EP3422366B1 - Cable comprenant un element electriquement conducteur comprenant des fibres de carbone metallisees - Google Patents

Cable comprenant un element electriquement conducteur comprenant des fibres de carbone metallisees

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EP3422366B1
EP3422366B1 EP18179221.9A EP18179221A EP3422366B1 EP 3422366 B1 EP3422366 B1 EP 3422366B1 EP 18179221 A EP18179221 A EP 18179221A EP 3422366 B1 EP3422366 B1 EP 3422366B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrically conductive
conductive element
metallised
electric cable
carbon fibres
Prior art date
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EP18179221.9A
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English (en)
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EP3422366A1 (fr
EP3422366C0 (fr
Inventor
Jean-François LARCHE
Anthony COMBESSIS
Rodrigue Sumera
Nicolas MASQUELIER
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Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
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Publication date
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Publication of EP3422366A1 publication Critical patent/EP3422366A1/fr
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Publication of EP3422366C0 publication Critical patent/EP3422366C0/fr
Publication of EP3422366B1 publication Critical patent/EP3422366B1/fr
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/04—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon

Definitions

  • the invention relates to an electrical cable comprising at least one elongated electrically conductive element comprising a metallized carbon fiber or at least one set of metallized carbon fibers.
  • Electrical cables are widely used for the transmission of electrical energy as well as for data transmission. Electrical cables must have different properties depending on their use, including good electrical conductivity, good mechanical strength, and being as light as possible.
  • An electrical cable typically comprises a single-strand or multi-strand electrically conductive element, most often surrounded by an insulating material.
  • the electrically conductive element is generally made of metallic materials such as, for example, copper or aluminum.
  • metallic materials such as, for example, copper or aluminum.
  • these metals can have mechanical properties that are not always suited to needs, low availability and a high price.
  • metals are high-density materials, which poses problems for the manufacture and installation of electrical cables, particularly long ones (over 2 km), and in applications where minimizing the mass of the systems is sought, such as for example in aeronautical systems.
  • US 2011/209894 A1 describes a composite material formed from electrically conductive metallized carbon fibers.
  • WO 2013/016445 A1 describes a carbon-based conductive substrate.
  • US 2009/194313 A1 describes a coaxial cable comprising a core, an insulating layer, a shielding layer, a sheathing layer.
  • EP 3 367 390 A1 describes a metal-coated electrically conductive carbon nanotube wire and methods of forming the same.
  • the aim of the present invention is to overcome the drawbacks of the prior art by proposing a light and low-voltage electrically conductive element. expensive while having very good electrical conductivity and improved mechanical properties.
  • the present invention thus relates to an electric cable in accordance with claim 1.
  • the electric cable of the invention has good specific conductivity while having significantly improved mechanical properties, such as tensile strength, thermal resistance, and/or flexibility (e.g. necessary for its winding and installation).
  • another advantage is that the electric cable of the invention has, in particular, very good physicochemical properties, such as low thermal expansion of the electrically conductive element.
  • the electric cable of the invention advantageously takes advantage of the low density of carbon fibers compared to the densities of metals. In addition, it has a lower linear mass than an electric cable comprising one or more metal conductor(s) as the sole conductive element(s), and has a comparable manufacturing cost.
  • a carbon fiber is composed mainly of crystalline carbon atoms aligned more or less parallel to the axis of the carbon fiber.
  • the carbon content of a carbon fiber is generally between 90% and 99%, and depends mainly on the stages of the manufacturing process.
  • the metallized carbon fiber used in the present invention comprises a carbon fiber surrounded by one or more metal layers.
  • the metallized carbon fiber assembly used in the present invention comprises a plurality of metallized carbon fibers, each of said metallized carbon fibers comprising a carbon fiber surrounded by one or more metal layers.
  • the carbon fiber of the metallized carbon fiber or the carbon fibers of the set of metallized carbon fibers may be one or more fibers called carbon-based.
  • Carbon-based means a fiber that may be composed of carbon, and more particularly carbon nanofibers, carbon nanotubes and/or graphene.
  • a set of carbon fibers according to the invention comprises several carbon fibers which can be conventionally organized into carbon threads commonly called "strands".
  • a carbon thread can comprise several thousand carbon fibers designated by the letter K, for example a thread of 12,000 carbon fibers is called "12K".
  • the specific conductivity of at least 8% of the metallized carbon fiber or of the set of metallized carbon fibers advantageously allows said metallized carbon fiber or said set of metallized carbon fibers to be used as an elongated electrically conductive element in an electric cable according to the invention.
  • the elongated electrically conductive element may preferably have a specific conductivity of at least 15%, preferably at least 25%, and more preferably at least 35%.
  • the specific conductivity of a material is expressed in Sm 2 .kg -1 , and corresponds to the ratio of its electrical conductivity expressed in siemens per meter (S/m) divided by its density expressed in kg/m 3 .
  • the specific conductivity of a material is determined in relation to the specific conductivity at 20°C of pure annealed copper which is 6524.71 Sm 2 .kg -1 .
  • the density at 20°C of pure annealed copper is 8890 kg.m -3 .
  • Electrical conductivity (S/m) characterizes the ability of a material to allow the electrons it contains to move freely under the effect of an electric field and therefore allow the passage of an electric current.
  • a set of metallized carbon fibers is defined as several metallized carbon fibers organized, for example, of parallel to each other.
  • the carbon fibers in a set can be twisted or braided.
  • the set of metallized carbon fibers may comprise at least 2 metallized carbon fibers, preferably at least 1000 metallized carbon fibers, preferably at least 3000 metallized carbon fibers, preferably at least 6000 metallized carbon fibers, and more preferably at least 12000 metallized carbon fibers.
  • the set of metallized carbon fibers may comprise at most 48000 metallized carbon fibers, or even the set of metallized carbon fibers may comprise more than 48000 metallized carbon fibers.
  • the elongated electrically conductive element of the invention may further comprise at least one metallic conductor.
  • each set may comprise a different number of metallized carbon fibers and/or a different metal constituting the metal layer surrounding the carbon fibers.
