FR2463490A1 - Composants magnetiques composes de particules ferromagnetiques incorporees dans une matrice en un polymere solidifie et procedes de fabrication - Google Patents

Composants magnetiques composes de particules ferromagnetiques incorporees dans une matrice en un polymere solidifie et procedes de fabrication Download PDF

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Abstract

L'INVENTION A POUR OBJET DE NOUVEAUX COMPOSANTS MAGNETIQUES COMPOSES DE PARTICULES FERROMAGNETIQUES INCORPOREES DANS UNE MATRICE EN UN POLYMERE SOLIDIFIE. UN ELECTRO-AIMANT SELON L'INVENTION COMPORTE UN NOYAU 2 ENTOURE D'UNE BOBINE D'INDUCTION 1 ET UN EQUIPAGE MOBILE CONSTITUE PAR UNE MEMBRANE AIMANTEE BIPOLAIRE 2. LE NOYAU 2 ET LA MEMBRANE 3 SONT COMPOSES D'UN POLYMERE SOLIDIFIE PAR EXEMPLE D'UN ELASTOMERE DE SILICONE, DANS LEQUEL SONT INCORPOREES DE FINES PARTICULES FERROMAGNETIQUES. UNE APPLICATION EST LA CONSTRUCTION DE MECANISMES ELECTROMAGNETIQUES OU D'ORGANES ARTIFICIELS.

Description

La présente invention a pour objet des composants magnétiques composés de particules ferromagnétiques incorporées dans une matrice en un polymère solidifié et des procédés de fabrication de ces composants,
Le secteur technique de l'invention est celui de la construction de dispositifs et appareils comportant des circuits magnétiques, notamment des peler tro-aimants.
On utilise dans certains appareils des aimants permanentsen matériaux ferromagnétiques durs qui conservent leur aimantation tant qu'ils n'ont pas été soumis a un champ démagnétisant ou champ coercitif élevé, supérieur à quelques milliers d'ampères par mètre.
On utilise également des noyaux ou des armatures de circuits magnétiques en matériaux ferromagnétiques doux.
Les matériaux ferromagnétiques connus sont utilisés généralement sous la forme de tôles, de blocs ou de noyaux en alliages métalliques ou en poudres frittées.
Un des objectifs de la présente invention est d'obtenir des composants de circuits magnétiques, notamment des aimants permanents qui présentent la forme de membranes polarisées déformables qui peuvent être placées dans un champ magnétique alternatif qui les fait osciller.
Un autre objectif de la présente invention est d'obtenir de nouveaux composants magnétiques déformables qui comportent une matrice en un matériau de qualité médicale et chirurgicale qui peut être implanté dans un organisme sans donner lieu a des phénomènes de rejet, de telle sorte qu'il est possible de faire entrer ces nouveaux composants magnétiques déformables dans la composition de tissus musculaires artificiels.
On connaît des élastomères ou caoutchoucs synthétiques a base de polymères de silicone vulcanisés, qui sont adaptés aux usage bio-médicaux du fait qu'ils ne donnent pas lieu à des phénomènes de rejet et qui sont désignés du terme générique d'élastomère de silicone de qualité médicale.
Ces élastomères de silicone sont obtenus par vulcanisation, ctest-à-dire par reticulation de chaînes de polymères de silicone qui sont des polydiméthylsiloxanes de formule générale
Figure img00010001

ou des copolymères de diméthylsiloxane de formule générale
Figure img00020001
Une charge minérale finement divisée par exemple de la silice ou des diatomites est ajoutée au polymere pour améliorer ses propriétés mécaniques.
On utilise notamment l'es copolymères dans lesquels le radical monovalent
R est le radical propyl; méthylvinyl -C - H ou le radical phényl C6H5- II:
H-C-H
Les copolymeres de silicone du type méthylvinyl diméthyl silicone et phenylmethyl, vinylméthyl, diméthyl silicone sont vulcanisés à chaud en présence de peroxyde de dichlorobenzoyle de formule
Figure img00020002
On fabrique également des copolymeres de diméthylsiloxane qui sont vulcanisés à température ambiante en présence d'un catalyseur qui est généralement de l'octoate d'étain.
