FR3118271A1 - Fil conducteur électrique multicouches ayant des couches de graphène - Google Patents
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Abstract
Fil conducteur électrique multicouches ayant des couches de graphène
Un aspect de l’invention concerne un fil conducteur électrique multicouches comprenant :
un noyau central de support, un ensemble de paires de couches comprenant chacune au moins une couche intercalaire dans un matériau non carboné, dans lequel la première couche de la première paire de couches est déposée sur la surface externe du noyau central et la première couche de la paire de couches N+1 est déposée sur la deuxième couche de la paire de couches N tel que chaque couche de Graphène de chaque paire N est séparée d’une autre couche de Graphène d’une autre paire de couches par une couche intercalaire d’un autre matériau à base non carboné.
Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine technique de l’invention est celui du fil conducteur électrique.
La présente invention concerne un fil conducteur électrique multicouches ayant des couches de graphène.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Un fil conventionnel est fait de cuivre ayant une conductivité électrique élevée. Il existe aussi des fils en aluminium ayant une résistivité plus élevée à iso-section mais un poids plus faible.
Le cuivre permet au courant de circuler facilement et d'émettre une faible chaleur en raison de sa faible résistivité.
En outre, le cuivre présente l'avantage d'une fabrication facile en raison de sa ductilité et de sa résistance à la traction élevée. En terme de conductivité électrique, l'aluminium ne peut pas remplacer le cuivre en raison de sa faible conductivité électrique, et l'argent, ayant une conductivité électrique plus élevée, ne peut pas remplacer le cuivre en raison de son prix élevé.
Il est connu aussi des fils électriques comprenant des filaments en nanotubes de carbone.
Il est connu aussi des fils électriques ayant une âme de cuivre et une seule couche de graphène sur l’ âme de cuivre mais ces fils électriques n’ont pas un gain suffisant et ne permettent pas d’accroitre significativement la performance par rapport au prix de construction du fait de la couche de graphène à produire. En outre ces fils conducteurs à base de Graphène ne permettent pas de diminuer fortement le poids du conducteur à son équivalent total cuivre à iso-conductance électrique.
Il existe un besoin, en particulier dans le domaine aéronautique, du fait des nombreux fils conducteurs électriques de diminuer d’au moins deux fois le ratio poids x section/conductivité tout ayant un coût satisfaisant par rapport au gain du ratio. Un tel fil conducteur permet par exemple, d’alléger l’avion tout en gardant ou en améliorant une conductivité par rapport à un fil conducteur en cuivre à iso-section.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant d’avoir un fil électrique dont le poids à iso-conductivité est plus faible ou à iso-poids la conductivité est améliorée tout en optimisant le coût de fabrication.
Un aspect de l’invention concerne un fil conducteur électrique multicouches comprenant :
- un noyau central de support,
- un ensemble de paires de couches comprenant chacune au moins une couche intercalaire dans un matériau à base non carboné et une couche de graphène, dans lequel la première couche de la première paire de couches est déposée sur la surface externe du noyau central et la première couche de la N+1émepaire de couches est déposée sur la deuxième couche de la Némepaire de couches, de manière à séparer chaque couche de Graphène d’une autre couche de Graphène par une des couches intercalaires.
Grâce à l’invention, le fil conducteur comprend une multitude (au moins deux) de couches de graphène permettant ainsi d’améliorer les caractéristiques du fil électrique et notamment le ratio poids x section/conductivité. En effet, à iso-section, et iso longueur, le poids d’un fil conducteur comprenant des paires de couches, est inférieur par rapport à un fil conducteur seulement en cuivre. Par exemple , un fil conducteur ayant un diamètre externe de 0,5mm comprenant un noyau en fibre de carbone de diamètre 0.468mm et des paires de couches représentant donc 6% du diamètre environ, par exemple constitué de 2500 paires de couches dont la couche intercalaire est en cuivre (qui est un matériau permettant un dépôt chimique du graphène par phase vapeur), a un gain en poids d’environ de 61% par rapport au fil conducteur de diamètre externe de 0,5mm entièrement en cuivre tout en ayant la même résistivité (environ 0.288 ohms/m). En outre, le fait d’ajouter une couche intercalaire dans un matériau non carboné sur une couche de graphène permet d’isoler physiquement les couches de graphène pour qu’elles conservent chacune leur épaisseur et leurs propriétés optimales notamment pour maximiser leur conductivité. En outre, la courbe de variation en température de la résistance électrique du Graphène vient compenser celle des couches intercalaires et ainsi la conductivité thermique du Graphène (par exemple celle d’une couche graphène monocouche obtenue par CVD sur cuivre est d’environ 2500 W/mK) renforce celle du métal intercalaire. Enfin, la résistance mécanique du Graphène renforce le fil électrique par rapport à un fil électrique entièrement en métal intercalaire par exemple en cuivre. Ce renforcement permet ainsi de protéger les couches intercalaires et le noyau. Lors de l’utilisation du fil électrique à multicouches, en particulier si la couche intercalaire est isolante électriquement, les extrémités pourront être soudées afin d’améliorer la conductivité électrique de chaque couche.
Par matériau à base non carboné on entend un matériau ayant comme base dépourvu de carbone ou à base d’un élément chimique différent de celui de la couche de graphène soit différent du carbone. Par matériau à base d’un élément ou d’une matière, on entend l’élément ou la matière principal du matériau soit la matière ou élément ayant le plus grand pourcentage.
L’invention concerne aussi un fil conducteur électrique multicouches comprenant :
- un noyau central de support ,
- une base de multicouches déposée sur le noyau, la base de multicouches comprenant au moins deux alternances d’une couche intercalaire en matériau à base non carboné et d’une couche de graphène déposée sur la couche intercalaire.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le fil électrique selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
Selon un mode de réalisation, le matériau de la couche intercalaire est non carboné. Autrement dit, le matériau de la couche intercalaire est dépourvu totalement de carbone.
Selon un mode de réalisation, la couche de graphène est classée monolayer (graphène parfait en 2D) soit une épaisseur par définition d’un atome soit 0,3 nanomètre.
Selon un mode de réalisation, la couche de graphène est classée en « few-layer graphène » soit au maximum une épaisseur de couches de 2 à 10 atomes carbone, par exemple une épaisseur d’environ 2.5 nanomètres.
Selon un autre mode de réalisation, la couche de graphène a une épaisseur maximum de 100 couches d’atomes, appelé « nanoplaquettes de graphène ».