  • the elongated electrically conductive element may advantageously be the most central element of the cable.
  • the elongated electrically conductive element preferably does not surround an insulating or polymeric material, in particular of the insulating or polymeric layer type.
  • the elongated electrically conductive element may also comprise additional elements such as, for example, one or more non-metallized carbon fiber(s).
  • the metal layer(s) of the metallized carbon fiber(s) may comprise at least one metal chosen from copper, zinc, tin, silver, aluminum, and one of their alloys.
  • alloy is meant the combination or mixture of at least two metals, in particular chosen from those listed above.
  • the metal layer may comprise only copper or only a copper alloy.
  • the metallized carbon fiber or the metallized carbon fibers of a set of metallized carbon fibers are surrounded by several metallic layers
  • at least one of the metallic layers may comprise copper or a copper alloy
  • the other metallic layer(s) may comprise a different metal, in particular chosen from zinc, nickel, tin, silver, aluminum, and a mixture thereof.
  • the metal layer may be in direct physical contact with the carbon fiber of the metallized carbon fiber or with each carbon fiber of said set of metallized carbon fibers.
  • the metal layer may be bonded by physical and/or chemical interactions, preferably by covalent bonding, to the carbon fiber to enable good adhesion of the metal layer to the carbon fiber.
  • An intermediate layer called an "adhesion” layer may be placed between the carbon fiber and the metal layer of the metallized carbon fiber, in order to improve the adhesion of the metal layer around the carbon fiber.
  • the intermediate layer may be a metal layer, which may comprise one or more metals selected from tin, nickel, copper, aluminum, silver, and a mixture thereof.
  • the metal layer has an average thickness of at least 100 nm, preferably at least 500 nm, and more preferably of at least 1 ⁇ m. In a particular embodiment, the average thickness of the metal layer may be at most 5 ⁇ m.
  • the average thickness of the metal layer is the number average thickness between at least two thicknesses measured respectively at two different points along the carbon fiber(s). If the thickness of the metal layer is substantially constant along the carbon fiber(s), the average thickness of the metal layer is equal to the thickness of the metal layer at any point of the carbon fiber(s).
  • the average thickness of the metal layer can be readily determined by techniques well known to those skilled in the art.
  • the metal layer may have a constant thickness along the entire length of the carbon fiber or carbon fiber(s) of a set of metallized carbon fibers.
  • a constant thickness means that the thickness of the metal layer may vary by at most ⁇ 30% relative to the average thickness of the metal layer, preferably by at most ⁇ 20% relative to the average thickness of the metal layer, and more preferably by at most ⁇ 10% relative to the average thickness of the metal layer.
  • the thickness of the metal layer can be adapted according to the nature of the metal or metals it comprises and according to the desired conductivity.
  • a metal layer comprising a metal having a low conductivity can be thicker than a metal layer comprising a metal having a higher conductivity.
  • the metallization of the carbon fiber or carbon fiber(s) of a set of carbon fibers can be carried out by a process chosen from electrodeposition, electroplating (known by the Anglemia " electroplating "), electroless plating (known by the Angldespite " heated evaporation "), electron beam evaporation (“ electron beam evaporation "), sputtering , beam-assisted deposition ionic (“ ion assisted deposition ”).
  • the metallization of the carbon fiber(s) can be carried out by electrodeposition.
  • the metallized carbon fiber(s) may have a length ranging from 100 m to 200 km, preferably ranging from 100 m to 10 km, and more preferably ranging from 100 m to 3 km.
  • the (non-metallized) carbon fiber of a metallized carbon fiber or the (non-metallized) carbon fibers constituting the set of metallized carbon fibers has/have a diameter ranging from 0.5 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably ranging from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, and more preferably ranging from 5 ⁇ m to 10 ⁇ m. These values are given for the carbon fiber without taking into account any possible metallic layer(s) covering it.
  • the metallized carbon fiber or set of metallized carbon fibers may have a cross-section ranging from 0.2 ⁇ m 2 to 1000 ⁇ m 2 , preferably ranging from 1 ⁇ m 2 to 500 ⁇ m 2 , and more preferably ranging from 10 ⁇ m 2 to 100 ⁇ m 2 .
  • the elongated electrically conductive element may have a direct current electrical conductivity of at least 3% IACS, preferably at least 5% IACS, and more preferably at least 10% IACS. According to the invention, the elongated electrically conductive element may have a direct current electrical conductivity of at most 50% IACS.
  • the electrical conductivity of a material is expressed in siemens per meter (S/m).
  • the electrical conductivity of a material is determined in relation to the electrical conductivity at 20°C of pure annealed copper which is 5.8001x10 7 S/m.
  • the elongated electrically conductive element is surrounded by at least one polymeric layer.
  • the polymeric layer is an electrically insulating layer.
  • electrically insulating layer means a layer whose electrical conductivity can be at most 1.10 -9 S/m (siemens per meter) (at 25°C).
  • the elongated electrically conductive element may comprise a single metallized carbon fiber surrounded by at least one polymeric layer.
  • the elongated electrically conductive element may comprise several metallized carbon fibers, all of said metallized fibers being surrounded by at least one polymeric layer.
  • a polymeric layer is understood to mean a layer comprising at least one polymer, the term “polymer” as such generally meaning homopolymer or copolymer (e.g. block copolymer, random copolymer, terpolymer, etc.).
  • the polymer may advantageously be an olefin polymer (polyolefin) or, in other words, an olefin homo- or co-polymer, and may in particular be a thermoplastic or crosslinked polymer.
  • the olefin polymer is an ethylene or propylene polymer.
  • the polymeric layer of the invention may comprise at least one polymer chosen from a linear low density polyethylene (LLDPE), a very low density polyethylene (VLDPE), a low density polyethylene (LDPE), a medium density polyethylene (MDPE), a high density polyethylene (HDPE), a copolymer of ethylene and vinyl acetate (EVA), a copolymer of ethylene and butyl acrylate (EBA), methyl acrylate (EMA), 2-hexylethyl acrylate (2HEA), a copolymer of ethylene and alpha-olefins, a copolymer of ethylene and propylene (EPR), a polyurethane, a polymer fluorinated, a chlorinated polymer such as polyvinyl chloride (PVC), polyphenylene oxide (PPO), an engineering polymer, and a mixture thereof.