Ces élastomères de silicone sont vendus par la Société Dow Corning
Corporation sous la dénomination MDX 4 - 4514 - MDX 4-4515, MDX 4-4516 et MDX 4-4210 et sous la marque "Silastic". Ils sont décrits notamment dans un article intitulé : "la chimie et les propriétés des silicones de qualité médicale" par Silas Braley paru dans J.Macromol.SCI-CHEM A4(3) pp 529-544 Mai 1970.
Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen de nouveaux composants magnétiques qui comportent une matrice en un polymère solidifié dans la masse de laquelle sont incorporées de fines particules d'un matériau ferromagnétique qui ont été mélangées à l'état non aimanté au matériau liquide avant solidification.
L'invention a notamment pour objet des membranes aimantées bipolaires qui comportent une membrane déformable en un élastomère dans la masse de laquelle sont incorporées de fines particules d'un matériau ferromagnétique dur, qui ont été mélangées au matériau liquide à l'état non aimanté et qui ont été aimantées ultérieurement dans un champ magnétique perpendiculaire aux faces de ladite membrane, de sorte que l'on obtient une membrane bipolaire dans laquelle l'axe magnétique de la majorité des particules est perpendiculaire aux faces de la membrane.
Les particules de matériau ferromagnétique dur entrant dans la composition des membranes aimantées selon l'invention sont de préférence des ferrites de baryum de formule Ee203BaO ou des alliages de samarium et de cobalt.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les membranes aimantées présentent la forme d'un disque, en un élastomère souple, dans lequel des particules aimantées sont incorporées uniquement dans la zone centrale qui est entourée d'une.zone annulaire dépourvue de particules aimantées.
L'invention a pour objet des composants magnétiques destinés plus particulièrement à des applications bio-médicales, notamment dans des tissus musculaires artificiels. Ces composants comportent une matrice en un copolymère de polydiméthylsiloxane de formule:
Figure img00030001

dans laquelle R est un radical monovalent notamment un radical alkyl, phényl ou m#thylvinyl.
Les procédés de fabrication des composants magnétiques selon l'invention comportent les opérations suivantes - on mélange à un liquide durcissable par polymérisation ou par vulcanisation de fines particules d'un matériau ferromagnétique non aimantées - on dégaze le mélange sous vide et on moule le mélange pendant qu'il durcit.
Pour fabriquer un aimant permanent ayant la forme d'une membrane aimantée bipolaire, on soumettra membrane à un champ magnétique intense perpendiculaire aux faces de la membrane.
De préférence, on coule le mélange liquide dans un moule en un matériau amagnétique qui est placé dans le champ d'un inducteur et on soumet le mélange en cours de solidification à un champ magnétique intense perpendiculaire aux parois du moule qui délimitent -les faces de la membrane.
L'invention a pour résultat de nouveaux composant magnétiques particulièrement adaptés pour fabriquer divers mécanismes électromagnétiques du type électro-aimant, comportant un équipage mobile sous l'action d'un champ magnétique.
Les composants magnétiques selon l'invention présentent les avantages ci-après
On peut faire varier la proportion de particules ferromagnétiques incorporées dans la matrice jusqu'à 80 % du poids total.
Si on cherche à fabriquer des électro-aimants dans lesquels l'équipage mobile doit développer une force importante, on choisit des composants contenant une forte proportion de particules ferromagnétiques.
Si au contraire on cherche à- construire des servomécanismes électromagnétiques qui consomment peu d'énergie, et qui ont de bonnes propriétés dynamiques, on construit l'équipage mobile en une membrane dans laquelle soit on incorpore une proportion plus faible de particules ferromagnétiques de telle sorte que la membrane reste très souple et se déforme très -facilement, soit on incorpore des particules ferromagnétiques sur une partie seulement de la surface de la membrane.
