EP4754164A1

EP4754164A1 - Resines composites thermodurcissables reparables sous stimulus magnetique oscillatoire pour l'isolation de modules de puissance

Info

Publication number: EP4754164A1
Application number: EP24761275.7A
Authority: EP
Inventors: Gérald LOPEZ
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2023-08-01
Filing date: 2024-07-29
Publication date: 2026-06-10
Also published as: WO2025027254A1; FR3151853A1

Abstract

La présente invention concerne un matériau composite à matrice vitrimère, son procédé de fabrication et ses utilisations. Le matériau de l'invention peut autoréparer à distance les défauts pouvant apparaître en son sein sous l'action d'un champ magnétique oscillatoire.

Description

DESCRIPTION

TITRE : RESINES COMPOSITES THERMODURCISSABLES REPARABLES SOUS STIMULUS MAGNETIQUE OSCILLATOIRE POUR L’ISOLATION DE MODULES DE PUISSANCE

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne un matériau composite à matrice vitrimère, son procédé de fabrication et ses utilisations.

Le matériau de l’invention peut autoréparer à distance les défauts pouvant apparaître en son sein sous l’action d’un champ magnétique oscillatoire.

Arrière-plan technique

L’arrière-plan technique comprend notamment les documents WO201 6/199637, KR 2018 0125825 et WO 2018/021623.

L’énergie électrique constitue un élément clé de la transition énergétique car elle représente l’une des alternatives aux énergies fossiles. Les acteurs de l’aéronautique visent le remplacement de certains systèmes (hydrauliques, mécaniques, pneumatiques) par des systèmes électriques, avec en ligne de mire des gains de masse importants et donc une baisse de la consommation de carburant et d’émissions polluantes. Ainsi, le marché des systèmes électriques de type convertisseurs de puissance est en fort développement. Les modules de puissance sont régulièrement utilisés en électronique pour réaliser des circuits de conversion d'énergie. Un module de puissance est constitué des éléments suivants : puces semi-conductrices, substrats céramiques métallisés, semelle, brasures, connexions électriques, et boîtier ([Fig. 1]). Ce dernier contient un encapsulant polymère. L’encapsulant a pour but, d’une part d’assurer la tenue diélectrique du module de puissance, d’autre part de protéger les puces semi-conductrices des agressions externes (humidité, contamination, etc.). De plus, il doit renforcer l’isolation électrique entre les conducteurs et améliorer la tenue aux décharges partielles dues notamment aux défauts des métallisations des substrats. Les résines silicones utilisées pour l’encapsulation de modules sont les produits offrant les meilleures performances en terme de flexibilité et, la plage de température de fonctionnement la plus élevée, en général de -45 à 200°C. Ce matériau étant souple et mou il n’exerce pas, ou peu, de contraintes sur les éléments du module de puissance (par exemple sur les câblages par fil appelés également pontages ou fils de bonding (wire bonding en anglais.

L’arrivée sur le marché de composants de puissance plus performants impose de nouvelles contraintes de fonctionnement (tension et température de service plus élevées). Par exemple, le phénomène de renforcement de champ au point triple se retrouve amplifié : Au sein d’un module de puissance, les zones se situant à la jonction entre le substrat, la métallisation et l’isolant polymère sont le siège d’un renforcement du champ électrique, ce qui peut entraîner l’apparition de décharges partielles comme montré en [Fig. 2].

Une décharge partielle est une décharge localisée dans une isolation. Celle- ci est dite partielle car elle ne court-circuite pas l'ensemble de l'isolation. L'extension de la décharge est limitée soit parce que le champ électrique local n'est pas suffisant pour provoquer sa propagation totale, soit parce que la propagation est bloquée par un isolant dont le champ de claquage est plus élevé. Si une décharge partielle ne conduit pas immédiatement à la mise hors service d'un appareil, elle est toutefois préjudiciable car elle engendre une dégradation des matériaux sous l'action de diverses contraintes : contrainte thermique générée localement par la décharge, contrainte chimique due aux produits de dégradation générés par la décharge, et érosion mécanique.

De récents travaux décrivent une résine thermoplastique dopée avec une faible quantité de nanoparticules superparamagnétiques de type oxyde de fer. Suite à un défaut électrique simulé, ces nanoparticules migrent vers la zone endommagée de la matrice sous l’effet d’un stimulus externe (champ magnétique oscillatoire ou « OMF » (Oscillating Magnetic Field en anglais)).

Il se produit localement une élévation de la température grâce à une relaxation de type Néel, entraînant la fusion de la matrice thermoplastique. La zone endommagée est ainsi réparée et les propriétés isolantes du matériau sont rétablies ([Fig. 3]). Ce procédé n’est normalement pas applicable à une matrice réticulée et infusible de type silicone ou époxy. En effet, les thermodurcissables sont des matériaux polymères dans lesquels les liaisons chimiques covalentes maintiennent un réseau 3D permanent reliant toutes les chaînes de polymères. Ils possèdent une résistance thermomécanique de loin supérieure à celle des thermoplastiques. Cependant, les thermodurcissables adoptent une forme permanente et ne peuvent être ni retraités ni recyclés.

Les vitrimères, dont l'initiative a été lancée en 2011 par Leibler et al. (Self- healing and thermoreversible rubber from supramolecular assembly.

DOI: 10.1038/nature06669), et mis en évidence par le Prix de l'inventeur européen 2015, surmonte les inconvénients des thermodurcissables en intégrant dans ces réseaux des liaisons transversales covalentes dynamiques qui sont gérées par des réactions d'échange en équilibre chimique. À partir d’une certaine température (dépendante du système de liaisons dynamiques en présence), l'équilibre chimique est suffisamment rapide pour promouvoir la réorganisation des réseaux à grande échelle, permettant ainsi la déformation plastique, le retraitement, le recyclage ou la soudabilité. Lorsque la température n’est pas suffisamment élevée pour activer l’échange dynamique de liaisons, le remaniement des liaisons chimiques est extrêmement lent voire inexistant et les vitrimères se comportent comme des réseaux interconnectés en permanence avec un service à long terme et une excellente résistance aux solvants. Ce comportement unique parmi les polymères organiques confère aux vitrimères des propriétés nouvelles à la frontière entre les thermoplastiques et les thermodurcissables.