  • LLDPE linear low density polyethylene
  • VLDPE very low density polyethylene
  • LDPE low density polyethylene
  • ethylene and alpha-olefin copolymers examples include polyethylene octene (PEO).
  • EPR ethylene-propylene copolymers
  • EPDM ethylene-propylene diene terpolymers
  • technical polymer means a polymer having improved properties, which may be chosen in particular from a polyphenylethylene ether, a polyamide, polyetheretherketone (PEEK), a polyimide, a fluorinated ethylene copolymer (FEP), a polyethylene furanoate (PEF), and one of their mixtures.
  • the polymeric layer may further comprise at least one additive chosen from antioxidants, stabilizers, crosslinking agents, scorch retarders, co-crosslinking agents, processing aids such as lubricants or waxes, compatibilizing agents, coupling agents, filler stabilizers, and a mixture thereof.
  • at least one additive chosen from antioxidants, stabilizers, crosslinking agents, scorch retarders, co-crosslinking agents, processing aids such as lubricants or waxes, compatibilizing agents, coupling agents, filler stabilizers, and a mixture thereof.
  • the polymeric layer is a so-called “HFFR” layer for “ Halogen-Free Flame Retardant ” according to standard IEC 60754 Parts 1 and 2 (2011).
  • the polymeric layer may further comprise at least one filler.
  • the filler of the invention may be a mineral or organic filler. It may be chosen from a flame-retardant filler, an inert filler, and one of their mixtures.
  • the flame retardant filler may be a hydrated filler, chosen in particular from metal hydroxides such as, for example, magnesium dihydroxide (MDH) or aluminum trihydroxide (ATH).
  • MDH magnesium dihydroxide
  • ATH aluminum trihydroxide
  • These flame retardant fillers act mainly physically by decomposing endothermically (e.g., release of water), which has the effect of lowering the temperature of the polymer layer and limiting the propagation of flames along the electrical device.
  • endothermically e.g., release of water
  • the inert filler can be chalk, talc, clay (e.g. kaolin), carbon black, or carbon nanotubes.
  • the polymeric layer can preferably be extruded.
  • the polymeric layer may be crosslinked or not crosslinked.
  • Crosslinking may be carried out by conventional crosslinking techniques well known to those skilled in the art, such as, for example, peroxide crosslinking and/or hydrosilylation under the action of heat; silane crosslinking in the presence of a crosslinking agent; crosslinking by electron beams, gamma rays, X-rays, or microwaves; crosslinking by photochemical means such as irradiation under beta radiation, or irradiation under ultraviolet radiation in the presence of a photoinitiator.
  • Crosslinking is preferably carried out according to the silane crosslinking technique.
  • the polymeric layer may have a thickness ranging from 10 ⁇ m to 2 mm, preferably from 100 ⁇ m to 1 mm, and more preferably from 100 ⁇ m to 700 ⁇ m.
  • the electrical cable of the invention may further comprise a sheath, in particular a protective sheath, surrounding the polymeric layer(s).
  • the sheath may be the outermost layer of the electrical cable of the invention.
  • the sheath is in particular a continuous and uniform layer around at least said polymeric layer. It ensures the protection of the insulated elongated electrically conductive element(s), in particular against humidity, deterioration of mechanical origin and/or deterioration of chemical origin. It can also protect against mechanical damage.
  • This sheath can be conventionally made from materials suitable thermoplastics such as HDPE (high density polyethylene), MDPE (medium density polyethylene) or LLDPE (linear low density polyethylene); or flame retardant or flame resistant materials.
  • polymers cited for the polymeric layer of the invention can also be used for the sheath.
  • the outer protective sheath is an electrically insulating sheath.
  • the sheath may have a thickness ranging from 100 ⁇ m to 2 mm, preferably from 100 ⁇ m to 1.5 mm, and more preferably from 100 ⁇ m to 1 mm.
  • the electrical cable of the invention can be applied typically, but not exclusively, to the fields of low voltage (in particular less than 6 kV), medium voltage (in particular from 6 to 45-60 kV) or high voltage (in particular greater than 60 kV, and up to 800 kV) power cables, whether they are direct or alternating current.
  • low voltage in particular less than 6 kV
  • medium voltage in particular from 6 to 45-60 kV
  • high voltage in particular greater than 60 kV, and up to 800 kV
  • FIG. 1 represents a cross-sectional view of an electrical cable according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 1 represents a cross-sectional view of an electric cable 1 according to a particular embodiment of the invention.
  • the electrical cable 1 comprises a central elongated electrically conductive element 2 comprising an assembly of 12,000 metallized carbon fibers 3, each carbon fiber of said assembly being surrounded by a metallic layer of copper.
  • the elongated electrically conductive element 2 is surrounded by a polymeric layer 4.
  • An electrically insulating sheath 5 is placed around the polymeric layer 4.
  • the polymeric layer 4 is in direct physical contact with the elongated electrically conductive element 2 and the electrically insulating sheath 5 is in direct physical contact with the polymeric layer 4.
  • Example 1 consists of preparing an elongated electrically conductive element comprising 12,000 non-metallized carbon fibers marketed by Toray under the reference TORAYCA T300.
  • the diameter of each carbon fiber is 7 ⁇ m.
  • Their length is 200 meters or more.
  • the density of the elongated electrically conductive element is determined by densimetric measurement according to ASTM D792-08, and is 1.76 g/cm 3 .
  • Example 2 consists of preparing an elongated electrically conductive element comprising 12,000 nickel-plated carbon fibers marketed by the Teijin company under the reference TOHO TENAX HTS40.
  • the diameter of each carbon fiber alone (without the nickel layer) is 7 ⁇ m, and the nickel layer has a thickness of 1 ⁇ m around each carbon fiber.
  • the length of nickel-plated carbon fibers is 200 meters or more.