Selon un mode de réalisation, la couche intercalaire est réalisée par un procédé de revêtement.
Selon un exemple le procédé de revêtement est réalisé par dépôt chimique, par exemple par électrolyse (électrochimique) ou par dépôt chimique à partir d’une phase vapeur par exemple en phase vapeur (CVD) par phase vapeur (PVD). Cela permet d’avoir une couche intercalaire de faible épaisseur par rapport à d’autre procédé de dépôt par revêtement de surface comme par dépôt physique tel que par projection ou immersion dans un bain du matériau à l’état liquide.
Selon un mode de réalisation, la couche intercalaire à une épaisseur inférieure à 1 micromètre voir inférieure à 0.1 micromètre. Selon un exemple la couche intercalaire à une épaisseur entre 5 et 50 nanomètres, par exemple 10 nanomètres. En effet, plus la couche intercalaire à une faible épaisseur plus cela diminue la masse du fil et en outre cela peut permettre pour un diamètre voulu, d’avoir un noyau plus grand et donc de diminuer le nombre de couches et ainsi le coût de fabrication. En outre cela permet à iso diamètre, de diminuer la masse du fil lorsque la couche intercalaire est dans une matière ayant une masse volumique supérieure à celle du noyau, par exemple une couche intercalaire en cuivre et le noyau en carbone. En effet, pour un matériau intercalaire à forte masse volumique, plus la couche intercalaire est de faible épaisseur, plus la masse volumique du fil sera faible. Autrement dit, on peut avoir un gain de poids qui est recherché, tout en diminuant un nombre de paires de couches et donc un coût du procédé.
Selon un mode de réalisation, le matériau de la couche intercalaire est un matériau métallique conducteur électriquement. Cela permet d’améliorer la conductivité globale du fil électrique à multicouche tout en permettant de déposer la couche intercalaire par un procédé de type électrolyse et donc d’obtenir facilement une couche intercalaire d’une épaisseur comprise entre 0.01 micromètre et 1 micromètre soit une épaisseur très fine par rapport à un autre procédé, par exemple extrusion, bain etc… Ainsi à ISO conductivité et iso diamètre par rapport à un conducteur en cuivre, le fil conducteur électrique multicouches comprendra un noyau plus léger que le cuivre permettant au fil conducteur électrique multicouches beaucoup plus léger que celui du cuivre. A iso poids et iso diamètre par rapport à un conducteur en cuivre, le fil conducteur électrique multicouches peut comprendre un noyau conductible et la conductivité sera améliorée par rapport au conducteur en cuivre.
Selon un mode de réalisation, la section du fil conducteur électrique multicouches est de forme circulaire. Le noyau, les couches intermédiaires et les couches de graphène peuvent donc être circulaires. Cette forme de section permet d’avoir une souplesse uniforme du fil pour faciliter son installation.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, le fil conducteur électrique multicouches de forme cylindrique comprend un noyau isolant cylindrique. Une telle géométrie a donc la partie conductrice du conducteur en forme de tube ce qui favorise l’effet guide d’onde dont la fréquence sera adaptée au diamètre du conducteur. En effet, la grande mobilité des électrons dans le Graphène améliore la réponse en fréquence du fil électrique par rapport à un fil en cuivre. Dans ce cas d’usage le diamètre du conducteur est dimensionnant vis-à-vis de la fréquence de coupure du guide d’onde.
Selon un autre mode de réalisation, la section du fil conducteur électrique multicouches noyau est de forme rectangulaire. Le noyau, les couches intermédiaires et les couches de graphène peuvent donc être rectangulaires. Cette section permet d’augmenter le taux de conducteur dans une encoche d’une machine électrique par rapport à une forme circulaire.
Selon un mode de réalisation, le fil conducteur électrique multicouches comprend une dernière couche externe d’un isolant électrique. L’isolant électrique peut être un polymère par exemple un vernis d'émaillage ou une gaine isolante par exemple en élastomère (polyéthylène (PE) par exemple ) ou encore un caoutchouc (éthylène-propylène (EPR) par exemple).
Selon un mode de réalisation, la couche intercalaire en matériau métallique de chaque N+1émepaire de couches, a été formée par électrodéposition sur la couche de graphène de la paire de couches Néme. L’électrodéposition de la couche intercalaire sur le graphène permet le dépôt de la couche intercalaire sur la surface externe du fil conducteur en fabrication, selon une faible épaisseur pour isoler physiquement deux couches graphènes facilement sans détériorer le graphène. Le procédé d’électrodéposition permet de s’adapter à la forme du fil, par exemple cylindrique ou rectangulaire et en outre de maitriser l’épaisseur du dépôt de métal conducteur par l’intensité du courant et la durée du passage dans le bain comprenant une solution d’électrolytique.
Selon un mode de réalisation, la couche de graphène de chaque paire de couches est réalisée par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), notamment pulsé. Une telle pose de graphène est facilement utilisable car le Graphène est fabriqué et déposé sur le fil formant la couche de graphène en une seule étape pour supprimer des problèmes industriels. En outre ce procédé offre une bonne qualité de Graphène monocouche produit (épaisseur et homogénéité). En outre le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), s’adapte à la forme par exemple cylindrique du fil. Le matériau de la couche intercalaire est donc un matériau permettant le dépôt chimique du graphène par phase vapeur.
Le fait que la couche intercalaire soit un matériau permettant un dépôt chimique du graphène par phase vapeur permet de simplifier le dépôt de graphène et en diminuant le coût de fabrication du fait qu’on multiplie les couches de graphène.
Selon un mode de réalisation, le noyau est en carbone notamment en fibre de carbone ou en fibre de nanotube de carbone.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, la section du noyau est comprise entre 90 et 98% de la section du fil conducteur. A iso conductivité, cela permet de diminuer le poids du fil conducteurs multicouches par rapport à un fil totalement en cuivre. En effet, le noyau a une masse volumique inférieure à celle du cuivre et le nombre de couches de graphène séparées les unes des autres par les couches intercalaires permettent de réaliser la grande partie de la conductivité du fil multicouche que les couches intercalaires soient dans un matériau conducteur ou pas.
Selon un autre mode de réalisation variante du mode précédent, le noyau comprend :
- une âme métallique conductrice électriquement, notamment en cuivre
- une couche de graphène déposée sur l’âme conductrice, enrobée par la couche intercalaire de la première paire de couches.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, chaque couche intercalaire est de même matériau que celle de l’âme du noyau central. Cela permet d’utiliser le même dispositif pour le dépôt de graphène que ce soit sur le noyau ou sur la couche intercalaire.