Les premiers travaux relatifs à la réparation sous champ magnétique oscillatoire ou OMF ont été publiés par Corten et Urban en 2009 (Repairing Polymers Using an Oscillating Magnetic Field. DOI: 10.1002/adma.200901940). Ces auteurs ont montré la possibilité de réparer sous champ magnétique oscillatoire (300 kHz), un terpolymère thermoplastique synthétisé à partir de méthacrylate de méthyle, d’acrylate de butyle et de méthacrylate d’heptadécafluorodécyle et contenant plus de 10% en poids de nanoparticules superparamagnétiques d’oxyde de fer gamma d’un diamètre de 12 nm. Avec la même finalité, Ahmed et Ramanujan ont rapporté des matrices commerciales de type EVA (poly(éthylène-co-acétate de vinyle)) (Magnetic Field Triggered Multicycle Damage Sensing and Self- Healing. DOI: 10.1038/srep13773) et NBR (co-polymères d’acrylonitrile et de butadiène non réticulés) (Bio-Inspired Multiple Cycle Healing and Damage Sensing in Elastomer-Magnet Nanocomposites. DOI: 10.1002/macp.201900168) chargées en nanoparticules de ferrites Mn- Zn. Pancholi et Darr ont mené des investigations sur des nanocomposites superparamagnétiques à matrices thermoplastiques de type polycaprolactames (PA6) chargées en oxyde de fer (Tuneable magnetic nanocomposites for remote self-healing. DOI: 10. 1038/ s41598- 022- 14135- 8). Greenland ét al, ont décrit la synthèse d’un polyuréthane adhésif composite qui peut être chauffé et donc facilement décollé lors de l'exposition à un OMF (Composite polyurethane adhesives that debond-on- demand by hysteresis heating in an oscillating magnetic field. DOI:

10.1016/j.eurpolymj.2019.109264). Wang et al. ont démontré la possibilité de réparer et restaurer les propriétés diélectriques d’une matrice thermoplastique à base de polypropylène dopée avec une infime quantité (0,1 % en volume) de nanoparticules superparamagnétiques d’oxyde de fer fonctionnalisées en surface par du polyéthylène glycol (Self-healing of electrical damage in polymers using superparamagnetic nanoparticles. DOI: 10.1038/S41565-018-0327-4).

L'autoréparation dite « intrinsèque » est basée sur la réversibilité inhérente de la matrice polymère, et elle peut être déclenchée par divers stimuli (ex : chaleur, lumière, électricité). Parmi les interactions réversibles non covalentes, on peut citer les liaisons hydrogène. Ces dernières sont des interactions dipôle-dipôle qui peuvent s’établir entre un atome d’hydrogène lié par covalence à un atome très électronégatif porteur d’un doublet non liant (ex : fluor, oxygène, azote). La liaison hydrogène est plus faible qu'une liaison covalente, mais directionnelle tout comme elle, pouvant ainsi conférer un caractère de réseau dit « supramoléculaire » aux matrices polymères. D’autres interactions réversibles non covalentes ont été largement exploitées en chimie des polymères, parmi lesquelles les interactions hydrophobes, les liaisons ioniques, l’empilement pi ou le « TT-TT stacking » en anglais, la chimie de coordination. Quelques exemples de matrices présentant ce type d’interactions et réparables sous OMF sont présents dans la littérature. Schmidt et al. ont préparé des nanocomposites superparamagnétiques avec des matrices à base de n-butylacrylate et de tert-butylacrylate (Remote- controlled activation of self-healing behavior in magneto-responsive ionomeric composites. DOI: 10.1016/j.polymer.2015.04.024). Les motifs tert- butylacrylates sont hydrolysés afin d’obtenir des fonctions carboxylates ioniques, lesquelles engendrent la formation d’un réseau supramoléculaire. Skov et al. ont préparé des matrices silicones nanocomposites superparamagnétiques dopées avec de l’oxyde de fer et modifiées avec des motifs de type 2-ureido-4[1 H]-pyrimidone (A thermo-reversible silicone elastomer with remotely controlled self-healing. DOI: 10.1039/c7ra13686b). Ces derniers sont connus pour former des réseaux réversibles de liaisons hydrogènes.

Les élastomères thermoplastiques (TPE) sont souvent constitués de copolymères multiblocs cristall isables qui forment des matériaux biphasiques à température ambiante (20±5°C). Alors que les assemblages de segments durs jouant le rôle de réticulations physiques confèrent au matériau son élasticité, la phase molle assure sa souplesse. Au-dessus de leur température de fusion, les domaines durs se dissocient, entraînant une diffusion de chaînes et une transition solide-liquide macroscopique. D'autre part, lorsqu'ils sont refroidis à une certaine température dépendant de l’application, les segments durs confèrent au matériau des propriétés de type solide. Ce double comportement facilite considérablement la mise en œuvre des TPE, permettant la réutilisation, la réparation et le recyclage, à l'inverse des caoutchoucs vulcanisés. Baeza et al. ont préparé des TPE superparamagnétiques à base d’une matrice commerciale multiblocs de type polyuréthane et de micro- et nanocharges de fer (Ultrafast Remote Healing of Magneto-Responsive Thermoplastic Elastomer-Based Nanocomposites.