Les membranes aimantées selon l'invention présèntent l'avantage que les axes magnétiques des particules ferromagnétiques sont orientes statistiquement en majorité dans une direction perpendiculaire aux faces de la membrane de telle sorte que l'on obtient un aimant permanent mince et déformable dont chaque face correspond à un pool.
Une telle membrane bipolaire fixée par sa périphérie et placée dans un champ magnétique alternatif, se déforme en flexion à la fréquence du champ alternatif et convient bien pour constituer l'equipage mobile d'un mécanisme électro-magnétique du type électro-aimant, lequel équipage mobile peut servir par exemple pour actionner un contact mobile, pour commander le déplacement d'un organe de commande mécanique du type poussoir, pour constituer une membrane déformable utilisable comme transducteur électro-acoustiqueetc...
Un avantage des composants selon 1 invention réside dans le fait que l'on peut faire entrer dans leur compositindes particules de matériaux ferroma gnétiques ayant une perméabilité magnétique élevée ce qui permet d'obtenir une induction magnétique élevée sous l'influence d'un champ magnétique inducteur relativement faible d'où une moindre consommation d'énergie.
Un avantage très intéressant des composants magnetiques: selon l'invention réside dans le fait que la matrice peut être constitueed'un silicone élastomère de qualité médicale, par exemple d'un copolymère de polydiméthylsiloxane.
Dans ce cas, le composant dans lequel sont incorporées les particules ferromagnétiques peut être entièrement enrobé dans une couche du même matériau que la matrice, de telle sorte que l'on obtient ainsi des composants déformables qui peuvent être incorporés dans un organisme vivant sans entraîner des phénomenes de rejet et qui peuvent constituer des organes artificiels mobiles commandés par un champ magnétique.
La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de mise en oeuvre et un exemple de fabrication de composants magnétiques selon l'invention.
La figure 1 représente une coupe transversale d'un appareil électro- magnétique comportant des composants selon 1 invention et la figure 2 une vue de face de la membrane aimantée.
Les figures 3 et 4 représentent deux étapes successives de la fabrication d'une membrane aimantée bipolaire selon l'invention.
Les figures 1 et 2 représentent un appareil électromagnétique, du type electro-aimant, qui comporte une bobine d'induction 1 disposée autour d'une armature ou noyau 2 en un composant ferromagnétique ayant les propriétés du fer doux.
Le passage d'un courant dans la bobine 1 induit une induction magnétique
B dans l'armature 2 et cette induction change de sens avec le sens du courant.
L'appareil comporte, en outre, une membrane aimantée et déformable 3 qui a par exemple la forme d'un disque mince. Cette membrane est placée dans le champ de l'armature 2. Elle est encastrée sur toute sa périphérie entre deux supports annulaires 4 et 5, par exemple par des vis 6 ou par tout autre moyen de fixation équivalent.
L'armature 2 et la membrane aimantée 3 sont des composants magnétiques selon l'invention.
L'armature 2, qui est fixe comporte une matrice en un polymère qui est obtenu par solidification d'un liquide ou en un élastomère qui est obtenu par réticulation d'un polymère liquide. Par exemple, la matrice est un silicone élastomère obtenu par vulcanisation d'un polymère liquide.
Avant réticulation, on incorpore dans le liquide de fines particules dont la granulométrie est contrôlée et comprise entre 0,5 et plusieurs microns, selon la nature de la poudre ferromagnétique, telle que fer, nickel, cobalt, alliage et ferrites, granulométrie dont dépendent les propriétés magnétiques ultérieures.
Après avoir soigneusement mélangé les particules au produit liquide, par exemple à l'abri de l'air, dans le cas des particules ferroma8etiques facilement oxydables, telles que les alliages Samarium Cobalt de faible granulométrie, ou encore, d'une façon générale, sans brasser de façon excessive pour éviter l'introduction d'air dans le mélange : élastomère, poudre ferromagnétique, on dégaze sous un vide de l'ordre de 101 à 10-2# de mercure. Afin d'améliorer le dégazage, on opère en plusieurs étapes successives en supprimant et en rétablissant plusieurs fois le vide.