Selon un mode de réalisation, la couche intercalaire est dans un matériau déposé par le même procédé de dépôt que celle de la couche intercalaire. Cela permet d’utiliser le même dispositif pour le dépôt des deux couches que ce soit intercalaire ou graphène. Par exemple le procédé est réalisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Cela permet de déposer une couche intercalaire dans un matériau ayant une densité volumique de masse inférieure à celui d’un matériau déposé par électrolyse et donc de diminuer le poids. En outre cela peut permettre diminuer les épaisseurs de couches par rapport à un dépôt par électrolyse et donc diminuer aussi le poids. La couche intercalaire peut être ainsi dans un matériau isolant électriquement et physiquement, dans ce cas les extrémités du fil conducteur sont soudées permettant de mettre en parallèle toutes les couches de graphène pour diminuer la résistivité électrique.
Selon un mode de réalisation, au moins une couche intercalaire est en cuivre. Selon un exemple toutes les couches intercalaires sont en cuivres.
Selon un mode de réalisation, au moins une couche intercalaire est en aluminium. Selon un exemple toutes les couches intercalaires sont en aluminium.
Selon un mode de réalisation, au moins une couche intercalaire est en fer. Selon un exemple toutes les couches intercalaires sont en fer. Le fer permet de réaliser des dépôts par électrodéposition plus fine et plus compacte que le cuivre (moins de 10 nanomètres) et donc de diminuer le poids d’une couche intercalaire par rapport au poids d’une couche intercalaire en cuivre, et en outre il est peu couteux par rapport au cuivre. Selon un exemple, la dernière couche du fil conducteur est dans une autre matière que le fer. Cela permet d’éviter une oxydation, par exemple si la dernière couche est une couche intercalaire elle peut être en cuivre.
Selon un mode de réalisation, au moins une couche intercalaire est en oxyde de silicone (SiOx). Ce matériau permet d’alléger le fil, en effet, il est entre 11 et 35 fois plus léger que le cuivre et en outre est plus souple. Un fil carbone/Graphene réalisé avec ce type de matériau intercalaire permet de pouvoir être 20% plus léger qu’avec l’exemple de couche intercalaire en cuivre et cinq fois plus léger qu’un fil de cuivre massif (sans multicouches).
Selon un exemple de de ce mode de réalisation, les couches intercalaires sont en oxyde de silicone (SiOx). Par exemple elles sont déposées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur les couches de graphènes.
Selon un mode de réalisation, le fil conducteur électrique multicouches est à destination d’aéronef.
Un autre aspect de l’invention concerne un câble comprenant plusieurs fils conducteurs électriques multicouches selon l’invention, torsadés les uns avec les autres et une couche isolante sur l’ensemble des fils conducteurs électriques multicouches torsadés. Cela permet d’accroitre le courant admissible par le câble.
Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication comprenant les étapes de :
- déroulement d’un fil conducteur en construction comprenant au moins un noyau central à partir d’une première bobine,
- de dépôt d’au moins deux paires de couches successives autour du noyau central, comprenant pour chaque dépôt d’une paire de couches :
- une première sous étape d’insertion du fil conducteur en construction dans un dispositif de dépôt de revêtement d’une couche intercalaire dans un matériau à base non carboné,
- une deuxième sous étape d’insertion en continue d’une portion du fil conducteur en fabrication comprenant en surface externe la couche intercalaire métallique déposée dans la première sous étape précédente, dans une chambre de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène dans laquelle du gaz comprenant du carbone est introduit et dans laquelle se dépose une couche de graphène sur la surface externe de la couche intercalaire,
- d’enroulement du fil conducteur multicouche ayant au moins deux paires de couches autour d’une deuxième bobine.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de dépôt de revêtement est un dispositif d’électrodéposition et la première sous étape comprend une étape d’immersion en continu d’une portion du fil conducteur en fabrication dans un bain d’électrolyse, dans laquelle un métal d’une électrode dans le bain d’électrolyse migre et se dépose sur la surface externe du fil métallique en fabrication formant la couche intercalaire.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape d’évaporation après le dépôt de la couche intercalaire. Cela permet de supprimer l’électrolyte du fil conducteur avant la deuxième sous-étape de dépôt de graphène par CVD.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de nettoyage de la couche intercalaire avant l’insertion dans une chambre de dépôt chimique en phase vapeur.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, le bain d’électrolyse comprend une solution électrolytique contenant de l’acide. Cela permet de multiplier les ions et donc le l’intensité du courant mis en jeux lors de l’électrolyse. Selon un exemple la solution électrolytique comprend moins de 75% d’acide sulfurique. Cela permet à la couche de Graphène de tolérer l‘électrolyse pour le dépôt de la couche intercalaire d’une autre paire de couches sur cette couche de Graphène.
La solution électrolytique peut aussi être une solution de sulfate de cuivre acide par exemple.
Selon une variante de ce mode de réalisation, le dispositif de dépôt de revêtement est un dispositif de dépôt chimique en phase vapeur, et en ce que la première sous étape d’insertion dans le dispositif comprend l’insertion de la portion de fil dans une chambre de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) dans laquelle du gaz comprenant le matériau à base non carboné est introduit et dans laquelle se dépose une couche intercalaire sur la surface externe du noyau ou de la couche de graphène.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur de graphène et le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur du matériau à base non carboné sont adaptables et complémentaires pour permettre d’inverser les gaz injecter dans leur chambre. C’est-à-dire que les deux dispositifs de dépôt chimique en phase vapeur de graphène peuvent injecter, dans leur chambre, un gaz comprenant soit du graphène soit le matériau à base non carboné.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, le matériau d’au moins une couche intercalaire déposé par CVD est de l’oxyde de silicone (SiOx). Ce matériau permet d’alléger le fil en effet, il est entre 11 et 35 fois plus léger que le cuivre et en outre est plus souple. Un fil carbone/Graphene réalisé avec ce type de matériau intercalaire permet de pouvoir être 20% plus léger qu’avec l’exemple de couche intercalaire en cuivre et cinq fois plus léger qu’un fil de cuivre massif (sans multicouches).
Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches comprend plusieurs fois le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication.