DOI: 10.1021 /acs. macromol.1 c02046). Il existe donc un réel besoin de disposer d’un matériau composite comprenant une matrice polymérique réticulée et infusible, notamment isolante, capable de s’autoréparer sous stimulus magnétique suite à une dégradation générée localement par une décharge électrique, notamment partielle, et ainsi avoir ses propriétés notamment isolantes rétablies. Plus particulièrement, il existe un réel besoin de disposer d’un matériau composite comprenant une matrice vitrimère, notamment isolante, intégrant dans ses réseaux des liaisons transversales covalentes dynamiques, et dont les défauts qui y sont générés par une décharge électrique, notamment partielle, sont réparables sous l’application d’un champ oscillatoire magnétique ou OMF.

Plus particulièrement encore, il existe un réel besoin de disposer d’un matériau composite comprenant une matrice vitrimère, notamment isolante, qui intègre dans ses réseaux des liaisons transversales covalentes dynamiques, tel que décrit ci-dessus qui puisse être retraité, recyclé, ou ressoudé.

Résumé de l'invention

La présente invention a précisément pour but de répondre à ces besoins, en fournissant un matériau composite à matrice vitrimère, caractérisé en ce qu’il comprend

(A) 50 à 99,9% en volume par rapport au volume total du matériau composite, d’une résine époxy, et

(B) 0,1 à 50% en volume par rapport au volume total du matériau composite, de particules magnétiques dispersées dans la résine.

Les particules magnétiques peuvent être paramagnétiques ou superparamagnétiques.

Selon un mode de réalisation de l’invention, les particules sont superparamagnétiques. Dans cet état, un champ magnétique extérieur peut aimanter lesdites particules, comme dans un matériau paramagnétique. Il est à noter que la susceptibilité magnétique de particules superparamagnétiques est beaucoup plus grande que celle des matériaux paramagnétiques. L’invention a pour objet également un procédé pour fabriquer un matériau composite à matrice vitrimère selon l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes :

1) on prépare un mélange de durcisseur et de catalyseur (mélange 1 ) et on chauffe le mélange à une température comprise entre 90 et 200°C, de préférence entre 100 et 180°C pendant 1 à 10h, de préférence pendant 1 à 5h, jusqu’à dissolution du catalyseur ;

2) on prépare une dispersion (mélange 2) en ajoutant des particules magnétiques à une résine époxy sous agitation à une température de 20 à 50°C, de préférence 30 à 40°C pendant 5 minutes à 3h, de préférence 30 minutes à 1 h ;

3) on met en contact les mélanges 1 et 2 (mélange 3) sous agitation et on chauffe le mélange résultant (mélange 3) à une température comprise entre 90 et 150°C, de préférence entre 100 et 130°C pendant 30 minutes à 10h, de préférence pendant 1 à 5h ;

4) à l’issu de l’étape 3), le mélange 3 est soumis à une température de 100 à 130°C pendant 30 minutes à 5h, de préférence entre 1 et 3h, jusqu’à réticulation complète du mélange.

Le matériau selon l’invention peut être employé dans un module de puissance comme par exemple, celui représenté en [Fig. 1], notamment pour l’isolation dudit module de puissance. Ainsi, l’invention concerne l’utilisation d’un matériau selon l’invention, pour l’isolation d’un module de puissance. L’apparition de décharges partielles au sein d’un matériau isolant de module de puissance peut entrainer une défaillance matérielle majeure. Le matériau de l’invention permet de s’autoréparer à distance et sans ouverture du boîtier protecteur du module de puissance, grâce à l’utilisation d’un champ magnétique oscillatoire ou OMF.

Ainsi, l’invention concerne un procédé de réparation d’un défaut d’origine électrique présent au sein d’un matériau composite à matrice vitrimère selon l’invention, caractérisé en ce qu’on applique un champ magnétique oscillatoire pendant une durée de 1 seconde à 300 minutes, de préférence inférieur à 60 minutes, avec une fréquence variant de 100 kHz à 20 MHz, de préférence variant de 100 kHz à 900 kHz. Le matériau de l’invention permet d’accéder à la réparation de matrices infusibles normalement non réparables et non recyclables qui sont employées pour l’isolation de modules de puissance, telles que les époxy ou les silicones. Ces dernières sont chargées de particules magnétiques, en particulier superparamagnétiques et possèdent des liaisons dynamiques (ex : ester, disulfures, etc.). Ainsi, ces matériaux composites à matrices dites vitrimériques sont réparés à distance : sous l’action d’un champ magnétique oscillatoire, les particules migrent vers une zone de défaut et engendrent une augmentation de la température localement, ce qui active l’échange des liaisons dynamiques et répare les défauts.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

[Fig. 1] représente un module de puissance.

[Fig. 2] représente un module de puissance avec la localisation d’un point triple. Substrat DBC (Direct Bonding Copper en anglais) ou substrat en cuivre à liaison directe est un substrat composé d'un isolant en céramique, AI2O3 ou AIN sur lequel du cuivre est fixé par une fusion eutectique à haute température.

[Fig. 3] représente la réparation d’une matrice thermoplastique composite sous stimulus magnétique comme décrit dans : Self-healing of electrical damage in polymers using superparamagnetic nanoparticles. DOI: 10.1038/S41565-018-0327-4.

[Fig. 4] représente la réparation d’une matrice vitrimère composite sous stimulus magnétique.

Description détaillée de l'invention

La présente invention concerne un matériau composite à matrice vitrimère, caractérisé en ce qu’il comprend

(A) 50 à 99,9% en volume par rapport au volume total du matériau composite, d’une résine époxy, et (B) 0,1 à 50% en volume par rapport au volume total du matériau composite, de particules magnétiques dispersées dans la résine.

