FR3084202A1 - Materiau d'isolation electrique comprenant un melange de charges inorganiques micrometriques et procede de fabrication - Google Patents

Materiau d'isolation electrique comprenant un melange de charges inorganiques micrometriques et procede de fabrication Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un matériau composite d'isolation électrique (1) comprenant une matrice (2) époxy de type cycloaliphatique ou de type diglycidyléther, et de 15 à 45% de charges dont une première charge inorganique micrométrique (3) ayant un facteur de forme inférieur à 3 et une deuxième charge inorganique micrométrique (4) lamellaire dans un ratio volumique allant de 95/05 à 40/60. L'invention concerne également le procédé de fabrication d'un tel matériau composite d'isolation électrique (1), ainsi que son utilisation pour les supports isolants électriquement (9) dans un poste sous enveloppe métallique (5).

Description

La présente invention concerne un matériau composite d'isolation électrique, pouvant notamment être utilisé comme support pour conducteurs électriques dans des appareillages électriques à haute tension, comme les postes sous enveloppe métallique, désignés couramment par l'acronyme PSEM, soumis à une haute tension à courant alternatif et/ou continu.
Classiquement, un poste électrique sous enveloppe métallique est constitué d'un conducteur électrique haute tension maintenu au centre d'une enveloppe métallique à l'aide de supports isolants électriques, tels que des entretoises ou « spacers » en anglais. L'enveloppe externe est mise à la terre et l'isolation électrique de chaque phase par rapport à la masse est assurée par un milieu isolant à forte rigidité diélectrique, typiquement SF6. Ces postes sont très compacts et peuvent être installés à l'intérieur ou à l'extérieur des bâtiments.
Afin d'être utilisé en tant qu'isolant électrique, le matériau des supports isolants doit avoir une faible porosité, une haute rigidité diélectrique, une faible permittivité diélectrique et un faible coefficient d'expansion thermique. De plus, lors de leur utilisation, les supports isolants électriques sont soumis à une contrainte électrique permanente pouvant provoquer l'apparition de points chauds localement. Il est donc important que le matériau des supports isolants ait également une conductivité thermique élevée, et ce tout au long de la durée de vie des supports.
Généralement, les supports isolants électriques sont réalisés en un matériau composite, Le. en un assemblage d'au moins deux composants non miscibles. Typiquement, les supports isolants sont composés d'une matrice organique dans laquelle sont dispersées une ou plusieurs charges. La matrice est un matériau isolant électrique, par exemple formé par la réticulation d'un mélange réticulable, éventuellement en présence d'un durcisseur. Les charges peuvent être de type organique ou inorganique, micrométrique ou nanométrique, et de toutes formes. D'autres additifs peuvent être inclus dans cette matrice, comme des diluants ou des plastifiants par exemple.
Les supports isolants électriques peuvent être préparés de différentes manières, par exemple par extrusion, moulage ou injection. Le procédé par injection revêt un intérêt particulier car celui-ci permet, d'une part, de réduire les défauts pouvant apparaître lors de la conception, tels que des vacuoles ou des déformations lors du retrait de la matière, et permet, d'autre part, une uniformisation des pièces obtenues. Néanmoins, l'étape d'injection impose que le mélange réticulable chargé ait une rhéologie adaptée pour permettre une gélification sous pression automatisée sans apparition de bulles. Une telle rhéologie est aussi adaptée a une coulée gravitationnelle sous vide.
Les interfaces matrice-charge sont une zone de forte contrainte électrique. Tel que cela est représenté à la Figure 1, lors de la mise sous tension d'un matériau composite d'isolation électrique A, des points chauds (représentés par des étoiles) peuvent apparaître aux interfaces matrice a charge b, en particulier lorsque la matrice possède une faible conductivité thermique. Ceci est dû à l'absence de réseau phononique qui ne permet pas ou très mal le transfert d'énergie thermique à travers la matrice.
Des recherches ont été menées pour améliorer simultanément la conductivité thermique et la rigidité diélectrique des matériaux composites d'isolation électrique, et ont porté soit sur la matrice elle-même, soit sur les charges.
En ce qui concerne la matrice, les recherches ont porté sur la nature chimique de la matrice ou sur la modification de l'agent de réticulation par exemple. Cependant, toute modification de la matrice impose d'adapter le procédé de fabrication du matériau composite d'isolation électrique.
En ce qui concerne les charges, plusieurs solutions ont également été envisagées. En particulier, l'augmentation significative du taux de charge est une solution répandue pour atteindre une conductivité thermique élevée. Néamoins, cette solution présente généralement l'inconvénient de conduire à des matériaux à faible rigidité diélectrique. De plus, un fort taux de charges conduit à un mélange réticulable de viscosité élevée, ce qui peut rendre difficile l'étape de mise en œuvre et générer des défauts dans le matériau obtenu (par exemple une augmentation de la porosité).