Dans le cas particulier où la matrice de L'armature 2 est un élastomère de silicone qui est vulcanisé en présence d'un catalyseur, on a remarqué que les poudres ferromagnétiques de caractère métallique réagissent sur le catalyseur et empêchent ou ralentissent la vulcanisation.
Pour y remédier, on passive les particules de matériau ferromagnétique avant de les incorporer dans le produit liquide. Le traitement de passivation consiste à oxyder superficiellement les particules de matériau ferromagnétique soit par voie thermique, en les chauffant à une température supérieure à 1000 en atmosphère oxydante ou en présence de vapeur d'eau soit, de façon équivalente, par voie chimique en présence d'oxydants.
La proportion de particules ferromagnétiques incorporées dans le liquide durcissable peut varier selon les applications et atteindre jusqu a 80% du poids total.
Une fois le mélange dégazé; on le coule dans un moule où il durcit en prenant la forme de l'armature.
Un avantage des composants selon l'invention réside dans le fait qu'on peut les former par moulage et obtenir économiquement des composants magnétiques ayant des formes complexes.
La membrane aimantée 3 est également un composant magnétique selon l'invention qui est obtenu en incorporant des particules non aimantées
d'un matériau ferromagnétique dur, par exemple d'un ferrite de baryum, dans un liquide durcissable pa#r polymérisation ou par vulcanisation.
Comme pour la fabrication de l'armature 2, après dégazage du liquide contenant les particules, on le coule dans un moule pour obtenir une membrane mince puis on aimante les particules de matériau ferromagnétique dur en plaçant la membrane dans un champ magnétisant perpendiculaire aux faces de la membrane.
Dans les deux cas, les particules ferromagnétiques sont mélangées au liquide à l'état non aimanté, ce qui permet d'obtenir une répartition uniforme dans la masse du liquide qui serait impossible à obtenir avec des particules déjà aimantées.
On a représenté sur les figures 1 et 2, une membrane 3 qui comporte une zone centrale 3a représentée avec des pointillés, dans laquelle sont incorporées des particules aimantées et une zone annulaire 3b, entourant la zone centrale, qui est dépourvue de particules aimantées et qui est représentée en hâchures croisées. La matrice de ces deux zones est composée du même matériau, ce qui permet une fabrication en deux temps, avec un bon collage par liaison chimique entre les deux zones.
On peut incorporer dans la membrane 3 une ou plusieurs armatures textiles 3c qui sont représentées par des lignes croisées sur la figure 2.
Les figures 3 et 4 représentent deux étapes successives de la fabrication d'une membrane aimantée bipolaire 3.
La figure 3 représente un moule d'injection composé de deux parties 7 et 8 qui délimitent entre elles une cavité 9 en forme de disque. Le moule est en un matériau amagnétique, par exemple en polytétrafluoréthylène.
La figure 3 représente la phase de moulage de la zone centrale 3a contenant les particules ferromagnétiques. Dans cette étape, on insère dans la cavité 9 du moule un corps annulaire 10 qui occupe la place de la zone annulaire 3b. On injecte ensuite dans la partie centrale, par une canalisation d'injection Ili le mélange liquide ou pâteux contenant les particules ferromagnétiques non aimantées. Le moule est placé dans le champ d'un inducteur comportant un circuit magnétique 12 et des enroulements inducteurs 13 destinés à créer une induction magnétique B perpendiculaire aux faces horizontales du moule 7a et 8a qui délimitent la cavité 9 et qui correspondent aux faces de la membrane coulée dans le moule.
Bien entendu, l'inducteur peut être de tout autre type et notamment une bobine d'induction sans noyau pour pouvoir obtenir des valeurs d'induction plus élevées.
Grâce à ce dispositif, on applique un champ magnétisant B pendan#t la polymérisation dans le moule. Sous l'action du champ magnétisant, les particules ferromagnétiques ont tendance a s'orienter suivant les lignes de force du champ, comme le font des particules de limaille de fer placées dans un champ magnétique. Comme le matériau de la matrice est encore à l'état liquide, les particules sont relativement libres et elles peuvent pivoter pour s'orienter dans la direction du champ, c'est-à-dire perpendiculairement aux faces de la membrane.