  • the density of the elongated electrically conductive element is determined by densimetric measurement according to ASTM D792-08, and is 2.7 g/cm 3 .
  • Example 3 (example according to the invention)
  • Example 3 involves preparing an elongated electrically conductive element comprising 12,000 copper-clad carbon fibers.
  • the metallization of carbon fibers with copper is carried out by electrodeposition, with metallic copper (Cu (0) ) marketed by the company SIFCO under the reference CUIVRE ALCALIN DEPOT EPAIS CODE 5280, around respectively 12000 non-metallized carbon fibers marketed by the company Toray under the reference TORAYCA T300.
  • the diameter of each non-metallized carbon fiber is 7 ⁇ m and their length is 200 meters or more.
  • Electrodeposition is carried out with a current generator type device from the TTI brand under the reference QPX600DP, for approximately 5 minutes, to obtain a copper layer approximately 1 ⁇ m thick around the carbon fibers.
  • An elongated electrically conductive element is formed from the copper-plated carbon fibers with 12,000 of said fibers.
  • the density of the elongated electrically conductive element is determined by densimetric measurement according to ASTM D792-08, and is 4.4 g/cm 3 .
  • the measurement of the specific conductivity (%) of the elongated electrically conductive elements of Examples 1, 2 and 3 is carried out by measuring 4 points according to ASTM B193 and ISO 3915.
  • the calculation of the specific conductivity is then determined from the value of the electrical conductivity and the density of the elongated electrically conductive element.
  • Example 1 12000 unmetallized carbon fibers 0.6
  • Example 2 12,000 nickel-plated carbon fibers 7.4
  • Example 3 12,000 copper-clad carbon fibers 39.9
  • the electrically conductive element of the invention as exemplified in Example 3, has a specific conductivity much higher than that of Example 1 and Example 2.
  • the electrically conductive element of the invention in an electric cable makes it possible to significantly limit, or even avoid, the use of solid metal conductors, while having very good mechanical and physicochemical properties.

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  • Non-Insulated Conductors (AREA)

Description

  • L'invention se rapporte à un câble électrique comprenant au moins un élément électriquement conducteur allongé comprenant une fibre de carbone métallisée ou au moins un ensemble de fibres de carbone métallisées.
  • Les câbles électriques sont largement utilisés pour le transport d'énergie électrique ainsi que pour la transmission de données. Les câbles électriques doivent posséder différentes propriétés selon leur utilisation et notamment, une bonne conductivité électrique, une bonne résistance mécanique, tout en étant le plus léger possible.
  • Un câble électrique comprend classiquement un élément électriquement conducteur mono-brin ou multi-brins le plus souvent entouré d'une matière isolante. L'élément électriquement conducteur est généralement constitué de matériaux métalliques comme, par exemple, du cuivre ou de l'aluminium. Cependant, l'utilisation de ces matériaux métalliques dans des câbles électriques présente plusieurs inconvénients. En effet, ces métaux peuvent avoir des propriétés mécaniques pas toujours adaptées aux besoins, une faible disponibilité et un prix élevé. Par ailleurs, les métaux sont des matériaux de densité élevée ce qui pose problème pour la fabrication et l'installation de câbles électriques, notamment de grande longueur (supérieure à 2 km), et dans des applications où la minimisation de la masse des systèmes est recherchée, tel que par exemple dans les systèmes aéronautiques.
  • US 2011/209894 A1 décrit un matériau composite formé de fibres de carbone métallisées électriquement conductrices.
  • WO 2013/016445 A1 décrit un substrat conducteur à base de carbone.
  • US 2009/194313 A1 décrit un câble coaxial comprenant une âme, une couche isolante, une couche de blindage, une couche de gainage.
  • EP 3 367 390 A1 décrit un fil de nanotube de carbone électriquement conducteur à revêtement métallique et des procédés de formation de celui-ci.
  • Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un élément électriquement conducteur léger et peu coûteux tout en ayant une très bonne conductivité électrique et des propriétés mécaniques améliorées.
  • La présente invention a ainsi pour objet un câble électrique conforme à la revendication 1.
  • Grâce au câble électrique de l'invention, l'utilisation de conducteurs métalliques massifs est limitée, voire évitée. Le câble électrique de l'invention possède une bonne conductivité spécifique tout en ayant des propriétés mécaniques, telles qu'une résistance en traction, une tenue thermique, et/ou une flexibilité (e.g. nécessaire pour son enroulement et son installation), améliorée(s) de façon significative. En outre, un autre avantage est que le câble électrique de l'invention présente notamment de très bonnes propriétés physico-chimiques, telles qu'une faible dilatation thermique de l'élément électriquement conducteur. Par ailleurs, le câble électrique de l'invention tire avantageusement parti de la faible densité des fibres de carbone en comparaison avec les densités des métaux. De plus, il possède une masse linéique plus faible qu'un câble électrique comprenant un ou plusieurs conducteur(s) métallique(s) comme seul(s) élément(s) conducteur(s), et a un coût de fabrication comparable.
    • Elément électriquement conducteur allongé
  • Une fibre de carbone est composée majoritairement d'atomes de carbone cristallins alignés plus ou moins parallèlement à l'axe de la fibre de carbone. La teneur d'une fibre de carbone en élément carbone est généralement comprise entre 90% et 99%, et dépend essentiellement des étapes du procédé de fabrication.
  • La fibre de carbone métallisée utilisée dans la présente invention comprend une fibre de carbone entourée par une ou plusieurs couche(s) métallique(s).
  • L'ensemble de fibres de carbone métallisées utilisé dans la présente invention comprend plusieurs fibres de carbone métallisées, chacune desdites fibres de carbone métallisées comprenant une fibre de carbone entourée par une ou plusieurs couche(s) métallique(s).
  • La fibre de carbone de la fibre de carbone métallisée ou les fibres de carbone de l'ensemble de fibres de carbone métallisées peu(ven)t être respectivement une ou des fibre(s) dite(s) à base de carbone. On entend par « à base de carbone » une fibre pouvant être composée de carbone, et plus particulièrement de nanofibres de carbone, de nanotubes de carbone et/ou de graphène.