Une autre solution répandue consiste à utiliser des charges nanométriques. Seules ou en combinaison avec des charges micrométriques, elles peuvent permettent un gain en rigidité diélectrique et en conductivité thermique. Cependant, l'ajout de charges nanométriques présente des inconvénients : nécessité de contrôler de la dispersion des charges pour éviter la formation d'aggrégats, augmentation de la viscosité, contraintes lourdes d'hygiène et sécurité lors de leur utilisation en raison de la nécessité d'éviter leur dissémination dans l'air, coût élevé...
Une autre solution pour obtenir une conductivité thermique élevée consiste à modifier la forme des charges, et notamment à utiliser des charges ayant un facteur de forme élevé, par exemple des charges lamellaires. En effet, la présence de charges à facteur de forme élevé permet un transfert d'énergie thermique le long de ces charges, et sur l'ensemble du réseau de charges, ce qui permet d'augmenter la conductivité thermique du matériau par rapport à un matériau comportant des charges à faible facteur de forme. De plus, dans le cas de charges lamellaires, l'augmentation du facteur de forme peut également permettre l'amélioration de la rigidité diélectrique grâce à leur effet barrière. Néanmoins, l'inconvénient des charges lamellaires est qu'elles entraînent une forte augmentaiton de la viscosité du mélange réticulable par rapport aux charges non lamellaires. Par conséquent, les taux de charges compatibles avec la mise en œuvre du mélange réticulable sont relativement faibles, ce qui risque de conduire à des matériaux dont le coefficient d'expansion thermique est trop élevé, qui résistent mal à l'érosition de surface par décharges partielles et au cheminement en surface.
Il existe donc un besoin d'un matériau composite d'isolation électrique qui, non seulement, a une faible porosité, une haute rigidité diélectrique, une faible permittivité diélectrique et un faible coefficient d'expansion thermique, une conductivité thermique élevée, et ce tout au long de sa durée de vie, mais également qui soit facile de mise en œuvre par un procédé par injection ou par coulée gravitationnelle.
La présente invention vise donc à remédier à ce problème en proposant un matériau composite d'isolation électrique comprenant une matrice époxy de type cycloaliphatique ou de type diglycidyléther, et de 15 à 45% en volume de charges par rapport au volume total de matériau composite d'isolation électrique. Le matériau composite d'isolation électrique selon l'invention comprend une première charge inorganique micrométrique ayant un facteur de forme inférieur à 3 et une deuxième charge inorganique micrométrique lamellaire ayant un facteur de forme allant de 3 à 100, le ratio volumique entre la première charge et la deuxième charge allant de 95/05 à 40/60.
Dans le cadre de l'invention, une « matrice époxy » désigne un polymère époxy réticulé.
Le facteur de forme d'une particule est le ratio entre la plus grande dimension de la particule considérée et sa plus petite dimension. Dans le cadre de l'invention, la plus grande dimension de la particule s'entend comme la plus grande dimension de la particule lorsque celle-ci est placée entre deux plans parallèles. De la même manière, la dimension la plus petite est la dimension la plus petite de la particule lorsque celle-ci est comprise entre deux plans parallèles. La plus petite dimension correspond à l'épaisseur de la particule lorsque celle-ci est plate.
Par « charge micrométrique », on entend des charges dont la plus grande dimension est comprise entre 2 micromètres et 100 micromètres.
Dans le cadre de l'invention, les dimensions sont des dimensions moyennes en nombre. Celles-ci peuvent être mesurées par l'emploi d'un logiciel de mesure couplé à un microscope, tel qu'un microscope électronique à balayage, MEB.
Par « charge lamellaire », on entend une charge ayant un facteur de forme supérieur ou égal à 3, et souvent supérieur à 5 voire supérieur à 10. Les charges lamellaires se présentent généralement sous la forme de plaques, plaquettes, feuilles ou feuillets empilés. Ces charges ont une épaisseur généralement comprise entre 5 et 500 nm, et une largeur et une longueur comprises entre 2 et 100 pm.
Le matériau composite d'isolation électrique selon l'invention a l'avantage de pouvoir être préparé par un procédé d'injection ou par coulée gravitationnelle tout en présentant une rigidité diélectrique élevée, un faible coefficient d'expansion thermique, une faible porosité, une conductivité thermique relativement élevée, et, de manière avantageuse, également une faible permittivité diélectrique. En effet, le choix judicieux de la forme et la taille des charges, et de leurs teneurs respectives, a permis de trouver un équilibre entre ces propriétés a priori antinomiques.