Selon un mode de réalisation, le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication est réversible, dans lequel lorsque l’étape d’enroulement de la deuxième bobine est terminé, le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication réversible comprend une étape de déroulement du fil conducteur en fabrication de la deuxième bobine, de l’étape de dépôt d’au moins deux paires de couches successives autour du noyau central et d’enroulement du fil conducteur en fabrication simultanément sur la première bobine.
Selon un exemple, lors de l’étape de déroulement du fil conducteur en fabrication de la deuxième bobine vers l’’enroulement du fil conducteur en fabrication simultanément sur la première bobine, les buses de la chambre de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène pour le premier passage dans le sens de déroulement de la deuxième bobine vers la première bobine sont arrêtées. Cela permet que lors du premier passage du fil conducteur en fabrication dans la chambre, la couche de graphène reçoit le moins possible de carbone afin d’essayer que cette couche garde les propriétés du graphène. La chambre de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène peut avoir une paroi par exemple verticale entre les autres passages et le dernier passage du fil conducteur dans le sens de la première bobine vers la deuxième bobine afin de ne pas déposer deux couches de graphène l’une sur l’autre.
Selon un autre exemple, le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication en mode réversible comprend entre le dernier passage dans la chambre de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène et l’enroulement une étape de dépôt d’un revêtement intercalaire. Selon un exemple le revêtement intercalaire est une couche intercalaire issue du même procédé de dépôt de revêtement. Cela permet lors du sens du déroulement de la deuxième bobine vers la première bobine de ne pas superposée deux couches de graphènes lors du premier passage du fil dans la chambre de dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Un autre aspect de l’invention concerne une ligne de production pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches, comprenant :
- un premier dispositif dérouleur/enrouleur d’une première bobine comprenant à l’état initiale le noyau central,
- un dispositif de dépôt de revêtement de couches intercalaires dans un matériau à base non carboné
- un dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène, comprenant une chambre et au moins une buse pour injecter un gaz comprenant du carbone dans la chambre pour déposer une couche de graphène sur la couche intercalaire.
Selon un mode de réalisation le dispositif de dépôt de revêtement et un dispositif d’électrodéposition comprend :
- un bain de solution électrolytique d’un métal,
- une électrode anode en métal à déposer pour fabriquer la couche intercalaire,
- une électrode cathode reliée au fil conducteur électrique en fabrication.
Selon un mode de réalisation, la ligne de production comprend :
- des poulies permettant de guider le fil conducteur en fabrication plusieurs fois à la suite dans le bain d’électrolyse et dans la chambre de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène, et
- Un deuxième dispositif enrouleur/dérouleur d’une deuxième bobine tirant/déroulant le fil conducteur en fabrication en déroulant le noyau et en passant par les poulies pour produire X fois les paires de couches dans le bain d’électrolyse et la chambre de dépôt chimique en phase vapeur.
Ce mode de réalisation de ligne de production permet de réutiliser le dispositif d’électrodéposition et le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène pour réaliser l’ensemble des couches et donc de diminuer les coûts de fabrications du fil conducteur multicouches.
Selon un mode de réalisation, la ligne de production comprend un sens de d’enroulage/déroulages réversible. Ce mode de réalisation de ligne de production permet de réutiliser la ligne de production dans l’autre sens utilisant ainsi le dispositif d’électrodéposition et le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène pour réaliser l’ensemble des paires de couches et donc de diminuer le temps, les coûts de fabrications du fil conducteur multicouches.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène comprend des poulies d’aller-retour pour permettre lors de la deuxième sous-étape que le fil conducteur en construction passe plusieurs fois dans la chambre de dépôt chimique afin de déposer et former la couche de graphène. Cela permet d’avoir une chambre de dépôt chimique moins volumineuse.
Selon un exemple, le ratio de la longueur de fil dans la chambre du dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène en cours de dépôt de la couche de graphène sur la longueur du fil dans la chambre du dispositif de dépôt de revêtement en cours de dépôt de couche intercalaire est égal au ratio du temps de production de la couche de graphène sur le temps de production de la couche intercalaire par le dispositif de dépôt de revêtement. Cela permet d’avoir une production continue en s’adaptant au temps de production de la couche intercalaire (takt time), notamment si celle-ci est réalisée par électrolyse. En effet, l’électrodéposition de la couche intercalaire sur la couche de Graphene à iso longueur est plus rapide que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de la couche de graphène sur la couche intercalaire.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène comprend plusieurs buses sur le pourtour du fil conducteur pour injecter dans la chambre du gaz comprenant du carbone. Par exemple le gaz est du méthane, qui est décomposé dans la chambre à 1 000 °C sous vide. Cela permet d’améliorer l’uniformité de la croissance du Graphène sur la couche intercalaire. Les atomes de carbone adsorbés à la surface après la décomposition du méthane se réorganisent en graphène selon un processus surfacique. En effet, par exemple lors de la synthèse sur du cuivre Cu, l’injection d’un méthane CH4,par exemple12CH4 ,entraîne la formation de graphène, en l’occurrence dans cet exemple12C. Cela forme un mécanisme de dépôt surfacique d’atome de carbone12C. Les atomes de carbone ne diffusant pas, ou très peu, dans le volume du Cu à cause de la trop faible solubilité. Ce processus surfacique favorise la croissance de graphène monocouche car une fois la surface de cuivre recouvert de la première couche de graphène, la surface du cuivre perd de son pouvoir catalytique et limite la vitesse de formation des couches supérieures.
Un autre aspect de l’invention concerne un appareil pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches comprenant :
- une chambre de dépression comprenant une pression inférieure à la pression atmosphérique par exemple inférieure à 15 millibars,
- une ligne de production (2) pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches de l’invention précédente logée dans la chambre de dépression et
- une hotte d’aspiration traversant la chambre de dépression jusqu’au bain d’électrolyse pour aspirer les gaz lors de l’électrolyse.
Selon un exemple la chambre de dépression est adaptée à obtenir une pression entre 0.6 millibar et 1 millibar. Plus la pression est basse, plus on peut augmenter la vitesse de diffusion D (vitesse de dépôt du graphène) du dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène.
Un autre aspect de l’invention concerne une machine électrique d’une turbomachine pour le domaine aéronautique comprenant un fil conducteur multicouches selon l’invention précédemment décrite.
Une telle machine électrique pour le domaine aéronautique a pour avantage de pouvoir utiliser les dispositifs et services de monitoring existant pour les structures composites très présentes dans le domaine.
Un autre aspect de l’invention concerne un aéronef comprenant une turbomachine et des câbles électriques comprenant au moins un fil conducteur multicouches selon l’invention précédemment décrite.