  • Un ensemble de fibres de carbone selon l'invention comprend plusieurs fibres de carbone qui peuvent être classiquement organisés en fils de carbone communément dénommés « mêches ». Un fil de carbone peut comprendre plusieurs milliers de fibres de carbone désignés par la lettre K, par exemple un fil de 12000 fibres de carbone est dit « 12K ».
  • La conductivité spécifique d'au moins 8% de la fibre de carbone métallisée ou de l'ensemble de fibres de carbone métallisées permet avantageusement à ladite fibre de carbone métallisée ou audit ensemble de fibres de carbone métallisées d'être utilisé(e) comme élément électriquement conducteur allongé dans un câble électrique selon l'invention.
  • L'élément électriquement conducteur allongé peut avoir de préférence une conductivité spécifique d'au moins 15%, de préférence d'au moins 25%, et plus préférentiellement d'au moins 35%.
  • La conductivité spécifique d'un matériau s'exprime en S.m2.kg-1, et correspond au rapport de sa conductivité électrique exprimée en siemens par mètre (S/m) divisée par sa masse volumique exprimée en kg/m3.
  • La conductivité spécifique d'un matériau, exprimée en %, est déterminée par rapport à la conductivité spécifique à 20°C du cuivre pur recuit qui est de 6524,71 S.m2.kg-1. La masse volumique à 20°C du cuivre pur recuit est de 8890 kg.m-3.La conductivité électrique (S/m) caractérise l'aptitude d'un matériau à laisser les électrons qu'il contient se déplacer librement sous l'effet d'un champ électrique et donc permettre le passage d'un courant électrique.
  • Dans l'invention, un ensemble de fibres de carbone métallisées est défini comme plusieurs fibres de carbone métallisées organisées, par exemple, de façon parallèle les unes aux autres. Selon une variante possible, les fibres de carbone d'un ensemble peuvent être torsadées ou tressées.
  • Dans le câble électrique de l'invention, l'ensemble de fibres de carbone métallisées peut comprendre au moins 2 fibres de carbone métallisées, de préférence au moins 1000 fibres de carbone métallisées, de préférence au moins 3000 fibres de carbone métallisées, de préférence au moins 6000 fibres de carbone métallisées, et plus préférentiellement au moins 12000 fibres de carbone métallisées.
  • Dans le câble électrique de l'invention, l'ensemble de fibres de carbone métallisées peut comprendre au plus 48000 fibres de carbone métallisées, voire même l'ensemble de fibres de carbone métallisées peut comprendre plus de 48000 fibres de carbone métallisées.
  • Dans la présente invention, l'élément électriquement conducteur allongé peut comprendre :
    • uniquement une fibre de carbone métallisée, et/ou
    • un unique ensemble ou plusieurs ensembles de fibres de carbone métallisées, notamment au plus 10 ensembles de fibres de carbone métallisées.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'élément électriquement conducteur allongé de l'invention peut en outre comprendre au moins un conducteur métallique.
  • Lorsque l'élément électriquement conducteur allongé comprend plusieurs ensembles de fibres de carbone métallisées, chaque ensemble peut comprendre un nombre différent de fibres de carbone métallisées et/ou un métal différent constitutif de la couche métallique entourant les fibres de carbone.
  • Dans la présente invention, l'élément électriquement conducteur allongé peut être avantageusement l'élément le plus au centre du câble.
  • Plus particulièrement, l'élément électriquement conducteur allongé n'entoure de préférence pas de matériau isolant ou polymérique, notamment du type couche isolante ou polymérique.
  • L'élément électriquement conducteur allongé peut comprendre également des éléments additionnels comme par exemple une ou plusieurs fibre(s) de carbone non métallisée(s).
  • Dans la présente invention, la ou les couche(s) métallique(s) du ou des fibres de carbone métallisée(s) peu(ven)t comprendre au moins un métal choisi parmi le cuivre, le zinc, l'étain, l'argent, l'aluminium, et un de leurs alliages. Par « alliage », on entend la combinaison ou mélange d'au moins deux métaux, notamment choisis parmi ceux listés ci-dessus.
  • De préférence, la couche métallique peut comprendre uniquement du cuivre ou uniquement un alliage de cuivre.
  • Lorsque la fibre de carbone métallisée ou les fibres de carbone métallisées d'un ensemble de fibres de carbone métallisées sont entourées par plusieurs couches métallique(s), au moins une des couches métalliques peut comprendre du cuivre ou un alliage de cuivre, la ou les autres couches métallique(s) pouvant comprendre un métal différent, notamment choisi parmi le zinc, le nickel, l'étain, l'argent, l'aluminium, et un de leurs mélanges.
  • La couche métallique peut être directement en contact physique avec la fibre de carbone de la fibre de carbone métallisée ou avec chaque fibre de carbone dudit ensemble de fibres de carbone métallisées.
  • La couche métallique peut être liée par interactions physiques et/ou chimiques, de préférence par liaison covalente, à la fibre de carbone pour permettre une bonne adhésion de la couche métallique à la fibre de carbone.
  • Une couche intermédiaire dite « d'adhésion » peut être placée entre la fibre de carbone et la couche métallique de la fibre de carbone métallisée, afin d'améliorer l'adhésion de la couche métallique autour de la fibre de carbone. La couche intermédiaire peut être une couche métallique, pouvant comprendre un ou plusieurs métaux choisi(s) parmi l'étain, le nickel, le cuivre, l'aluminium, l'argent, et un de leurs mélanges.
  • Dans l'invention, la couche métallique a une épaisseur moyenne d'au moins 100 nm, de préférence d'au moins 500 nm, et plus préférentiellement d'au moins 1 µm. Dans un mode de réalisation particulier, l'épaisseur moyenne de la couche métallique peut être d'au plus 5 µm.
  • Plus particulièrement, l'épaisseur moyenne de la couche métallique est l'épaisseur moyenne en nombre entre au moins deux épaisseurs mesurées respectivement à deux points différents le long de la ou des fibre(s) de carbone. Si l'épaisseur de la couche métallique est sensiblement constante le long du ou des fibre(s) de carbone, l'épaisseur moyenne de la couche métallique est égale à l'épaisseur de la couche métallique en tout point de la / des fibre(s) de carbone.