Le matériau composite d'isolation électrique selon l'invention peut présenter en outre une ou plusieurs caractéristiques additionnelles suivantes :
- la deuxième charge inorganique micrométrique a un facteur de forme allant de 10 à 50 ;
- la deuxième charge inorganique micrométrique est choisie parmi BN et AI2O3, et de préférence parmi hBN et AI2O3 ;
- la première charge inorganique micrométrique est choisie parmi S1O2, AI2O3, AI(OH)3, CaO, MgO, CaCOs, et T1O2 ;
- la teneur en charges va de 20 à 40% en volume, et de préférence de 25 à 35% en volume, par rapport au volume total du matériau composite d'isolation électrique ;
- le ratio volumique entre la première charge inorganique micrométrique et la deuxième charge inorganique micrométrique va de 70/30 à 50/50 ;
- la matrice est une matrice époxy de type diglycidyléther, et de préférence une matrice époxy de type diglycidyléther de bisphénol A (DGEBA) ;
- le matériau composite d'isolation électrique comprend en outre une troisième charge micrométrique, distincte de la première charge inorganique micrométrique et de la deuxième charge inorganique micrométrique ;
- la première charge inorganique micrométrique et/ou la deuxième charge inorganique micrométrique et/ou, lorsqu'elle est présente, la troisième charge micrométrique sont fonctionnalisées en surface ;
- le matériau composite d'isolation électrique se présente sous la forme d'un support isolant électriquement apte à maintenir en position un conducteur électrique dans un poste sous enveloppe métallique.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau composite d'isolation électrique selon l'invention. Pour cela, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :
a. préparation d'un mélange réticulable composé d'une résine époxy de type cycloaliphatique ou de type diglycidylether, d'une première charge inorganique micrométrique ayant un facteur de forme inférieur à 3, d'une deuxième charge inorganique micrométrique lamellaire ayant un facteur de forme allant de 3 à 100, et d'un agent de réticulation,
b. introduction dudit mélange réticulable dans un moule, et
c. réticulation du mélange réticulable situé dans le moule.
Dans le cadre de l'invention, le « mélange réticulable » s'entend comme le mélange d'une résine époxy de type cycloaliphatique ou de type diglycicyléther, des premières et deuxièmes charges inorganiques micrométriques, telles que définies dans le cadre de l'invention, d'un agent de réticulation, et éventuellement d'une ou plusieurs charges additionnelles et/ou d'additif(s). Un tel mélange est avantageusement réticulé, grâce à un moyen de réticulation, comme explicité ci-après.
Dans le cadre de l'invention, la « résine époxy » désigne un monomère ou un prépolymère époxy.
Dans le cadre de l'invention, on entend par « agent de réticulation » un agent (c'est-à-dire un composé chimique) permettant de réticuler la résine époxy. Par exemple, l'agent de réticulation peut être un activateur, ou un initiateur, ou un durcisseur en combinaison avec un activateur ou avec un initiateur, ou bien une combinaison d'un activateur, d'un initiateur et d'un durcisseur.
Le procédé selon l'invention est facile de mise en œuvre, et conduit à un matériau composite d'isolation électrique présentant une faible porosité, une rigidité diélectrique élevée, une faible permitivité diélectrique, un faible coefficient d'expansion thermique, et une conductivité thermique élevée.
Le procédé selon l'invention peut présenter en outre une ou plusieurs caractéristiques additionnelles suivantes :
- le mélange réticulable a une viscosité allant de 6000 mPa.s à 15000 mPa.s, de préférence de 10000 mPa.s à 12000 mPas, mesurée à 80 °C selon la norme ISO 12058 ;
- l'agent de réticulation est un activateur, ou un initiateur, ou un durcisseur en combinaison avec un activateur ou avec un initiateur, ou bien une combinaison d'un activateur, d'un initiateur et d'un durcisseur ;
- l'introduction du mélange réticulable dans le moule se fait par coulée gravitationnelle ou par injection dans le moule ;
- la réticulation est réalisée par application d'un moyen de réticulation tel que du chauffage ou des UV ;
- le mélange réticulable comprend en outre une troisième charge micrométrique.
Dans le cadre de l'invention, un « moyen de réticulation » est un moyen physique permettant la réticulation du mélange réticulable, tel que le chauffage ou les UV.
Un autre objet de l'invention concerne un poste sous enveloppe métallique (PSEM) comportant une enveloppe externe délimitant intérieurement une enceinte dans laquelle est monté un conducteur électrique haute tension à l'aide de supports isolants électriques réalisés en un matériau composite d'isolation électrique selon l'invention, ou réalisés en un matériau électrique obtenus par le procédé selon l'invention.
Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention.
La Figure 1 est une vue schématique d'un matériau composite d'isolation électrique hors invention, composé d'une matrice et de charges ayant un facteur de forme inférieur à 3. Les étoiles représentent des points chauds apparaissant à l'interface charge-matrice.
La Figure 2 est une vue schématique d'un matériau composite d'isolation électrique selon l'invention. Les étoiles représentent des points chauds apparaissant à l'interface charge-matrice. Les flèches représentent le transfert thermique.
La Figure 3 est une vue en coupe d'un poste électrique sous enveloppe métallique comprenant un support isolant électriquement sous forme de cône.
La Figure 4 est une vue en coupe d'un poste électrique sous enveloppe métallique comprenant un support isolant électriquement sous forme de « post-type ».