Un autre aspect de l’invention concerne un maillage de protection contre la foudre comprenant le fil conducteur électrique multicouches pour former une cage de faraday d’un avion.
Un autre aspect de l’invention concerne un avion comprenant un fuselage ou/et des ailes en matériau composite et un maillage, selon l’invention précédemment décrite, connecté électriquement au matériau composite du fuselage ou/et des ailes. Cela permet au matériau composite d’avoir une conductivité permettant d’être résistant à la foudre. Par exemple le maillage est incorporé dans ou sur la paroi du fuselage ou/et des ailes permettant ainsi d’être associé à une reprise de masse pour la protection contre la foudre. Un tel fil conducteur multicouches permettra de réduire le poids et de garder l’intérêt des avions en composite en matériau composite ce qui confèrera au matériau composite la conductivité nécessaire à la résistance à la foudre.
Cela permet d’utiliser les dispositifs et services de monitoring existant pour les structures composites très présentes dans le domaine aéronautique.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
- La figure 1 montre une représentation schématique d’une coupe selon une section d’un fil conducteur électrique multicouches selon un premier mode de réalisation de l’invention.
- La figure 2 montre une représentation schématique d’une coupe selon une section d’un fil conducteur électrique multicouches selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
- La figure 3 montre une représentation schématique d’une ligne de production pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches.
- La figure 4 montre une représentation schématique d’un appareil comprenant la ligne de production de la figure 3 sous vide pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches.
- La figure 5 montre une représentation schématique d’un appareil sous vide comprenant un autre exemple de ligne de production que celle de la figure 3 pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches.
- Les figures 6 et 7 montrent une représentation schématique d’un appareil sous vide comprenant un autre exemple de ligne de production que celles des figures 3 à 5 pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches.
DESCRIPTION DETAILLEE
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
Le fil conducteur multicouches 1 comprend un noyau central 10 de support d’un ensemble 123 de couches enrobées les unes sur les autres formant le fil conducteur multicouches. Le noyau central 10 est de préférence conducteur électriquement. Dans ce mode de réalisation le noyau central 10 est en carbone, par exemple en fibre de carbone ou encore selon un autre exemple fibre de nanotube de carbone. Dans cet exemple, la section du noyau central 10 est un disque. Le noyau 10 est donc cylindrique mais pourrait être d’une autre forme, par exemple ayant une section de forme parallélépipède (par exemple une section rectangulaire).
Dans ce premier exemple et un deuxième exemple similaire sauf en nombre de paires de couches, la section du noyau est d’environ 0.172 mm² soit un diamètre de 0,468 millimètres.
Le fil conducteur multicouches 1 comprend donc un ensemble 123 de X paires de couches conductrices 11, 12, 13, en l’occurrence dans ce premier exemple d’illustration X=3 pour simplifier la représentation du fil mais le nombre de paires de couches peut être très important par exemple supérieur à 100. Dans le deuxième exemple le nombre de couche est de 2598, c’est pourquoi seul le premier exemple est représenté pour simplifier les figures. Chaque paire de couches conductrices 11, 12, 13 comprend une couche intercalaire 110, 120, 130 dans un matériau non carboné, en l’occurrence dans ce mode de réalisation dans un métal conducteur électriquement et une couche de graphène 111, 121, 131.
La première paire de couches 11 a sa couche intercalaire 110, enveloppant la surface externe du noyau central 10 et sa couche de graphène 111 enveloppant la surface externe de la couche intercalaire 110.
La deuxième paire de couches conductrices 12 comprend sa couche intercalaire 120, enveloppant la surface externe de la couche de graphène 111 de la première paire de couches conductrices 11 et sa couche de graphène 121 enveloppant la surface externe de la couche intercalaire 120.
La troisième paire de couches conductrices 13 comprend sa couche intercalaire 130, enveloppant la surface externe de la couche de graphène 121 de la deuxième paire de couches conductrices 12 et sa couche de graphène 131 enveloppant la surface externe de la couche intercalaire 130.
Ainsi chaque Némepaire de couches à partir de la deuxième, comprend sa couche intercalaire enveloppant la couche de graphène de la N-1émepaire de couches. Dans le deuxième exemple N est donc égal à 2598.
Dans cet exemple, chaque couche intercalaire 110, 120, 130 est ici en cuivre, mais pourrait être dans un autre métal conducteur, tel que le fer ou l’aluminium. Les couches intercalaires 110, 120, 130 des paires de couches 11, 12, 13 peuvent être de différents matériaux conducteurs, par exemple la couche intercalaire 130 de la dernière paire de couches 13 peut être en aluminium alors que les autres 110, 120 sont en cuivre.
Selon un autre mode de réalisation, les couches intercalaires sont dans un matériau isolant électriquement. Autrement dit, dans cet autre mode de réalisation, chaque couche de Graphène 111, 121, 131 de chaque paire de couches 11, 12, 13 est séparée d’une autre couche de Graphène 111, 121, 131 d’une autre paire de couches 11, 12, 13 par une couche intercalaire 110, 120, 130 en matériau isolant électriquement qui est déposée selon un autre procédé que par électrolyse, par exemple comme pour la couche de graphène par CVD dans une autre chambre.
Dans ce mode de réalisation représenté, chaque couche de Graphène 111, 121, 131 de chaque paire de couches 11, 12, 13 est donc séparée d’une autre couche de Graphène 111, 121, 131 d’une autre paire de couches 11, 12, 13 par une couche intercalaire 110, 120, 130 en matériau métallique conducteur.
Dans ce mode de réalisation représenté, la deuxième et la troisième couches intercalaires 120, 130 permettent de séparer la deuxième couche de Graphène 121 de respectivement de la première et troisième couche de graphène 111, 131 pour les séparer et ainsi qu’elles conservent chacune leur épaisseur et leur propriétés optimales notamment leurs conductivités. En outre, le matériau conducteur des couches intercalaires, ici dans cet exemple du cuivre, permet d’améliorer la conductivité globale du fil électrique à multicouche 1.