Les matrices vitrimères, qui possèdent des liaisons covalentes dynamiques, n’ont jamais été déclinées sous forme de composites superparamagnétiques réparables sous OMF. L’invention repose donc sur le développement d’un matériau à matrice vitrimère dopée avec des particules magnétiques, de préférence, superparamagnétiques, afin de conférer à la matrice des propriétés d’autoréparation sous stimulus magnétique et ainsi éliminer les défauts pouvant apparaître au cours du cycle de vie d’un module de puissance, notamment ceux engendrés par les décharges partielles.

Dans un mode de réalisation de l’invention, la matrice vitrimère du matériau composite de l’invention est chargée avec des particules superparamagnétiques. Comme décrit en [Fig. 4], ces dernières migrent vers une zone de défaut d’origine électrique et permettent une augmentation de la température locale sous l’application d’un OMF grâce à une relaxation de type Néel. Cette augmentation de température induit l’échange rapide des liaisons dynamiques présentes au sein du réseau vitrimère et donc une remise en forme du matériau, notamment isolant, permettant l’élimination de défauts potentiellement générés par des décharges partielles.

Un matériau selon l’invention peut être employé dans un module de puissance comme celui représenté en [Fig. 1], notamment pour l’isolation dudit module de puissance.

Avantageusement, le matériau de l’invention permet de réparer des matrices réticulées communément employées pour l’isolation de modules de puissance telles que les époxy et les silicones. L’échange dynamique de liaisons sera induit par réchauffement local de la matrice grâce à la présence de particules magnétiques, en particulier superparamagnétiques, soumises à OMF. On peut ainsi régénérer un isolant dans un module très facilement et sans ouverture d’un quelconque boîtier protecteur, simplement en approchant une source OMF. Par ailleurs, la présence d’une résine aux propriétés vitrimères permet d’avoir un isolant qui est, en outre, capable de s’autoréparer sans source OMF, par exemple, dans le cas où il y aurait un emballement thermique, lequel pourrait activer l’échange dynamique propre aux vitrimères.

Le composant (A) du matériau de l’invention est la résine époxy. Des exemples de résines époxy sont les résines époxy Novolaques, le bisphénol A diglycidyl éther (DGEBA), le bisphénol F diglycidyl éther (BFDGE) , le tétraglycidyl méthylène dianiline (TGMDA), le pentaérythritol tétraglycidyl éther, le tétrabromo bisphénol A diglycidyl éther, les hydroquinones diglycidyl éther, l'éthylène glycol diglycidyl éther, le propylène glycol diglycidyl éther, le butylène glycol diglycidyl éther, le néopentyl glycol diglycidyl éther, le 1 ,4- butanediol diglycidyl éther, le 1 ,6-hexanediol diglycidyl éther, le cyclohexanediméthanol diglycidyl éther, le polyéthylène glycol diglycidyl éther, le polypropylène glycol diglycidyl éther, le polytétraméthylène glycol diglycidyl éther, le résorcinol diglycidyl éther, le néopentylglycol diglycidyl éther, le bisphénol A polyéthylène glycol diglycidyl éther, le bisphénol A polypropylèneglycol diglycidyl éther, le diglycidyl ester d'acide téréphtalique, les huiles végétales époxydées comme l’huile de maïs, de soja, de carthame et de lin etc., les huiles de poissons époxydées comme l’huile de capelan et de menhaden etc., le limonène époxydé, et leurs mélanges.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le matériau composite à matrice vitrimère comprend (A) 80 à 99,9% en volume par rapport au volume total du matériau composite, d’une résine époxy.

Les particules magnétiques constituent le composant (B) du matériau de l’invention. Les particules magnétiques sont choisies dans le groupe constitué des particules de fer, de nickel, de cobalt, d’un oxyde de fer comme FeO, FesO4, Fe4Os, FesOe, FesO , Fe2sO32, FeisOi9 et Fe2Os, (phases a, p, y et s), d’un oxyde de cobalt comme CoO et CO2O3, d’un oxyde de nickel comme NiO et Ni20s, et leurs mélanges. Elles peuvent être nanométriques (1 à 100 nm) ou micrométriques (0,1 à 100 pm) et de différentes formes (sphériques, aiguilles, etc...). Les tailles indiquées correspondent au diamètre des particules lorsqu’elles sont sphériques et à la longueur totale des particules lorsqu’elles sont en forme d’aiguille.

La quantité des particules dans la matrice est de 0,1 à 50% en volume par rapport au volume total du matériau composite. Selon un mode de réalisation de l’invention, la quantité des particules (B) dans la matrice est de 0,1 à 20% en volume par rapport au volume total du matériau composite, de particules magnétiques dispersées dans la résine particules magnétiques.

Le champ magnétique est appliqué pendant une durée de 1 seconde à 300 minutes, de préférence inférieur à 60 minutes, avec une fréquence variant de 100 kHz à 20 MHz, de préférence variant de 100 kHz à 900 kHz.

Optionnellement, les matériaux à matrices vitrimères contiendront également une ou plusieurs charges thermoconductrices (C) micro- et/ou nanométriques dont les dimensions sont celles indiquées ci-dessus pour les particules magnétiques (B). Des exemples de charges thermoconductrices (C) comprennent, mais sans s'y limiter, AIN (nitrure d'aluminium), BN (nitrure de bore), MgSiN2 (nitrure de magnésium et de silicium), SiC (carbure de silicium), graphite, graphite revêtu de céramique, graphite expansé, graphène, fibre de carbone, nanotube de carbone (CNT) ou noir de carbone graphité, ou un mélange de ceux-ci. La quantité de charge thermoconductrice (C) est suffisante pour que la composition ait une conductivité thermique supérieure ou égale à 0,5 W/mK. Dans un mode de réalisation de l’invention, le matériau composite comprend de 0,1 % à 80 % en volume par rapport au volume total du matériau composite, de charge(s) thermoconductrice(s) (C) telle(s) que décrite(s) ci-dessus. Dans un mode de réalisation de l’invention, le matériau composite comprend de 5 % à 80 % en volume par rapport au volume total du matériau composite, de charge(s) thermoconductrice(s) (C) telle(s) que décrite(s) ci-dessus.