L'invention concerne un matériau composite d'isolation électrique 1 adapté à être utilisé pour former des supports isolants électriquement pour maintenir en position les conducteurs présents dans les PSEM. Le matériau composite d'isolation électrique est composé d'une matrice 2 dans laquelle est dispersé un mélange de charges inorganiques micrométriques.
La matrice 2 est formée par la réticulation d'une résine époxy de type cycloaliphatique ou d'une résine époxy de type diglycidyléther. De préférence, la matrice 2 est une matrice de type diglycidyléther, et en particulier diglycidyléther de bisphénol A.
Le matériau composite d'isolation électrique 1 comprend également un mélange d'au moins deux charges inorganiques micrométriques distinctes. La présence de ces deux charges permet d'augmenter la conductivité thermique du matériau composite d'isolation électrique 1 ainsi que sa tenue électrique.
La première charge inorganique micrométrique 3 a un facteur de forme inférieur à 3, et de préférence inférieur ou égal à 2, voire inférieur ou égal à 1,5.
La première charge inorganique micrométrique 3 de facteur de forme inférieur à 3 peut être de toute forme, et en particulier sphérique ou quasi sphérique.
Toute charge inorganique micrométrique avec un facteur de forme inférieur à 3, ayant des propriétés d'isolation électrique et de conductivité thermique, peut convenir en tant que première charge 3 dans le cadre de l'invention. A titre d'exemples de première charge inorganique micrométrique 3, on peut citer la silice (SiOz), l'alumine (AI2O3), l'hydroxyde d'aluminium (AI(OH)3), l'oxyde de calcium (CaO), l'oxyde de magnésium (MgO), le carbonate de calcium (CaCO3), et le dioxyde de titane (TiO2). De préférence, la première charge inorganique micrométrique 3 est choisie parmi la silice (SiO2) ou l'alumine (AI2O3).
Le matériau composite d'isolation électrique 1 comprend de préférence une seule charge de type première charge inorganique micrométrique 3. Néanmoins, le matériau composite d'isolation électrique 1 peut comprendre plusieurs charges de type première charge inorganique micrométrique 3, et en particulier deux.
La deuxième charge inorganique micrométrique 4 est de type lamellaire et a un facteur de forme allant de 3 à 100, et de préférence de 10 à 50.
Toute charge inorganique micrométrique lamellaire avec un facteur de forme allant de 3 à 100 peut convenir dans le cadre de l'invention en tant que deuxième charge 4. A titre d'exemples de deuxième charge inorganique micrométrique 4, on peut citer le nitrure de bore (BN) en particulier sous forme hexagonale (hBN), ou l'alumine (AI2O3). De préférence, la deuxième charge inorganique micrométrique 4 et choisie parmi le nitrure de bore sous forme hexagonale (hBN) ou et l'alumine (AI2O3).
Avantageusement, la deuxième charge inorganique micrométrique 4 lamellaire ne se présente pas sous forme d'aggrégat. Dans le cas contraire, les aggrégats sont de préférence cassés lors de la préparation du matériau d'isolation électrique 1, comme détaillé ci-dessous.
Le matériau composite d'isolation électrique i comprend de préférence une seule charge de type deuxième charge inorganique micrométrique lamellaire 4. Néanmoins, le matériau composite d'isolation électrique 1 peut comprendre plusieurs charges de type deuxième charge inorganique micrométrique 4, et en particulier deux.
Le matériau composite d'isolation électrique 1 comprend de 15 à 45% en volume de charges par rapport au volume total du matériau composite d'isolation électrique 1, et de préférence de 20 à 40% en volume, et mieux encore de 25 à 35% en volume. Cette teneur s'entend comme la teneur totale en charges, c'est-à-dire la teneur en première charge inorganique micrométrique 3, en deuxième charge inorganique micrométrique lamellaire 4 et en charges additionnelles lorsque celles-ci sont présentes, comme exposé ci-après.
Les première et deuxième charges inorganiques micrométriques sont présentes dans le matériau composite d'isolation électrique i dans un ratio volumique allant de 95/05 à 40/60, et de préférence allant de 70/30 à 50/50.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la première charge inorganique micrométrique 3 est choisie parmi l'alumine (AI2O3) et la silice (SiO2), et la deuxième charge inorganique micrométrique lamellaire 4 est choisie parmi le nitrure de bore sous forme hexagonale (hBN) et l'alumine (AI2O3).
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la résine époxy est une résine époxy de type diglycidyléther, et par exemple une résine de type diglycidyléther de bisphénol A, la première charge inorganique micrométrique 3 est choisie parmi l'alumine (AI2O3) et la silice (SiO2), et la deuxième charge inorganique micrométrique lamellaire 4 est choisie parmi le nitrure de bore sous forme hexagonale (hBN) et l'alumine (AI2O3).