De plus le graphène est un matériau ayant une courbe de variation en température de la résistance électrique qui compense celle du métal des couches intercalaires 110, 120, 130, par exemple en cuivre. En effet plus la température de la couche intercalaire 110, 120, 130 est élevée, plus la résistance électrique de cette couche augmentera et la conductivité thermique du graphène permettra de transférer et évacuer la chaleur des couches intercalaires 110, 120, 130 vers l’extérieur. Enfin la grande mobilité des électrons dans le graphène permet à la couche de graphène 111, 121, 131 d’améliorer la réponse en fréquence du fil électrique par rapport à celle d’un fil électrique en métal conducteur. La résistance mécanique du graphène permet de renforcer le fil électrique contre le déchirement ou la coupure et permet ainsi de protéger les couches intercalaires en métal conducteur. Lors de l’utilisation du fil électrique à multicouches, les extrémités pourront être soudées, par exemple avec de l’étain, afin d’améliorer la conductivité électrique de chaque couche avec le connecteur raccordé au fil.
Le fil conducteur multicouches 1 comprend donc un noyau 10 et une base de multicouches 123 comprenant des alternances, en l’occurrence ici dans cet exemple d’illustration trois alternances et dans le deuxième exemple 2598 alternances de couches intercalaires en matériau métallique conductrices électriquement 110, 120, 130 et de couches de graphène 111, 121, 131 déposées chacune sur la couche intercalaire de sa paire de couches.
La section du fil conducteur électrique multicouches 1 est dans cet exemple de forme circulaire. Le noyau 10 et chaque couches intermédiaires 110, 120, 130 et chaque couche de graphène 111, 121, 131 ont une section de forme circulaire. Bien entendu, la section du fil conducteur électrique multicouches noyau peut avoir une autre forme par exemple rectangulaire.
Dans cet exemple, l’épaisseur de chaque couche intercalaire 110, 120, 130 est identique, en l’occurrence d’environ 10 nanomètres, elle peut être inférieure à cette valeur. Bien entendu chaque couche intercalaire 110, 120, 130 peut avoir une épaisseur différente des autres couches intermédiaires. L’épaisseur, dans cet exemple, est mesurée entre le diamètre interne et le diamètre externe de la couche intercalaire 110, 120, 130. Dans le cas d’une section de forme rectangulaire l’épaisseur est mesurée entre la paroi interne et la paroi externe.
Dans cet exemple, la section des couches intercalaires 110, 120, 130 a une épaisseur régulière. Par épaisseur régulière on entend une épaisseur qui ne varie pas plus de 10%. Dans ces deux exemples, la couche intercalaire est en cuivre et comprend une épaisseur de 10 nanomètres.
Chaque couche intercalaire 110, 120, 130 en matériau métallique conducteur est déposée par électrodéposition sur une couche de graphène ou sur le noyau pour la première couche intercalaire 110, 120, 130. Autrement dit chaque couche intercalaire 110, 120, 130 comprend des traces de dépôt par électrodéposition.
La couche de graphène peut être monolayer (graphène parfait en 2D) soit une épaisseur par définition d’un atome soit 0,3 nanomètre mais peut aussi être classé en « few-layer graphene » soit en couches de 2 à 10 atomes d'épaisseur de carbone comme dans le deuxième exemple dont l’épaisseur est d’environ 2.5 nanomètres.
Selon un autre mode de réalisation la couche de graphène une épaisseur de 100 couches, appelé « nanoplaquettes de graphène ».
Par épaisseur des couches intercalaires ou de graphène, on entend la différence entre le rayon interne et le rayon externe.
Dans le deuxième exemple, les 2598 paires de couches forment donc 6% en épaisseur du fil conducteur qui comprend environ un diamètre externe de 0.5mm soit 0.468+ 2598 * (la couche intercalaire ayant une épaisseur d’environ 10 nanomètres + la couche de graphène ayant une épaisseur d’environ 3 nanomètres).
Un tel fil conducteur électrique multicouches permet d’avoir un gain de masse de 61% par rapport à un fil conducteur en cuivre de même diamètre pour une même conductivité, soit ici environ 0.288 ohms/m.
Dans ce mode de réalisation, le fil conducteur électrique multicouches 1 comprend une dernière couche externe d’un isolant électrique 19. L’isolant électrique 19 peut être un polymère par exemple un vernis d'émaillage ou une gaine isolante par exemple en élastomère (polyéthylène (PE) par exemple ) ou encore un caoutchouc (éthylène-propylène (EPR) par exemple).
Selon un autre exemple, un câble comprend une pluralité de ce fil conducteur électrique multicouches dépourvu de l’isolant 19. L’isolant peut être réalisé sur le câble. Les fils conducteurs électrique multicouches peuvent être torsadés les uns aux autres par un procédé de câblage de conducteur.
La représente une section d’un fil conducteur électrique multicouches 1’ selon un deuxième mode de réalisation.
Ce fil conducteur électrique multicouches 1’ est différent de celui du premier mode de réalisation uniquement en ce qu’il comprend un noyau 10’ différent du noyau 10 du premier mode de réalisation.
Dans ce mode de réalisation, le noyau 10 comprend deux couches, une âme 100 en matériau électrique, en l’occurrence en cuivre, et une couche de graphène 101 déposée sur l’âme 100. Le fil conducteur électrique multicouches 1’ comprend donc aussi dans cet exemple un ensemble de paires de couches 123 ou base de multicouches 123 dont les couches sont enrobées les unes après les autres formant le fil conducteur multicouches 1’, en l’occurrence trois paires de couches 11, 12, 13. Le fil électrique comprend aussi une couche d’isolant 19 sur la dernière couche de graphène 131.
Un deuxième exemple de ce mode de réalisation non représenté comprend une centaine de paires de couches.
Ces fils conducteurs électriques multicouches selon l’invention, sont particulièrement intéressant dans des machines électriques de turbomachine ou dans les chemins de câbles d’un aéronef (avion/hélicoptère). Plusieurs fils conducteurs selon l’un des deux modes de réalisation décrit précédemment peuvent être torsadées ensemble pour former un câble.
Les fils conducteurs électriques multicouches selon l’invention, en particulier les exemples de celui ayant un noyau en carbone, notamment en fibre de carbone ou en fibre de nanotube de carbone sont particulièrement intéressant aussi pour fabriquer un maillage d’un avion en particulier ceux ayant sa structure en composite. En effet le maillage des structures d’avions permet de résister aux contraintes d’un coup foudre mais augmente le poids de l’avion et est souvent utilisé pour ceux en composite diminuant le gain de poids. Un tel maillage par exemple celui du fils conducteur électrique multicouches comprenant un noyau en carbone permet de gagner un poids par rapport à ceux en fils fin en cuivre par exemple intégrés aux films de surface.
