE	Fil plus performant à isolation polyimide + PTFE	Fil selon l'invention à toron 3+9	Fil selon l'invention à toron 7+12
Ame nickelée	19 x 0.12 alliage cuivre	19 x 0.12 alliage cuivre	19 x 0.115 alliage cuivre	19 x 0.115 alliage cuivre	19 x 0.115 alliage cuivre	12 x 0.15 3 alliage + 9 cuivre	19 x 0.115 7 alliage +12 cuivre
Isolant 1	-	polyimide 616	polyimide 616	polyimide 171	polyimide 161	polyimide 616	polyimide 616
Isolant 2	-	polyimide 616	PTFE	PTFE	PTFE	PTFE	PTFE
Isolant 3	-	Vernis	-	-	-	-	-
R rupture âme (N)	>67	73	76	75	74	72	75
R rupture âme (MPa)	> 350	370	384	380	375	335	384
All rupture âme (%)	>6	16	16	22	20	11	13
Masse nominale (kg/km)	DR24 < 2.72	2.51	2.60	2.64	2.52	2.64	2.56
Résistance linéique (ohm/km)	< 114.0	98	100	100	100	102.5	110.5
Diamètre nominal (mm)	0.85<DR24 < 0.96	0.90	0.93	0.92	0.89	0.94	0.91
Propagation de l'arc à sec : dommages collatéraux	< 25%	>70	0	0	0	0	0
Résistance à coupure (N)	> 85	215	75	129	144	125	129
Résistance à l'abrasion sous 8N (cycles)	> 100	180	55	134	226	150	160

Claims

Fil électrique de transmission de données comportant une pluralité de brins conducteurs revêtue d'au moins une enveloppe isolante (14) comprenant du PTFE, la pluralité de brins comprenant un noyau interne de premiers brins recouvert d'au moins une couche extérieure de seconds brins, lesdits premiers et seconds brins étant constitués d'un métal différent, le métal desdits seconds conducteurs présentant une dureté inférieure à celle du métal desdits premiers conducteurs et lesdits premiers brins étant constitués essentiellement d'un alliage de cuivre et lesdits seconds brins étant constitués essentiellement de cuivre, caractérisé en ce que ledit alliage est un alliage de cuivre homogène en phase alpha et stable à une température inférieure ou égale à 500°C.
Fil électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit alliage de cuivre est un alliage de cuivre, de nickel et de silicium.
Fil électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit alliage de cuivre comprend, en poids, au moins 95% de cuivre et au moins 2% de nickel.
Fil électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit alliage de cuivre est un alliage de cuivre, de cobalt et de béryllium.
Fil électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit alliage de cuivre comprend, en poids, au moins 95% de cuivre et 0,5 à 2% de béryllium.
Fil électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits premiers brins sont revêtus d'une couche de métal de protection contre l'oxydation.
Fil électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits seconds brins sont revêtus d'une couche de métal de protection contre l'oxydation.
Fil électrique selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ladite couche de métal de protection contre l'oxydation a une épaisseur d'au moins 1 micron.
Fil électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une première enveloppe isolante intérieure (13) constituée de polyimide.
Fil électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche extérieure de seconds brins est concentrique au dit noyau interne de premiers brins.