Tel que cela est représenté à la Figure 2, la présence de la deuxième charge inorganique micrométrique lamellaire 4 permet d'augmenter les chemins conducteurs thermiques dans le matériau, idéalement par contact entre les particules mais également en réduisant la distance entre les charges au sein de la matrice jusqu'à un quasi contact, ce qui permet de réduire considérablement les dommages subis par le matériau dûs à l'apparition de points chauds. La première charge inorganique micrométrique 3 ayant un facteur de forme inférieur à 3 permet de combler les espaces vides entre les deuxièmes charges inorganiques micrométriques lamellaires 4, et ainsi améliorer encore la conductivité thermique du matériau. La deuxième charge inorganique micrométrique lamellaire 4 permet également d'améliorer la rigidité diélectrique du matériau.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le matériau composite d'isolation électrique 1 comprend en outre une ou plusieurs autres charges, différentes de la première et de la deuxième charges inorganiques micrométriques 3 et 4, nommées charges additionnelles. Selon ce mode de réalisation, ces charges additionnelles sont micrométriques et peuvent être des charges organiques ou inorganiques, de toute forme. A titre d'exemples de charges additionnelles, on peut citer des fibres de verre. Selon ce mode de réalisation, les charges additionnelles ne représentent pas plus de 10% en volume, et de préférence pas plus de 5%, par rapport au volume total du matériau composite d'isolation électrique 1. Lorsqu'elles sont présentes, ces charges additionnelles permettent d'améliorer des propriétés mécaniques ou physico-chimiques suivant les applications, par exemple hydrophobicité, résistance à la torsion, à la compression, à la flamme.
Dans le cadre de l'invention, une ou plusieurs charges (c'est-à-dire la première charge inorganique micrométrique 3, et/ou la deuxième charge inorganique micrométrique lamellaire 4, et/ou la ou les charges additionnelles lorsque celles-ci sont présentes) peuvent être fonctionnalisées en surface. Cette fonctionnalisation permet en particulier d'améliorer la compatibilité des charges avec la matrice, et alors d'améliorer la conductivité thermique du matériau et le coefficient d'expansion thermique. Les fonctionnalisations de surface des charges sont usuelles dans l'état de l'art et ne seront pas détaillées ici.
Le matériau composite d'isolation électrique 1 peut également comprendre des additifs tels que des plastifiants.
Avantageusement, le matériau composite d'isolation électrique 1 selon l'invention est faiblement poreux, et de préférence ne contient pas de porosités. En effet, une forte porosité empêcherait une utilisation comme isolant électrique pour la haute tension.
Le matériau composite d'isolation électrique 1 selon l'invention est préparé par introduction d'un mélange réticulable dans un moule, suivie d'une étape de réticulation.
La première étape consiste en la préparation d'un mélange réticulable. Pour cela, une résine époxy de type cycloaliphatique ou une de type diglycidyléther, et notamment une résine époxy de type diglycidyléther de bisphénol A, la première et la deuxième charges inorganiques micrométriques 3 et 4 telles que définies ci-dessus, et un agent de réticulation sont mélangés selon toute technique connue de l'homme de l'art. Lorsque le mélange comprend des charges additionnelles et/ou des additifs, ceux-ci sont incorporés au mélange réticulable lors de cette première étape.
Selon un mode de réalisation particulier, un prémélange résine époxy charges et un prémélange agent de réticulation - charges peuvent être préparés puis mis en contact afin de préparer le mélange réticulable.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la deuxième charge inorganique micrométrique 4 lamellaire utilisée ne se présente pas sous forme d'aggrégat. Selon un second mode de réalisation de l'invention, la deuxième charge inorganique micrométrique 4 lamellaire utilisée se présente sous forme d'aggrégat. Selon ce deuxième mode de réalisation, le procédé comprend alors avantageusement une étape pendant laquelle les aggrégats sont cassés, soit en amont de la préparation du mélange durcissable, soit pendant sa préparation. Des méthodes pour casser les aggrégats de charges lamellaires sont bien connues dans l'état de l'art et ne seront pas détaillées ici.
Le mélange réticulable comprend un agent de réticulation. Dans le cadre de l'invention, l'agent de réticulation peut être un activateur, ou un initiateur, ou un durcisseur en combinaison d'un activateur ou avec un initiateur, ou une combinaison d'un activateur, d'un initiateur et d'un durcisseur. Dans le cadre de l'invention, les activateurs, les durcisseurs et les initiateurs pouvant être utilisés pour la réticulation de la résine époxy de type cycloaliphatique ou de type diglycicyléther sont ceux habituellement employés dans l'état de l'art. A titre d'exemples de durcisseurs, on peut citer les diamines et les anhydrides. Le mélange réticulable doit avoir une viscosité permettant la fabrication par le biais d'une coulée gravitationnelle sous vide ou par gélification sous pression automatisée. Avantageusement, le mélange réticulable obtenu a une viscosité appartenant à la gamme allant de 6000 mPa.s à 15000 mPa.s, de préférence allant de 10000 mPa.s à 12000 mPa.s mesurée à 80 °C selon la norme ISO 12058. Avantageusement, le mélange réticulable obtenu a une viscosité appartenant à la gamme allant de 15000 mPa.s à 29000 mPa.s, de préférence de 18000 mPa.s à 24000 mPa.s, mesurée à 50 °C selon la norme ISO 12058.