On obtient, après aimantation, une membrane bipolaire déformable dont chacune des faces correspond à un pôle magnétique.
De préférence, on applique le champ d'aimantation B sous forme d'impulsions de courte durée qui sont produites à des instants bien déterminés de la polymérisation, notamment à l'instant où la viscosité du produit est la plus faible.
La figure 4 représente l'étape suivante du procédé de fabrication d'une membrane 3. On retrouve sur cette figure les deux parties du moule 7 et 8 entre lesquelles on a inséré des cales d'épaisseur 14 pour obtenir une cavité centrale 9a un peu plus épaisse que la cavité 9. Au centre de cette cavité, est place la partie centrale 3a contenant les particules ferromagnétiques qui a été mouleedans l'étape précédente. On a enlevé le corps 10 et on injecte du monomère ou du polymère liquide identique à celui qui compose la matrice de la zone centrale 3a dans la zone annulaire libre 9a, au moyen d'une canalisation d'injection 15.
Avant d'injecter dans la cavité annulaire 9a, on peut placer une ou plusieurs nappes d'armatures textiles 3c au dessus et au dessous de la pastille centrale 3a. Finalement, on obtient une membrane 3 qui comporte une zone centrale aimantée 3a entièrement enrobée dans un polymère ou un élastomère solide qui fait corps avec la zone centrale, car il s'agit du même matériau et il se produit un collage par. liaison chimique entre les deux zones.La zone annulaire 3b dépourvue de particules aimantées conserve toute la souplesse du matériau constituant la matrice, de sorte que l'on obtient un composant magnétique dont 11 épaisseur peut être grande, supérieure à quelques cm, et qui restera déformable par flexion grâce à la couronne souple dont l'épaisseur peut être inférieure, égale ou supérieure à celle de la zone aimantée ou partie active.
Un des avantages des composants magnétiques selon 1 invention réside dans le fait que les particules ferromagnétiques sont enrobées dans une matrice qui a une résistivité électrique élevée de sorte que les pertes par courant de Foucault sont réduites.
En variante, au lieu d'appliquer le champ magnétisant If pendant la polymérisation comme le représente la figure 3, on peut également l'appliquer après que la membrane 3 a été moulée en plaçant celle-ci dans un champ magnétique intense créé par un inducteur. Dans ce cas, les particules ferromagnétiques sont aimantées de telle sorte que la majorité d'entre elles aient un axe magnétique pependiculaire aux faces de la membrane et on obtient également une membrane aimantée bipolaire. Les composants magnétiques selon l'invention permettent de construire des organes artificiels implantables analogues au dispositif selon les figures 1 et 2.
Ces organes comportent d'une part, un élément moteur qui est composé d'une bobine d'induction associée à une armature comme la bobine 1 et l'armature 2. Ils comportent, d'autre part, un composant aimanté déformable comme la membrane aimantée 3 qui est actionnée par le champ magnétique créé par la bobine d'induction. t'élément déformable peut être une membrane déformable en flexion ou un corps souple qui se déforme par contraction. Dans cette application médicale, le matériau composant la matrice de l'armature -2 et du composant aimanté déformable est un élastomère de silicone de qualité médicale. La bobine 1, de même que les composants magnétiques sont entièrement enrobés, chacun dans une couche de silicone élastomère de qualité médicale ne contenant pas de particules ferromagnétiques, de sorte que l'on obtient un organe artificiel qui ne donne lieu à aucun risque de rejet par l'organisme dans lequel il est implanté.

Claims (12)

R E V E-N D I C A T I O N S
1 - Composant magnétique caractérisé en ce qu'il comporte une matrice
en un polymère solidifié dans la masse de laquelle sont incorporées
de fines particules d'un matériau ferromagnétique qui ont été
mélangées à l'état non aimanté au matériau liquide avant solidification.