  • L'épaisseur moyenne de la couche métallique peut être facilement déterminée par des techniques bien connues de l'homme du métier.
  • De préférence, la couche métallique peut avoir une épaisseur constante sur toute la longueur de la fibre de carbone ou des fibre(s) de carbone d'un ensemble de fibres de carbone métallisées. Une épaisseur constante signifie que l'épaisseur de la couche métallique peut varier d'au plus ±30% par rapport à l'épaisseur moyenne de la couche métallique, de préférence d'au plus ±20% par rapport à l'épaisseur moyenne de la couche métallique, et plus préférentiellement d'au plus ±10% par rapport à l'épaisseur moyenne de la couche métallique.
  • Dans l'invention, l'épaisseur de la couche métallique peut être adaptée selon la nature du métal ou des métaux qu'elle comprend et selon la conductivité souhaitée. En particulier, une couche métallique comprenant un métal ayant une conductivité faible peut être plus épaisse qu'une couche métallique comprenant un métal ayant une conductivité plus élevée.
  • La métallisation de la fibre de carbone ou des fibre(s) de carbone d'un ensemble de fibres de carbone peut être réalisée par un procédé choisi parmi l'électrodéposition, l'électroplacage (connu sous l'anglicisme « electroplating »), l'électroplacage sans courant électrique (connu sous l'anglicisme « electroless plating »), l'évaporation thermique sous vide (« heated evaporation »), l'évaporation par faisceau d'électrons (« electron beam evaporation »), la pulvérisation cathodique (« sputtering »), la déposition assistée par faisceau ionique (« ion assisted deposition »). Selon un mode de réalisation préféré, la métallisation de la ou des fibre(s) de carbone peut être réalisée par électrodéposition.
  • Dans l'invention, la ou les fibre(s) de carbone métallisée(s) peu(ven)t avoir une longueur allant de 100 m à 200 km, de préférence allant de 100 m à 10 km, et plus préférentiellement allant de 100 m à 3 km. Grâce à l'utilisation d'une fibre de carbone métallisée ou d'un ensemble de fibres de carbone métallisées, une bonne conductivité spécifique et de bonnes propriétés mécaniques sont maintenues sur toute la longueur du câble électrique.
  • La fibre de carbone (non métallisée) d'une fibre de carbone métallisée ou les fibres de carbone (non métallisées) constitutives de l'ensemble de fibres de carbone métallisées a/ont un diamètre allant de 0,5 µm à 100 µm, de préférence allant de 1 µm à 50 µm, et plus préférentiellement allant de 5 µm à 10 µm. Ces valeurs sont données pour la fibre de carbone sans tenir compte de l'éventuelle ou des éventuelles couche(s) métallique(s) la recouvrant.
  • La fibre de carbone métallisée ou l'ensemble de fibres de carbone métallisées peut avoir une section allant de 0,2 µm2 à 1000 µm2, de préférence allant de 1 µm2 à 500 µm2, et plus préférentiellement allant de 10 µm2 à 100 µm2.
  • Selon l'invention, l'élément électriquement conducteur allongé peut avoir une conductivité électrique en courant continu d'au moins 3% IACS, de préférence d'au moins 5% IACS, et plus préférentiellement d'au moins 10% IACS. Selon l'invention, l'élément électriquement conducteur allongé peut avoir une conductivité électrique en courant continu d'au plus 50% IACS
  • La conductivité électrique d'un matériau s'exprime en siemens par mètre (S/m).
  • La conductivité électrique d'un matériau, exprimée en % IACS (IACS correspondant à l'anglicisme « International Annealed Copper Standard »), est déterminée par rapport à la conductivité électrique à 20°C du cuivre pur recuit qui est de 5,8001x107 S/m.
    • Couche polymérique
  • Dans l'invention, l'élément électriquement conducteur allongé est entouré par au moins une couche polymérique. De préférence, la couche polymérique est une couche électriquement isolante. On entend par « couche électriquement isolante » une couche dont la conductivité électrique peut être d'au plus 1.10-9 S/m (siemens par mètre) (à 25°C).
  • Selon une première variante possible, l'élément électriquement conducteur allongé peut comprendre une unique fibre de carbone métallisée entourée par au moins une couche polymérique.
  • Selon une deuxième variante possible, l'élément électriquement conducteur allongé peut comprendre plusieurs fibres de carbone métallisées, l'ensemble desdites fibres métallisées étant entouré par au moins une couche polymérique.
  • On entend par couche polymérique une couche comprenant au moins un polymère, le terme « polymère » en tant que tel signifiant de façon générale homopolymère ou copolymère (e.g. copolymère séquencé, copolymère statistique, terpolymère, ...etc).
  • Dans l'invention, le polymère peut être avantageusement un polymère d'oléfine (polyoléfine) ou, en d'autres termes, un homo- ou co-polymère d'oléfine, et peut être notamment un polymère thermoplastique ou réticulé.
  • De préférence, le polymère d'oléfine est un polymère d'éthylène ou de propylène.
  • La couche polymérique de l'invention peut comprendre au moins un polymère choisi parmi un polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE), un polyéthylène très basse densité (VLDPE), un polyéthylène basse densité (LDPE), un polyéthylène moyenne densité (MDPE), un polyéthylène haute densité (HDPE), un copolymère d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), un copolymère d'éthylène et d'acrylate de butyle (EBA), d'acrylate de méthyle (EMA), de 2-hexyléthyl acrylate (2HEA), un copolymère d'éthylène et d'alpha-oléfines, un copolymère d'éthylène et de propylène (EPR), un polyuréthane, un polymère fluoré, un polymère chloré tel qu'un polychlorure de vinyle (PVC), un polyoxyde de phénylène (PPO), un polymère technique, et un leurs mélanges.
  • Comme exemple de copolymère d'éthylène et d'alpha-oléfine, on peut citer par exemple les polyéthylène-octène (PEO).