Dans le cadre de l'invention, le contrôle de la viscosité du mélange réticulable est important, car une viscosité trop élevée conduirait à un mélange réticulable comportant des bulles, et donc un matériau final comportant des défauts et/ou poreux. Du plus, une viscosité élevée rendrait le mélange réticulable difficile à introduire dans le moule par injection ou par coulée gravitationnelle. A l'opposé une viscosité trop faible réduirait l'efficacité du procédé de fabrication par gélification sous pression automatisée.
Tel que cela est connu de l'homme de l'art, plus la teneur en charges est élevée, plus le mélange réticulable a une viscosité élevée. Ainsi, il est habituellement difficile d'obtenir un matériau composite d'isolation électrique à faible porosité par introduction dans un moule de résines chargées ayant une forte teneur en charges (en particulier, dans le cas de charges lamellaires, une teneur d'au moins 15% en volume par rapport au volume total du mélange réticulable). De manière surprenante dans le cadre de l'invention, l'augmentation de la viscosité due à ces taux élevés en charges est limitée, ce qui permet la coulée gravitationnelle du mélange réticulable ou son injection dans un moule. Le Demandeur a découvert que les mélanges réticulables avaient une rhéologie adaptée pour être mis en oeuvre par coulée gravitationnelle, voire pour pouvoir être injectés dans un moule, en choisissant judicieusement la nature et la forme de ces charges et leurs proportions, et conduisent à un matériau peu poreux. Cela est d'autant plus surprenant que la présence de charges lamellaires à ces taux élevés est connue pour augmenter habituellement la viscosité du mélange de sorte que cette mise en oeuvre est difficile, voire impossible.
Avantageusement, la répartition des charges dans le mélange réticulable est homogène.
La deuxième étape du procédé de fabrication selon l'invention consiste à introduire le mélange réticulable, obtenu à la première étape, dans un moule ayant la forme désirée. Cette introduction peut être réalisée selon toute technique connue de l'homme de l'art. De préférence, cette introduction dans le moule est réalisée soit par coulée gravitationnelle, soit par injection selon toute technique connue dans l'état de l'art.
La troisième étape consiste à réticuler le mélange réticulable préalablement introduit dans le moule. Cette étape peut être réalisée selon toute technique connue de l'homme de l'art. Selon un mode de réalisation particulier, cette étape de réticulation peut être réalisée en présence d'un moyen de réticulation, comme le chauffage ou les UV par exemple.
Lorsque la réticulation est réalisée sans moyen de réticulation, le temps de prise est avantageusement supérieur ou égal à une heure.
Enfin, la dernière étape du procédé consiste à démouler la structure obtenue et réalisée en matériau composite d'isolation électrique 1, selon toute technique connue dans l'état de l'art.
La structure réalisée en matériau composite d'isolation électrique 1 ainsi obtenue est facile à préparer par injection ou coulée gravitationnelle, a de bonnes propriétés de conductivité thermique et d'isolation électrique, un faible coefficient d'expansion thermique, et une haute rigidité diélectrique. Avantageusement, la structure réalisée en matériau composite d'isolation électrique 1 ainsi obtenue a également une faible permittivité diélectrique.
Avantageusement, le matériau composite d'isolation électrique obtenu par le procédé selon l'invention a une faible porosité, et de préférence n'est pas poreux. Selon un mode particulier de réalisation, il est possible de diminuer encore la porosité du matériau composite d'isolation électrique 1, voire de la supprimer totalement, en réalisant un ou plusieurs dégazages du mélange réticulable, avant son introduction dans le moule. Par exemple, ce dégazage peut être réalisé sous pression réduite d'une dizaine de millibars, de préférence en mélangeant ledit mélange réticulable.
Tel que cela ressort aux Figures 3 et 4, l'invention concerne également un poste sous enveloppe métallique 5 comportant une enveloppe externe 6 délimitant intérieurement une enceinte 7 dans laquelle est montée un conducteur électrique haute tension 8 maintenu en position par des supports isolants électriquement 9 réalisés en un matériau composite d'isolation électrique 1 selon l'invention.
Selon un exemple préféré de réalisation représenté aux Figure 3 et 4, l'enveloppe métallique externe 6 présente une forme cylindrique. Cet exemple n'est pas limitatif.
Un conducteur électrique haute tension 8 de tout type connu en soi est monté à l'intérieur de l'enveloppe métallique externe 6. Le conducteur électrique haute tension 8 est de forme tubulaire dans l'exemple de réalisation représenté aux Figures 3 et 4.