L’invention a également pour objet, un procédé pour fabriquer un matériau composite à matrice vitrimère selon l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes :

La réticulation du mélange 3 peut être suivi par spectroscopie IR. La disparition des bandes caractéristiques du durcisseur et vc-o-c de la résine époxy, et l’apparition de la bande caractéristique v_c=o de l'ester montre l’avancement de la réticulation.

Comme indiqué, un matériau selon l’invention peut être employé dans un module de puissance comme celui représenté en [Fig. 1], notamment pour l’isolation dudit module de puissance.

Dans ce cas, on procède selon les étapes 1) à 3) du procédé décrit ci- dessus. A l’étape 3), après le chauffage, le mélange résultant est coulé dans un module de puissance, comme par exemple celui présenté en [Fig. 1], A l’étape 4), le module est chauffé entre 100 et 130°C pendant 30 minutes à 5h, jusqu’à réticulation complète de la matrice.

Dans le procédé de l’invention, un durcisseur est nécessaire pour former un réseau tridimensionnel réticulé à partir d'une résine époxy. Les durcisseurs couramment utilisés sont les acides carboxyliques, les amines, les anhydrides.

Des exemples de durcisseurs aminés sont diéthylène triamine, triéthylène tétramine, tétraéthylène pentamine, dihexylène triamine, cadavérine, putrescine, hexanediamine, spermine, isophorone diamine, phénylène diamine, diamino diphénylméthane, diamino diphénylsulfone, méthylène bischlorodiéthylaniline. Certaines amines peuvent contenir des fonctions disulfures échangeables afin de conférer les propriétés vitrimères au réseau formé. C’est le cas de la 4,4’-dithiodian iline (4-AFD), de la 2,2’-dithiodianiline, et de la cystamine. Certaines amines peuvent contenir des fonctions siloxanes échangeables afin de conférer les propriétés vitrimères au réseau formé. C’est le cas de la 1 ,3-bis(3-aminopropyl)-1 ,1 ,3,3-tetramethyl disiloxane (BAS).

Des exemples de durcisseurs anhydrides sont anhydride phtalique, anhydride méthylnadique, anhydride hexahydrophtalique, anhydride dodécylsuccinique, anhydride glutarique, anhydride succinique, anhydride maléique, anhydride chlorendique, anhydride nadique, anhydride tetrachlorophtalique, dianhydride pyromellitique, dianhydride d'acide 1 ,2, 3, 4 cyclopentanetétracarboxylique, polyanhydride polyazélaique, polyanhydride polysébacique.

Des exemples de durcisseurs acides sont le Pripol® 1017 d'Uniqema ou de Croda, mélange de 75-80% de dimères et 18-22% de trimères avec de l'ordre de 1 -3 % d'acides gras monomères, le Pripol® 1048 d'Uniqema ou de Croda, mélange de 50/50% de dimères/trimères, le Pripol® 1013 d'Uniqema ou de Croda, mélange de 95-98% de dimères et de 2-4% de trimères avec 0,2 % maximum d'acides gras monomères, le Pripol® 1006 d'Uniqema ou de Croda, mélange de 92-98% de dimères et d'un maximum de 4% de trimères avec 0,4 % maximum d'acides gras monomères, le Pripol® 1040 d'Uniqema ou de Croda, mélange de dimères et de trimères d'acide gras avec au moins 75% de trimères et moins de 1 % d'acides gras monomères, l'Unidyme® 60 d'Arizona Chemicals, mélange de 33% de dimères et de 67% de trimères avec moins de 1 % d'acides gras monomères, l'Unidyme® 40 d'Arizona Chemicals, mélange de 65% de dimères et de 35% de trimères avec moins de 1 % d'acides gras monomères, l'Unidyme® 14 d'Arizona Chemicals, mélange de 94% de dimères et de moins de 5% de trimères et autres oligomères supérieurs avec de l'ordre de 1 % d'acides gras monomères, l'Empol® 1008 de Cognis, mélange de 92% de dimères et de 3% d'oligomères supérieurs, essentiellement des trimères, avec de l'ordre de 5% d'acides gras monomères, l'Empol® 1018 de Cognis, mélange de 81 % de dimères et de 14% d'oligomères supérieurs, dont essentiellement des trimères, avec de l'ordre de 5 % d'acides gras monomères, le Radiacid® 0980 d'OIeon, mélange de dimères et trimères avec au moins 70% de trimères. Dans ce procédé, la quantité de durcisseur est notamment supérieure ou égale à la quantité molaire de résine époxy.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le durcisseur est un acide carboxyl ique.

Les acides carboxyliques réagissent avec les groupements époxydes en formant des esters. La présence d'au moins un composé durcisseur comportant au moins trois fonctions acide carboxylique permet de former un réseau tridimensionnel. Le durcisseur sera préférentiellement choisi parmi les acides carboxyliques sous forme de mélange de dimères et trimères d'acide gras.

Dans le cas de durcisseurs aminés, les amines réagissent avec les groupements époxydes en formant des amines substituées. Dans le cas de durcisseurs anhydrides, les anhydrides réagissent avec les groupements époxydes en formant des esters.

Si un rapport équimolaire 1 :1 entre les acides carboxyliques et les époxy est employé, un réseau poly-hydroxyester moyennement réticulé est obtenu. Avec un rapport 2:1 entre acides carboxyliques et époxy, un réseau polyester hautement réticulé est obtenu mais ce réseau ne comporte pas les groupes hydroxyle libres nécessaires pour une réaction de transestérification. Ainsi, un compromis doit être trouvé afin de permettre la transestérification mais également une haute densité de réticulation assurant robustesse et bonnes propriétés mécaniques.