  • Comme exemple de copolymères d'éthylène et de propylène (EPR), on peut citer les terpolymères d'éthylène propylène diène (EPDM).
  • On entend par « polymère technique » un polymère ayant des propriétés améliorées, pouvant être notamment choisi parmi un polyphényléthylène éther, un polyamide, le polyétheréthercétone (PEEK), un polyimide, un copolymère d'éthylène fluoré (FEP), un polyéthylène furanoate (PEF), et un de leurs mélanges.
  • La couche polymérique peut en outre comprendre au moins un additif choisi parmi les antioxydants, les stabilisants, des agents de réticulation, des retardateurs de grillage, des co-agents de réticulation, des agents favorisants la mise en œuvre tels que des lubrifiants ou des cires, des agents compatibilisants, des agents de couplage, des stabilisants des charges, et un de leurs mélanges.
  • De préférence, la couche polymérique est une couche dite « HFFR » pour l'anglicisme « Halogen-Free Flame Retardant » selon la norme IEC 60754 Parties 1 et 2 (2011).
  • La couche polymérique peut en outre comprendre au moins une charge. La charge de l'invention peut être une charge minérale ou organique. Elle peut être choisie parmi une charge ignifugeante, une charge inerte, et un de leurs mélanges.
  • A titre d'exemple, la charge ignifugeante peut être une charge hydratée, choisie notamment parmi les hydroxydes métalliques tels que par exemple le dihydroxyde de magnésium (MDH) ou le trihydroxyde d'aluminium (ATH). Ces charges ignifugeantes agissent principalement par voie physique en se décomposant de manière endothermique (e.g. libération d'eau), ce qui a pour conséquence d'abaisser la température de la couche polymérique et de limiter la propagation des flammes le long du dispositif électrique. On parle notamment de propriétés de retard à la flamme, bien connues sous l'anglicisme « flame retardant ».
  • La charge inerte peut être, quant à elle, de la craie, du talc, de l'argile (e.g. le kaolin), du noir de carbone, ou des nanotubes de carbone.
  • La couche polymérique peut de préférence être extrudée.
  • La couche polymérique peut être réticulée ou non réticulée. La réticulation peut s'effectuer par les techniques classiques de réticulation bien connues de l'homme du métier telles que par exemple la réticulation peroxyde et/ou l'hydrosilylation sous l'action de la chaleur ; la réticulation silane en présence d'un agent de réticulation ; la réticulation par faisceaux d'électron, rayons gamma, rayons X, ou microondes ; la réticulation par voie photochimique telle que l'irradiation sous rayonnement béta, ou l'irradiation sous rayonnement ultraviolet en présence d'un photo-amorceur. La réticulation est de préférence effectuée selon la technique de réticulation silane.
  • La couche polymérique peut avoir une épaisseur allant de 10 µm à 2 mm, de préférence de 100 µm à 1 mm, et plus préférentiellement de 100 µm à 700 µm.
    • Gaine
  • Le câble électrique de l'invention peut comprendre en outre une gaine, notamment une gaine de protection, entourant la ou les couche(s) polymérique(s).
  • De préférence, la gaine peut être la couche la plus à l'extérieure du câble électrique de l'invention.
  • La gaine est notamment une couche continue et uniforme autour d'au moins ladite couche polymérique. Elle permet d'assurer la protection du ou des élément(s) électriquement conducteur(s) allongé(s) isolé(s), notamment contre l'humidité, les détériorations d'origine mécanique et/ou les détériorations d'origine chimique. Elle peut aussi protéger contre les dommages mécaniques Cette gaine peut être réalisée classiquement à partir de matériaux thermoplastiques appropriées tels que des HDPE (polyéthylène haute densité), des MDPE (polyéthylène moyenne densité) ou des LLDPE (polyéthylène à basse densité linéaire) ; ou encore des matériaux retardant la propagation de la flamme ou résistant à la propagation de la flamme.
  • Les polymères cités pour la couche polymérique de l'invention peuvent également être utilisés pour la gaine.
  • De préférence, la gaine extérieure de protection est une gaine électriquement isolante.
  • La gaine peut avoir une épaisseur allant de 100 µm à 2 mm, de préférence de 100 µm à 1,5 mm, et plus préférentiellement allant de 100 µm à 1 mm.
    • Câble électrique
  • Le câble électrique de l'invention peut s'appliquer typiquement, mais non exclusivement, aux domaines des câbles d'énergie à basse tension (notamment inférieure à 6kV), à moyenne tension (notamment de 6 à 45-60 kV) ou à haute tension (notamment supérieur à 60 kV, et pouvant aller jusqu'à 800 kV), qu'ils soient à courant continu ou alternatif.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description d'exemples non limitatifs de câbles électriques selon l'invention, faits en référence à la figure 1.
  • La figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un câble électrique selon un mode de réalisation 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 vue en coupe transversale d'un câble électrique 1 selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
  • Le câble électrique 1 comprend un élément électriquement conducteur allongé 2 central comprenant un ensemble de 12 000 fibres de carbone métallisées 3, chaque fibre de carbone dudit ensemble étant entourée par une couche métallique de cuivre.
  • L'élément électriquement conducteur allongé 2 est entouré par une couche polymérique 4.
  • Une gaine électriquement isolante 5 est placée autour de la couche polymérique 4.
  • Dans cet exemple particulier, la couche polymérique 4 est directement en contact physique avec l'élément électriquement conducteur allongé 2 et la gaine électriquement isolante 5 est directement en contact physique avec la couche polymérique 4.
    • Exemples
  • Afin de montrer les effets techniques de la présente invention, des essais ont été réalisés à partir de fibres de carbone métallisées selon l'invention et des fibres de carbone dites « comparatives ».
    • Formation de l'élément électriquement conducteur allongé Exemple 1 (exemple comparatif)
  • L'exemple 1 consiste à préparer un élément électriquement conducteur allongé comprenant 12000 fibres de carbone non métallisées commercialisées par la société Toray sous la référence TORAYCA T300. Le diamètre de chaque fibre de carbone est de 7 µm. Leur longueur est de 200 mètres ou plus.