Le conducteur électrique haute tension 8 est maintenu au centre de l'enveloppe métallique externe 6 à l'aide de supports isolants électriquement 9, tels que des entretoises réalisées dans les exemples illustrés par des cônes (Figure 3) ou des « post-types » (Figure 4). Bien que non illustrées, d'autres formes pourraient être envisagées. Quelle que soit leur forme, les supports isolants électriquement 9 sont réalisés en un matériau composite d'isolation électrique 1 conforme à l'invention.
Grâce à l'étanchéité de l'enveloppe externe métallique 6, le volume 5 interne de l'enceinte 7 est rempli d'un fluide isolant, typiquement un gaz isolant tel que SF6.
Les exemples ci-après permettent d'illustrer l'invention mais n'ont aucun caractère limitatif.
Un matériau composite d'isolation électrique A selon l'invention et trois matériaux d'isolation électrique hors invention (B (sans charge), C (avec uniquement une charge ayant un facteur de forme inférieur à 3), et D (avec uniquement une charge lamellaire) ont été préparés (voir Tableau 1). La teneur totale en charges du matériau composite D n'a pas pu être 15 augmentée jusqu'à 37% volumique en raison de la trop grande viscosité du mélange réticulable.
Tableau 1
D (hors invention) DGEBA 2 CÛ x: 17%
C (hors invention) DGEBA Alumine polydisperse 37%
B (hors invention) DGEBA o
A (invention) DGEBA Alumine polydisperse hBN 37% 86,5/13,6
matrice Charge 1 (facteur de forme < 3) Charge 2 (lamellaire, facteur de forme de 3 à 100) Teneur totale en charges (% en volume par rapport au volume total) ratio volumique charge 1 ! charge 2
Afin de réaliser les matériaux A à D, la résine époxy utilisée est la résine époxy de type diglycidyléther de bisphénol A (DGEBA) fournie par Huntsman sous la référence CY 5923. Les charges utilisées dans les différents matériaux composites sont une alumine micrométrique fournie par la société Imerys sous la référence Alodur®WSK, et le nitrure de bore hexagonal hBN fourni par la société Momentive sous la référence PT120. Un durcisseur en tant qu'agent de réticulation a également été utilisé : un anhydride commercialisé sous la référence HY5925 par la société Huntsman.
Les matériaux A à D sont préparés comme suit. Les charges sont séchées à 80 °C sous vide primaire pendant 24h avant utilisation. Un prémélange résine époxy - charges et durcisseur - charges est effectué dans le but de faciliter la dispersion des charges. Les prémélanges sont alors mélangés dans des proportions telles que le rapport massique résine époxy : durcisseur est de 100:80. L'ensemble des mélanges est réalisé à l'aide d'un mélangeur planétaire SpeedMixer DAC 400 à 2500 rpm. Le mélange réticulable est ensuite dégazé sous vide primaire à 80°C pendant IhOO, puis est ensuite coulé par coulée gravitionnelle dans un moule fermé en aluminium dont la surface a été traitée avec un agent de démoulage. Le mélange est enfin réticulé en chauffant suivant le cycle de température suivant : 4 h à 100 °C puis 8 h à 140 °C.
Les propriétés des différents matériaux ont été évaluées : viscosité (mesurée à 50 °C selon la norme ISO 12058), rigidité diélectrique (mesurée selon la norme ISO 60243-1), conductivité thermique (mesurée selon la norme ISO 8894) et le coefficient d'expansion thermique. Le coefficient d'expansion thermique (ΟΤΈ) a été déterminé à l'aide d'une TMA (Thermomechanical Analyser) Q400 TA Instruments de 40 °C à 170 °C. La force appliquée par la sonde d'expansion en quartz est de 5 mN et la rampe de température est de 3 °C/min. La mesure est faite sous azote. Les courbes exploitées sont celles obtenues en 2eme montée en température. Les résultats obtenus sont résumés dans le Tableau 2.
Tableau 2
A B C D
Viscosité du mélange réticulable (cisaillement 1/s) (mPa.s) 19905 610 4529 20112
Rigidité diélectrique (kV/mm) 29,5 ±0,8 37 29-30 >41
Conductivité thermique (W/mK) 1,1 0,2 0,88 0,88
Coefficient d'expansion thermique (pm/m°C) 36 74 43 63
La viscosité des mélanges réticulables est impactée par la présence et la nature des charges. Le mélange réticulable B sans charge a la plus faible viscosité. Cette viscosité est plus élevée dans le mélange C en raison de la présence de d'alumine polydisperse. La viscosité lorsque le mélange réticulable ne comporte que hBN en tant que charge est très élevée, de sorte 10 que la teneur totale dans le mélange D est de 17%. En revanche, le mélange réticulable A selon l'invention a une teneur totale élevée en charges, et un ratio en charge alumine hBN de 86,5/13,5, tout en ayant une viscosité permettant sa mise en œuvre.
Le matériau composite A selon l'invention a une rigidité diélectrique 15 analogue à celle du matériau composite C hors invention, et sensiblement inférieure à celle du matériau B hors invention. L'ajout de charge lamellaire dans le matériau composite A selon l'invention n'impacte pas de manière négative la rigidité diélectrique.