La représente une ligne de production 2 aussi appelée une chaine de production, pour fabriquer le deuxième exemple décrit du fil conducteur électrique multicouches 1 du premier mode de réalisation mais pourrait aussi fabriquer le fil conducteur électrique multicouches 1’ du second mode de réalisation.
La ligne de production 2 comprend une première bobine 230, ici dans le sens dérouleuse, comprenant le noyau 10 enroulé pour la fabrication du fil conducteur électrique multicouches 1.
Le procédé de fabrication du fil conducteur électrique multicouches 1 ou 1’ comprend donc un procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication comprenant une étape de déroulement d’un fil en construction comprenant au moins le noyau central 10, 10’ à partir de la première bobine dérouleuse 230.
La ligne de production 2 comprend un dispositif de dépôt de revêtement d’une couche intercalaire dans un matériau non carboné, ici le dispositif est un dispositif d’électrodéposition 20 comprenant un bain de solution électrolytique 200, une électrode anode 201 en métal à déposer pour fabriquer la couche intercalaire 110, 120, 130, l’électrode anode 201 étant située dans le bain 200. Le dispositif d’électrodéposition 20 comprend en outre une électrode cathode 202 pour être reliée électriquement au fil conducteur électrique en fabrication. Dans cet exemple, la ligne de production 2 comprend une poulie formant l’électrode cathode 202. En outre dans cet exemple la poulie a un nombre de voies correspondant aux nombres de paires de couches à produire par le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication, en l’occurrence ici la poulie est de trois voies soit trois paires de couches par procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication.
Le noyau 10 rentre dans le bain de solution électrolytique 200 et étant relié électriquement à la poulie formant l’électrode cathode 202, le métal de l’électrode anode 201 migre sur la portion du noyau 10 dans le bain formant une couche intercalaire 110 sur le noyau10. Le fil conducteur en fabrication comprend donc une première portion 10110 qui sort de ce bain de solution électrolytique 200 en ayant le noyau et une couche intercalaire 110 en l’occurrence de cuivre, déposée par électrodéposition par le dispositif d’électrodéposition 20.
Le bain de solution d’électrolytique 200 contient de l’acide. Cela permet de multiplier les ions et donc le l’intensité du courant mis en jeux lors de l’électrolyse. Selon un exemple l’électrolyte comprend moins de 75% d’acide sulfurique.
L’électrodéposition de la couche intercalaire 110 sur le noyau 10 en carbone permet d’isoler la couche de graphène 111 120, 130 du noyau pour qu’elle garde ses propriétés électriques, thermiques et mécaniques de graphène.
La ligne de production 2 comprend en outre un dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène 21 comprenant une chambre 210.
La chambre 210 est de préférence sous vide par exemple inférieure à 15 millibars voir dans cet exemple de 0.6 millibars pour augmenter la vitesse de fabrication de la couche de graphène.
Le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène 21 comprend des buses 211 injectant un gaz comprenant du carbone, en l’occurrence du méthane mais peut être du dioxyde de carbone, dans la chambre 210 .
La première portion 10110 du fil conducteur en fabrication rentre dans le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène 21, dans lequel une couche de graphène 111 est déposée sur la couche intercalaire 110 formant la première paire de couches 11.
Dans cet exemple, le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène 21 comprend une pluralité de poulies d’aller-retour 221, en l’occurrence cinq poulies d’aller-retour 221 sont représentés, pour augmenter les passages du fil conducteur en fabrication dans la chambre 210, en l’occurrence six passages dans la chambre 210, pour réaliser la couche de graphène.
Le temps de fabrication de la couche de graphène par rapport à celle du temps de l’électrolyse est dans cet exemple plus long. Dans cet exemple les aller retours par les différentes poulies permettent que le ratio de la longueur de fil dans la chambre du dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 21 de graphène en cours de dépôt de la couche de graphène 111 sur la longueur du fil dans la chambre du dispositif de dépôt de revêtement 20 en cours de dépôt de couche intercalaire 110 est égal au ratio du temps de production de la couche de graphène (takt time) sur le temps de production de la couche intercalaire (takt time) par le dispositif de dépôt de revêtement 20. Ainsi la production est continue en s’adaptant au temps de production de la couche intercalaire (takt time), notamment si celle-ci est réalisée par électrolyse. En effet, l’électrodéposition de la couche intercalaire sur la couche de Graphene à iso longueur est plus rapide que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de la couche de graphène sur la couche intercalaire.
Le fil conducteur en fabrication sort après le dernier passage dans cette chambre 210 avec une couche de graphène 111 formant une portion 1011 comprenant le noyau 10 et la première paire de couches 11.
Cette portion 1011 du fil conducteur en fabrication plonge dans le bain de solution électrolytique 200 du dispositif d’électrodéposition 20 pour former la deuxième couche intercalaire 120 et ressort sous forme d’une portion 10120 du fil conducteur. Cette portion 10120 entre dans chambre 210 dans laquelle se forme la deuxième couche de graphène par le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour former une portion 1012 comprenant la deuxième paire de couches 12 du fil conducteur multicouches 1.
L’électrodéposition de la couche intercalaire 120, 130 sur le graphène permet d’isoler les deux couches graphènes 111-121 ou les deux couches graphènes 121-131 facilement sans détériorer.
Le fil conducteur multicouches 1 ayant en l’occurrence trois paires de couches, la portion 1012 plonge dans le bain de solution électrolytique 200 du dispositif d’électrodéposition 20 et dans la chambre du dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour former une portion 1013 comprenant la troisième paire de couches 13 du fil conducteur.
Le fil conducteur est conduit ensuite à l’aide d’une poulie 228 vers une deuxième bobine 231 par un dispositif enrouleur/dérouleur entrainant l’enroulement de la deuxième bobine par un moteur électrique pour tirer le fil conducteur en fabrication.
Le procédé de fabrication du deuxième exemple du fil conducteur électrique multicouches selon le premier mode de réalisation, comprend plusieurs successions du procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication. Ici le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication est réversible. Par réversible on entend que lorsque l’étape d’enroulement de la deuxième bobine est terminée, le procédé de dépôt de paires de couches fonctionne dans un deuxième sens réversible et comprend une étape de déroulement du fil conducteur 1+ en fabrication de la deuxième bobine 231, de dépôt d’au moins deux paires de couches successives sur le fil conducteur en fabrication autour du noyau central et d’enroulement du fil conducteur en fabrication simultanément sur la première bobine. Ainsi le procédé de dépôt de paires de couches dans un premier sens de la première bobine vers la deuxième bobine peut aussi commencer sur un fil conducteur en fabrication comprenant des paires de couches autour du noyau.