  • La masse volumique de l'élément électriquement conducteur allongé est déterminée par mesure densimétrique selon la norme ASTM D792-08, et est de 1,76 g/cm3.
    • Exemple 2 (exemple comparatif)
  • L'exemple 2 consiste à préparer un élément électriquement conducteur allongé comprenant 12000 fibres de carbone nickelées commercialisées par la société Teijin sous la référence TOHO TENAX HTS40. Le diamètre de chaque fibre de carbone seule (sans la couche de nickel) est de 7 µm, et la couche de nickel a une épaisseur de 1 µm autour de chaque fibre de carbone. La longueur des fibres de carbone nickelées est de 200 mètres ou plus.
  • La masse volumique de l'élément électriquement conducteur allongé est déterminée par mesure densimétrique selon la norme ASTM D792-08, et est de 2,7 g/cm3.
    • Exemple 3 (exemple selon l'invention)
  • L'exemple 3 consiste à préparer un élément électriquement conducteur allongé comprenant 12000 fibres de carbone cuivrées.
  • La métallisation des fibres de carbone par du cuivre est réalisée par électrodéposition, avec du cuivre métallique (Cu(0)) commercialisé par la société SIFCO sous la référence CUIVRE ALCALIN DEPOT EPAIS CODE 5280, autour respectivement de 12000 fibres de carbone non métallisées commercialisées par la société Toray sous la référence TORAYCA T300. Le diamètre de chaque fibre de carbone non métallisée est de 7 µm et leur longueur est de 200 mètres ou plus.
  • L'électrodéposition s'effectue avec un appareil du type générateur de courant de la marque TTI sous la référence QPX600DP, pendant environ 5 min, pour obtenir une couche cuivrée d'environ 1 µm d'épaisseur autour des fibres de carbone.
  • Un élément électriquement conducteur allongé est formé à partir des fibres de carbone cuivrées avec 12000 desdites fibres.
  • La masse volumique de l'élément électriquement conducteur allongé est déterminée par mesure densimétrique selon la norme ASTM D792-08, et est de 4,4 g/cm3.
    • Mesure de la conductivité spécifique des éléments électriquement conducteurs allongés des exemples 1 à 3
  • La mesure de la conductivité spécifique (%) des éléments électriquement conducteurs allongés des exemples 1, 2 et 3 est réalisée en mesurant 4 points selon la norme ASTM B193 et ISO 3915.
  • Le calcul de la conductivité spécifique est ensuite déterminé à partir de la valeur de la conductivité électrique et de la masse volumique de l'élément électriquement conducteur allongé.
  • Les résultats sont rassemblés dans le tableau ci-dessous :
    Conductivité spécifique (%)
    Exemple 1: 12000 fibres de carbone non métallisées 0,6
    Exemple 2 : 12000 fibres de carbone nickelées 7,4
    Exemple 3 : 12000 fibres de carbone cuivrées 39,9
  • Ainsi, l'élément électriquement conducteur de l'invention, tel qu'exemplifié dans l'exemple 3, présente une conductivité spécifique bien supérieure à celle de l'exemple 1 et de l'exemple 2.
  • L'élément électriquement conducteur de l'invention dans un câble électrique permet de limiter de façon significative, voire d'éviter, l'utilisation de conducteurs métalliques massifs, tout en ayant de très bonnes propriétés mécaniques et physico-chimiques.

Claims (12)

  1. Câble électrique (1) comprenant au moins un élément électriquement conducteur allongé (2) entouré par au moins une couche polymérique (4), ledit élément électriquement conducteur allongé (2) comprenant une fibre de carbone métallisée ou au moins un ensemble de fibres de carbone métallisées (3), caractérisé en ce que la fibre de carbone métallisée ou ledit ensemble (3) de fibres de carbone métallisées a une conductivité spécifique d'au moins 8%, en ce que la fibre de carbone métallisée ou l'ensemble de fibres de carbone métallisées comprend respectivement une ou des fibres de carbone entourée(s) par au moins une couche métallique, la couche métallique ayant une épaisseur moyenne d'au moins 100 nm, et en ce que la fibre de carbone de la fibre de carbone métallisée ou les fibres de carbone constitutives de l'ensemble de fibres de carbone métallisées a/ont un diamètre allant de 0,5 µm à 100 µm.
  2. Câble électrique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément électriquement conducteur allongé (2) a une conductivité spécifique d'au moins 15%, de préférence d'au moins 25%, et plus préférentiellement d'au moins 35%.
  3. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ensemble de fibres de carbone métallisées (3) comprend au moins 1000 fibres de carbone métallisées, de préférence au moins 6000 fibres de carbone métallisées, et plus préférentiellement au moins 12000 fibres de carbone métallisées.
  4. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche métallique comprend du cuivre ou un alliage de cuivre.
  5. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche métallique est directement en contact physique avec la fibre de carbone de ladite fibre de carbone métallisée ou avec chaque fibre de carbone dudit ensemble de fibres de carbone métallisées.
  6. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche métallique a une épaisseur moyenne d'au moins 500 nm, et plus préférentiellement d'au moins 1 µm.
  7. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une gaine (5) entourant la couche polymérique (4).
  8. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les fibres de carbone métallisée(s) ont une longueur allant de 100 m à 200 km, de préférence allant de 100 m à 10 km, et plus préférentiellement allant de 100 m à 3 km.
  9. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre de carbone de la fibre de carbone métallisée ou les fibres de carbone constitutives de l'ensemble de fibres de carbone métallisées a/ont un diamètre allant de 1 µm à 50 µm, et plus préférentiellement allant de 5 µm à 10 µm.
  10. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément électriquement conducteur allongé (2) a une conductivité électrique en courant continu d'au moins 3% IACS, de préférence d'au moins 5% IACS, et plus préférentiellement d'au moins 10% IACS.
  11. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur allongé (2) est l'élément le plus au centre du câble.
  12. Câble électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur allongé (2) n'entoure pas de matériau isolant ou polymérique.
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