La conductivité thermique est plus élevée dans le matériau composite A selon l'invention comparé à tous les matériaux composites hors invention 5 testés (conductivité thermique augmentée d'au moins 25%).
Le coefficient d'expansion thermique est plus faible pour le matériau composite A selon l'invention, comparé aux matériaux B, C et D hors invention (diminution jusqu'à 50%).
Comparé aux matériaux B-D hors invention, le matériau composite A 10 selon l'invention permet d'allier une rigidité diélectrique satisfaisante, une conductivité thermique élevée, et un faible coefficient d'expansion thermique tout en étant facile de mise en œuvre grâce à une viscosité contrôlée du mélange réticulable. De plus, le matériau composite A a une très faible porosité.
L’invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.

Claims (17)

1 - Matériau composite d'isolation électrique (1) comprenant une matrice (2) époxy de type cycloaliphatique ou de type diglycidyléther, et de 15 à 45% en volume de charges par rapport au volume total de matériau composite d'isolation électrique (1), caractérisé en ce que ledit matériau composite d'isolation électrique (1) comprend une première charge inorganique micrométrique (3) ayant un facteur de forme inférieur à 3 et une deuxième charge inorganique micrométrique (4) lamellaire ayant un facteur de forme allant de 3 à 100, le ratio volumique entre la première charge (3) et la deuxième charge (4) allant de 95/05 à 40/60.
2 - Matériau composite d'isolation électrique (1) selon la revendication 1, dans lequel la deuxième charge inorganique micrométrique (4) a un facteur de forme allant de 10 à 50.
3 - Matériau composite d'isolation électrique (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la deuxième charge inorganique micrométrique (4) est choisie parmi BN et AI2O3, et de préférence parmi hBN et AI2O3.
4 - Matériau composite d'isolation électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première charge inorganique micrométrique (3) est choisie parmi SiO2, AI2O3, AI(OH)3, CaO, MgO, CaCO3, et TiO2.
5 - Matériau composite d'isolation électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en charges va de 20 à 40% en volume, et de préférence de 25 à 35% en volume, par rapport au volume total du matériau composite d'isolation électrique (1).
6 - Matériau composite d'isolation électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ratio volumique entre la première charge inorganique micrométrique (3) et la deuxième charge inorganique micrométrique (4) va de 70/30 à 50/50.
7 - Matériau composite d'isolation électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matrice (2) est une matrice époxy de type diglycidyléther, et de préférence une matrice époxy de type diglycidyléther de bisphénol A.
8 - Matériau composite d'isolation électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une troisième charge micrométrique, distincte de la première charge inorganique micrométrique (3) et de la deuxième charge inorganique micrométrique (4).
9 - Matériau composite d'isolation électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première charge inorganique micrométrique (3) et/ou la deuxième charge inorganique micrométrique (4) et/ou, lorsqu'elle est présente, la troisième charge micrométrique sont fonctionnalisées en surface.
10 - Matériau composite d'isolation électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes se présentant sous la forme d'un support isolant électriquement (9) apte à maintenir en position un conducteur électrique (8) dans un poste sous enveloppe métallique (5).
11 - Procédé de fabrication d'un matériau composite d'isolation électrique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
a. préparation d'un mélange réticulable composé d'une résine époxy de type cycloaliphatique ou une de type diglycidyléther, d'une première charge inorganique micrométrique (3) ayant un facteur de forme inférieur à 3, d'une deuxième charge inorganique micrométrique (4) lamellaire ayant un facteur de forme allant de 3 à 100, et d'un agent de réticulation,
b. introduction dudit mélange réticulable dans un moule, et
c. réticulation du mélange réticulable situé dans le moule.
12 - Procédé selon la revendication 11 dans lequel le mélange réticulable a une viscosité allant de 6000 mPa.s à 15000 mPa.s, de préférence de 10000 mPa.s à 12000 mPas, mesurée à 80 °C selon la norme ISO 12058.
13 - Procédé selon la revendication 11 ou 12 dans lequel l'agent de réticulation est un activateur, ou un initiateur, ou un durcisseur en combinaison avec un activateur ou avec un initiateur, ou bien une combinaison d'un activateur, d'un initiateur et d'un durcisseur.
5
14- Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel l'introduction du mélange réticulable dans le moule est réalisée par coulée gravitationnelle ou par injection.
15 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, dans lequel la réticulation est réalisée par application d'un moyen de réticulation
10 tel que du chauffage ou des UV.
16 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 15 dans lequel le mélange réticulable comprend en outre une troisième charge micrométrique.
17 - Poste sous enveloppe métallique (5) comportant une enveloppe
15 externe (6) délimitant intérieurement une enceinte (7) dans laquelle est monté un conducteur électrique haute tension (8) à l'aide de supports isolants électriques (9), caractérisé en ce que lesdits suppports isolants électriques (9) sont en un matériau composite d'isolation électrique (1) selon la revendication 10.
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