L'activation du durcisseur par un catalyseur est parfois nécessaire.

Des exemples de catalyseurs sont 1 ,5,7-triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene4- pyrrolidinopyridine, diméthylaminopyridine, les sels de Zn, Sn, Mg, Co, Ca, Ti et Zr comme les acétylacétonates, notamment l'acétylacétonate de cobalt, l'acétylacétonate de samarium, les composés de l'étain tels que le laurate de dibutylétain, l'octoate d'étain, l'oxyde de dibutylétain, le dioctylétain, le dibutyldiméthoxyétain, le tétraphénylétain, le tétrabutyl-1 ,3- dichlorodistannoxane les acétates de terres rares, de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux tels que l'acétate de calcium, l'acétate de zinc, l'acétate d'étain, l'acétate de cobalt, l'acétate de nickel, l'acétate de plomb, l'acétate de lithium, l'acétate de manganèse, l'acétate de sodium acétate, acétate de cérium, les sels d'acides gras saturés ou insaturés et de métaux alcalins, alcalino-terreux et de terres rares, tels que le stéarate de zinc, les oxydes métalliques tels que l'oxyde de zinc, l'oxyde d'antimoine, l'oxyde d'indium, les alcoxydes métalliques tels que le tétrabutoxyde de titane, le propoxyde de titane, l'isopropoxyde de titane, l'éthoxyde de titane, les alcoxydes de zirconium, les alcoxydes de niobium, les alcoxydes de tantale, les alcoolates et hydroxydes de métaux alcalins, alcalino-terreux et de terres rares, tels que l'alcoolate de sodium, le méthylate de sodium, l'alcoolate de potassium, l'alcoolate de lithium, les acides sulfoniques comme l’acide sulfurique, l’acide méthane sulfonique, l’acide para-toluène sulfonique, les phosphines comme la triphénylphosphine, la diméthylphénylphosphine, la méthyldiphénylphosphine, la triterbutylphosphine, les phosphazènes.

Dans le procédé de l’invention, la quantité du catalyseur est de 0,1 à 40% molaire par rapport à la quantité molaire totale d'hydroxyle et d'époxy, de préférence de 5 à 25% molaire par rapport à la quantité molaire totale d'hydroxyle et d'époxy.

Le catalyseur est préférentiellement solubilisé dans le durcisseur par chauffage et sous agitation.

L’invention a également pour objet un procédé pour fabriquer un matériau composite à matrice vitrimère, le procédé comprenant les étapes suivantes :

3) on met en contact les mélanges 1 et 2 (mélange 3) sous agitation et on chauffe le mélange résultant (mélange 3) à une température comprise entre 90 et 150°C, de préférence entre 100 et 130°C pendant 30 minutes à 10h, de préférence pendant 1 à 5h ; 4) à l’issu de l’étape 3), le mélange 3 est soumis à une température de 100 à 130°C pendant 30 minutes à 5h, de préférence entre 1 et 3h, jusqu’à réticulation complète du mélange.

Tous les modes de réalisation indiqués plus haut s’appliquent ici aussi, seuls ou en combinaisons.

L’invention a également pour objet un matériau susceptible d’être obtenu par un tel procédé.

Comme déjà indiqué, le matériau selon l’invention peut être employé dans un module de puissance comme par exemple, celui représenté en [Fig. 1], notamment pour l’isolation dudit module de puissance. Ainsi, l’invention concerne l’utilisation d’un matériau selon l’invention, pour l’isolation d’un module de puissance.

Au sein d’un module de puissance, les zones se situant à la jonction entre le substrat, la métallisation et l’isolant polymère sont le siège d’un renforcement du champ électrique, ce qui peut entraîner l’apparition de décharges partielles. Ces dernières sont préjudiciables car elles engendrent une dégradation des matériaux sous l'action de diverses contraintes. Les matériaux de l’invention permettent de réparer à distance les défauts pouvant apparaître au sein des isolants employés dans les modules de puissance. Le matériau composite à matrice vitrimère selon l’invention utilisé par exemple, pour l’isolation d’un module de puissance, intégrant dans ses réseaux des liaisons transversales covalentes dynamiques, et dont les défauts qui y sont générés par une décharge électrique, notamment partielle, sont réparables sous l’application d’un champ oscillatoire magnétique ou OMF.

Ainsi, l’invention concerne un procédé de réparation d’un défaut d’origine électrique présent au sein d’un matériau composite à matrice vitrimère selon l’invention, caractérisé en ce qu’on applique un champ magnétique oscillatoire pendant une durée de 1 seconde à 300 minutes, de préférence inférieur à 60 minutes, avec une fréquence variant de 100 kHz à 20 MHz, de préférence variant de 100 kHz à 900 kHz Les matériaux selon l’invention peuvent être recyclés. EXEMPLES

Mode opératoire

Etape 1 : mélange durcisseur/catalyseur

Dans un ballon de 100 ml, sont introduits 10 g de Pripol® 1040 (Cargill Industrial Specialties) et 370 mg d'acétate de zinc dihydrate (Merck), soit un rapport molaire [Zn]/[COOH] de 0,05. Le mélange est chauffé sous vide par paliers de 110°C à 170°C pendant 3 heures jusqu'à complète dissolution du catalyseur.

Etape 2 : mélange particules magnétique/époxy

Dans un ballon de 100 ml, 20% en poids de particules de FesC (taille inférieure à 5 pm, Merck) ont été ajoutés à une solution concentrée de 4,63 g de DGEBA (Merck) dans le THF (Merck, 700 mg ml’¹). La solution a été placée dans un bain à ultrasons (Branson Ultrasonics™ CPXH) pendant 30 minutes afin d'assurer la dispersion homogène des particules au sein de la matrice. La solution a été placée dans une étuve (France Etuves XFE050) à 40°C afin de permettre l'évaporation lente du solvant.