2 - Membrane aimantée bipolaire selon la revendication 1 comportant
une membrane déformable en un élastomère dans la masse de laquelle
sont incorporées de fines particules d'un matériau ferromagnétique
dur qui ont été mélangées à l'état non aimanté au polymère liquide
et qui ont été aimantées ultérieurement dans un champ magnétique
perpendiculaire aux faces de ladite membrane de sorte que l'on obtient
une membrane bipolaire dans laquelle l'axe magnétique de la majorité
des particules aimantées est perpendiculaire aux faces de la membrane.
3 - Membrane aimantée selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdites
particules sont des ferrites de baryum.
4 - Membrane aimantée selon la revendication 2 caractérisé en ce que
lesdites particules sont en alliage de samarium et de cobalt.
5 - Membrane aimantée selon l'une quelconque des revendications 2 à 4
caractérisé en ce qu'elle est composée d'une membrane, par exemple
un disque, en un élastomère comportant une zone central active dans
laquelle des particules ferromagnétiques sont incorporées, et une
zone annulaire, entourant ladite-zone centrale, qui est dépourvue
de particules, de sorte qu'elle permet d'utiliser au mieux les pro
priétés mécaniques de l'élastomère.
6 - Composant magnétique selon la revendication 1 destiné à des appli
cations bio-médicales, notamment pour entrer dans la composition de
tissus musculaires artificiels, caractérisé en ce que ladite matrice
est un silicone élastomère de qualité médicale, notamment un copolymère
de polydiméthylsiloxane de formule
Figure img00090001
méthylvinyl.
R étant un radical monovalent, notamment un radical alkyl, phényl ou
7 - Procédé de fabrication de composants magnétiques caractérisé en ce que
- on mélange# à un liquide durcissable par polymérisation ou par réti
culaticn de fines particules d'un matériau ferromagnétique non
aimantées,
- on dégaze le mélange sous vide et on moule le mélange avant dur
cissement.
8 - Procédé de fabrication de membranes aimantées bipolaires selon l'une
quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que
- on mélange à un liquide durcissable par polymérisation ou par
reticulation de fines particules d'un matériau ferromagnétique dur
non aimantées,
- on dégaze le mélange sous vide
- on ajoute un agent de durcissement
- on coule le mélange liquide dans un moule où il se solidifie en prenant
la forme d'une membran#e- et on soumet ladite membrane à un champ
magnétique intense perpendiculaire aux faces de ladite membrane.
9 - Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que
- on coule le mélange liquide dans un moule en un matériau amagnétique
et on place ledit moule dans un champ magnétique créé par un inducteur
de telle sorte que le mélange en cours de solidification est soumis à
un champ magnétique intense perpendiculaire aux faces du moule qui
délimitent les faces de ladite membrane.
10 - Procédé de fabrication selon la revendication 7 de composants magne
tiques composes d'une matrice en élastomère de silicone obtenu par
vulcanisation d'un polymère liquide en présence d'un catalyseur et de
particules d'un matériau ferromagnétique doux caractérisé en ce que
l'on passive les particules ferromagnétiques avant de les incorporer au
polymère liquide.
11 - Electro-aimant construit avec des composants magnétiques selon la
revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte
- une carcasse fixe, placée à l'intérieur d'une bobine inductrice qui est
composée d'un polymère solidifié dans lequel sont incorporées des
particules d'un matériau ferromagnétique doux
- et un équipage mobile qui est constitué par une membrane bipolaire
aimantée selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 qui est encastrée
par sa périphérie.
et, d'autre part, un composant aimanté déformable composé de particules d'un matériau ferromagnétique dur incorporées également dans une matrice déformable composée du même élastoiaère de silicone et en ce que ladite bobine, l'armature et ledit composant aimanté sont entièrement enveloppés dans une couche dudit élastomère de silicone dépourvue de particules ferromagnétiques.
corporées dans une matrice en élastomère de silicone de qualité médicale
armature composée de particules en un matériau ferromagnétique doux in
part, un élément moteur composé d'une bobine d'induction et d'une
12 ~Organe artificiel implantable caractérisé en ce qu'il comporte, d'une
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