Etape 3 : formulation composite

On ajoute 7,9 g de mélange préparé à l’étape 1 au mélange préparé à l’étape 2. Le mélange réactionnel est homogénéisé en chauffant à 130°C pendant 1 heure sous agitation mécanique puis coulé dans un module de puissance (propriété Safran) tel que présenté en [Fig. 1], Etape 4 : réticulation du système

Le module est placé dans une étuve à 130°C (France Etuves XFE050) pendant 48 heures afin de réticuler complètement le système. Une analyse en spectroscopie IR (Mettler Toledo ReactIR 702L) montre la disparition de la bande v_c=o de l'acide à 1705 cm’¹ ainsi que vc-o-c de la fonction époxyde à 915 cm’¹ et l'apparition de la bande v_c=o de l'ester à 1735 cm’¹.

Etape 5 : réparation du module sous OMF

Afin de vérifier la réparabilité du système, une entaille de 2 cm est réalisée au cutter dans l’isolant puis le boîtier du module est fermé hermétiquement. Le module est alors placé dans un champ magnétique oscillant de fréquence 850 KHz et d’amplitude 5 mT pendant 20 secondes grâce à l’emploi d’un inducteur magnétique (V3+ CEIA). Le boitier est alors ouvert et il est possible de constater à l’œil nu mais aussi sur un échantillon analysé au microscope (LEICA DVM6) que le matériau a été régénéré et que l’entaille a été cicatrisée.

EXEMPLE 1 : Système époxy-acide catalysé Echanges dynamiques de type transestérification

Bisphénol A diglycidyl éther (DGEBA, Merck) + Pripol® 1017 (Cargill Industrial Specialties) + acétate de zinc (Merck).

EXEMPLE 2 : Système éooxy-amine

Echanges dynamiques de type disulfures PDMS-diglycidyl éther (Merck) + 4,4’-dithiodianiline (4-AFD, Molekula).

EXEMPLE 3 : Système époxy-amine catalysé

Echanges dynamiques de type siloxane

DGEBA (Merck) + 1 ,3-bis(3-aminopropyl)-1 ,1 ,3,3-tétraméthyl disiloxane (BAS, TCI Chemicals) + 1 ,5,7-triazabicyclo[4.4.0]déc-5-ène (TBD, Merck).

Claims

REVENDICATIONS

1 . Matériau composite à matrice vitrimère, caractérisé en ce qu’il comprend

2. Matériau selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la résine époxy est choisie parmi les résines époxy Novolaques, le bisphénol A diglycidyl éther (DGEBA), le bisphénol F diglycidyl éther (BFDGE) , le tétraglycidyl méthylène dianiline (TGMDA), le pentaérythritol tétraglycidyl éther, le tétrabromo bisphénol A diglycidyl éther, les hydroquinones diglycidyl éther, l'éthylène glycol diglycidyl éther, le propylène glycol diglycidyl éther, le butylène glycol diglycidyl éther, le néopentyl glycol diglycidyl éther, le 1 ,4- butanediol diglycidyl éther, le 1 ,6-hexanediol diglycidyl éther, le cyclohexanediméthanol diglycidyl éther, le polyéthylène glycol diglycidyl éther, le polypropylène glycol diglycidyl éther, le polytétraméthylène glycol diglycidyl éther, le résorcinol diglycidyl éther, le néopentylglycol diglycidyl éther, le bisphénol A polyéthylène glycol diglycidyl éther, le bisphénol A polypropylèneglycol diglycidyl éther, le diglycidyl ester d'acide téréphtalique, les huiles végétales époxydées comme l’huile de maïs, de soja, de carthame et de lin, les huiles de poissons époxydées comme l’huile de capelan et de menhaden, le limonène époxydé, et leurs mélanges.

3. Matériau selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les particules magnétiques sont choisies dans le groupe constitué de particules de fer, de nickel, de cobalt, d’un oxyde de fer comme FeO, FesO4, Fe4Os, FesOe, FesO , Fe2sO32, FeisOi9 et Fe2Os, (phases a, 0, y et s), d’un oxyde de cobalt comme CoO et CO2O3, d’un oxyde de nickel comme NiO et Ni20s, et leurs mélanges.

4. Matériau selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend une ou plusieurs charges thermoconductrices (C), les charges étant choisies parmi AIN (nitrure d'aluminium), BN (nitrure de bore), MgSiN2 (nitrure de magnésium et de silicium), SiC (carbure de silicium), graphite, graphite revêtu de céramique, graphite expansé, graphène, fibre de carbone, nanotube de carbone (CNT) ou noir de carbone graphité, et leurs mélanges.

5. Matériau selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comprend 0,1 % à 80 % en volume par rapport au volume total du matériau composite, d’une ou de plusieurs charges thermoconductrices (C).

6. Procédé de fabrication d’un matériau composite à matrice vitrimère selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :

1) on prépare un mélange de durcisseur et de catalyseur (mélange 1 ) et on chauffe le mélange à une température comprise entre 90 et 200°C, pendant 1 à 10h, jusqu’à dissolution du catalyseur ;

2) on prépare une dispersion (mélange 2) en ajoutant des particules magnétiques à une résine époxy sous agitation à une température de 20 à 50°C, pendant 5 minutes à 3h ;

3) on met en contact les mélanges 1 et 2 (mélange 3) sous agitation et on chauffe le mélange résultant (mélange 3) à une température comprise entre 90 et 150°C, pendant 30 minutes à 10h ;

4) à l’issu de l’étape 3), le mélange 3 est soumis à une température de 100 à 130°C pendant 30 minutes à 5h, jusqu’à réticulation complète du mélange.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le durcisseur est choisi parmi

- un durcisseur aminé choisi parmi diéthylène triamine, triéthylène tétramine, tétraéthylène pentamine, dihexylène triamine, cadavérine, putrescine, hexanediamine, spermine, isophorone diamine, phénylène diamine, diamino diphénylméthane, diamino diphénylsulfone, méthylène bischlorodiéthylaniline , 4,4’-dithiodianiline (4-AFD), 2,2’-dithiodianiline, 1 ,3-bis(3-aminopropyl)- 1 ,1 ,3,3-tetramethyl disiloxane (BAS) ;

- un durcisseur anhydride choisi parmi anhydride phtalique, anhydride méthylnadique, anhydride hexahydrophtalique, anhydride dodécylsuccinique, anhydride glutarique, anhydride succinique, anhydride maléique, anhydride chlorendique, anhydride nadique, anhydride tetrachlorophtalique, dianhydride pyromellitique, dianhydride d'acide 1 ,2, 3, 4 cyclopentanetétracarboxylique, polyanhydride polyazélaique, polyanhydride polysébacique ; ou

- un durcisseur acide choisi parmi, le mélange de 75-80% de dimères et 18- 22% de trimères avec de l'ordre de 1 -3 % d'acides gras monomères connu sous le nom de « Pripol® 1017 commercialisé par Uniqema ou Croda » le mélange de 50/50% de dimères/trimères connu sous le nom de « Pripol® 1048 commercialisé par Uniqema ou Croda », le mélange de 95-98% de dimères et de 2-4% de trimères avec 0,2 % maximum d'acides gras monomères connu sous le nom de « Pripol® 1013 commercialisé par Uniqema ou Croda », le mélange de 92-98% de dimères et d'un maximum de 4% de trimères avec 0,4 % maximum d'acides gras monomères connu sous le nom de « Pripol® 1006 commercialisé par Uniqema ou Croda », le mélange de dimères et de trimères d'acide gras avec au moins 75% de trimères et moins de 1 % d'acides gras monomères connu sous le nom de

« Pripol® 1040 commercialisé par Uniqema ou Croda,, le mélange de 33% de dimères et de 67% de trimères avec moins de 1 % d'acides gras monomères connu sous le nom de « Unidyme® 60 commercialisé par Arizona Chemicals », le mélange de 65% de dimères et de 35% de trimères avec moins de 1 % d'acides gras monomères connu sous le nom de « Unidyme® 40 commercialisé par Arizona Chemicals, le mélange de 94% de dimères et de moins de 5% de trimères et autres oligomères supérieurs avec de l'ordre de 1 % d'acides gras monomères connu sous le nom de « Unidyme® 14 commercialisé par Arizona Chemicals », le mélange de 92% de dimères et de 3% d'oligomères supérieurs, essentiellement des trimères, avec de l'ordre de 5% d'acides gras monomères connu sous le nom de « Empol® 1008 commercialisé par Cognis », le mélange de 81 % de dimères et de 14% d'oligomères supérieurs, dont essentiellement des trimères, avec de l'ordre de 5 % d'acides gras monomères connu sous le nom de « Empol® 1018 commercialisé par Cognis », le mélange de dimères et trimères avec au moins 70% de trimères connu sous le nom de « Radiacid® 0980 commercialisé par Oleon ».

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce la quantité de durcisseur est supérieure ou égale à la quantité molaire de résine époxy.

9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le catalyseur est choisi parmi 1 ,5,7-triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene4- pyrrolidinopyridine, diméthylaminopyridine, les sels de Zn, Sn, Mg, Co, Ca, Ti et Zr comme les acétylacétonates, notamment l'acétylacétonate de cobalt, l'acétylacétonate de samarium, les composés de l'étain tels que le laurate de dibutylétain, l'octoate d'étain, l'oxyde de dibutylétain, le dioctylétain, le dibutyldiméthoxyétain, le tétraphénylétain, le tétrabutyl-1 ,3- dichlorodistannoxane les acétates de terres rares, de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux tels que l'acétate de calcium, l'acétate de zinc, l'acétate d'étain, l'acétate de cobalt, l'acétate de nickel, l'acétate de plomb, l'acétate de lithium, l'acétate de manganèse, l'acétate de sodium acétate, acétate de cérium, les sels d'acides gras saturés ou insaturés et de métaux alcalins, alcalino-terreux et de terres rares, tels que le stéarate de zinc, les oxydes métalliques tels que l'oxyde de zinc, l'oxyde d'antimoine, l'oxyde d'indium, les alcoxydes métalliques tels que le tétrabutoxyde de titane, le propoxyde de titane, l'isopropoxyde de titane, l'éthoxyde de titane, les alcoxydes de zirconium, les alcoxydes de niobium, les alcoxydes de tantale, les alcoolates et hydroxydes de métaux alcalins, alcalino-terreux et de terres rares, tels que l'alcoolate de sodium, le méthylate de sodium, l'alcoolate de potassium, l'alcoolate de lithium, les acides sulfoniques comme l’acide sulfurique, l’acide méthane sulfonique, l’acide para-toluène sulfonique, les phosphines comme la triphénylphosphine, la diméthylphénylphosphine, la méthyldiphénylphosphine, la triterbutylphosphine, les phosphazènes.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la quantité du catalyseur est de 0,1 à 40% molaire par rapport à la quantité molaire totale d'hydroxyle et d'époxy.

11. Utilisation d’un matériau selon l’une quelconque des revendications 1 à

5, pour l’isolation d’un module de puissance.

12. Procédé de réparation d’un défaut d’origine électrique présent au sein d’un matériau composite à matrice vitrimère selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’on applique un champ magnétique oscillatoire pendant une durée de 1 seconde à 300 minutes, avec une fréquence variant de 100 kHz à 20 MHz.