Dans cet exemple la ligne de production 2 comprend en outre un deuxième dispositif de dépôt de revêtement 28 d’une couche intercalaire dans un matériau non carboné pour former une couche intercalaire sur la portion 1013 comprenant la troisième paire de couches 13 du fil conducteur. Le fil conducteur en construction 1+ embobinée sur la deuxième bobine comprend donc cette couche intercalaire faisant partie d’une paire de couches qui sera complété par la ligne de production 2 dans le sens inverse, c’est-à-dire de la deuxième bobine vers la première bobine.
Dans cet exemple de fabrication, le fil conducteur en fabrication est donc tiré Y fois dans le premier sens de production et Y fois dans le deuxième sens réversible de production. Dans le premier sens le fil est tiré de la première bobine 230 vers et par la deuxième bobine 231 et dans le deuxième sens réversible, de la deuxième bobine 231 vers la première bobine 230. Dans chaque sens de production le fil passe X fois dans le bain 200, en l’occurrence 3 fois, et dans la chambre 210. Dans le premier sens le fil passe X fois en alternance dans le bain et la chambre et à la suite dans le deuxième dispositif de dépôt de revêtement 28, et dans l’autre sens dans le deuxième dispositif de dépôt de revêtement 28 puis X fois en alternance dans la chambre 210 et le bain 200, X fois Y étant le nombre de paires de couches du fil à fabriquer.
Le deuxième dispositif de dépôt de revêtement 28 ne fonctionne que dans un sens pour fabriquer une couche intercalaire entre les deux couches de graphène. La ligne de production 2 comprend donc un premier dispositif d’enroulement déroulement de la première bobine 230 pour dérouler dans un premier sens et enrouler en tirant le fil conducteur en construction dans le deuxième sens réversible et un deuxième dispositif d’enroulement d’enroulement/déroulement de la deuxième bobine 231 pour enrouler/dérouler dans le premier et deuxième sens.
Dans le premier sens de fabrication, lorsque la première bobine 230 est enroulée du fil conducteur en fabrication comprenant plusieurs paires de couches, soit le procédé double la couche intercalaire deux fois en repassant une deuxième fois successivement dans le dispositif d’électrodéposition 20, soit la poulie 2201 comprend une voie amovible pouvant monter et descendre afin de rentrer ou sortir du bain 200 afin d’éviter deux couches intercalaires successives sans couche de graphène.
Par exemple le fil conducteur est tiré de la deuxième bobine 231 à partir de la première bobine 230 en passant X fois dans le bain 200, en l’occurrence 3 fois, et dans la chambre 210 à la suite jusqu’au dispositif de dépôt d’isolant 29, X étant le nombre de paires de couches.
Le procédé de fabrication du fil conducteur électrique multicouches 1 ou 1’ selon le premier exemple de ce mode de réalisation, comprend donc Y=1 fois le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication comprenant une étape de dépôt d’une base multicouches comprenant au moins X>deux paires de couches successive 11,12,13, en l’occurrence X = trois, autour du noyau 10, 10’ du fil conducteur en fabrication pour former le fil conducteur multicouches 1,1’.
Selon les différents procédés, l’étape de dépôt comprend ainsi X fois une première sous étape d’immersion en continu d’une portion 10, 1011, 1012 du fil conducteur dans le bain de solution électrolytique 200, dans laquelle un métal, en l’occurrence du cuivre migre et se dépose sur la surface externe du fil conducteur en formation pour former la couche intercalaire, et X fois une deuxième sous étape à la suite de la première sous étape d’insertion en continue d’une portion 10110, 10120, 10130 comprenant en surface externe la couche intercalaire 110, 120, 130 déposée dans la première sous étape précédente, dans la chambre 210 de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène dans laquelle du gaz comprenant du carbone est introduit pour que se dépose une couche de graphène 111, 121, 131 sur la surface externe de la couche intercalaire 110, 120, 130. Dans cet exemple, la deuxième sous étape comprend six entrées d’affilées de la portion du fil conducteur dans la chambre 210 de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour former une couche de graphène 111, 121, 131. Une section de fil conducteur multicouche 1 en fabrication comprenant trois paires de couches est donc rentrée dans cet exemple trois fois six fois d’affilées dans la chambre 210 de dépôt chimique soit dix-huit fois.
En l’occurrence, dans l’exemple de la machine représentée, le nombre de paires de couche est de trois par procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication. Pour réaliser le deuxième exemple du fil conducteur comprenant 2598 paires de couches, le procédé de fabrication du deuxième exemple du fil conducteur électrique multicouches comprend 866 procédés de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication soit 433 procédés de dépôt de paires de couches dans le sens de la première bobine vers la deuxième bobine et 433 procédés de dépôt de paires de couches dans le sens réversible de la deuxième bobine vers la première bobine (Y est donc égal à 433).
Selon un exemple le dispositif revêtement intercalaire du deuxième dispositif de dépôt de revêtement 28 fabrique la couche intercalaire selon le même procédé de dépôt de revêtement que le premier dispositif soit une couche en cuivre par électrolyse.
L’étape de dépôt peut comprendre aussi une sous-étape d’évaporation de la solution électrolytique de la surface externe de la couche intercalaire 110, 120, 130 de la portion 10110, 10120, 10130 du fil conducteur en fabrication sortant du bain 200 avant d’être insérée dans la chambre 210 de dépôt chimique en phase vapeur.
L’étape de dépôt peut aussi comprendre en outre une sous-étape de nettoyage de la surface externe de la couche intercalaire 110, 120, 130 de la portion 10110, 10120, 10130 du fil conducteur en fabrication sortant du bain 200 avant d’être insérée dans la chambre 210 de dépôt chimique en phase vapeur. Par exemple, la ligne de production peut comprendre un bain de nettoyage entre deux poulies 2221 permettant de guider les portions 10110, 10120, 10130 du bain 200 à la chambre 210.
Le procédé peut aussi comprendre une étape de fabrication du noyau 10’ du second mode de réalisation en faisant parcourir une âme conductrice 100, en l’occurrence en cuivre, dans la chambre 210 du dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène 21 pour fabriquer la couche de graphène 101.
Selon un autre exemple, les couches intercalaires sont en aluminium. Dans ce cas l’électrode anode 201 est en aluminium. Selon un autre exemple, les couches intercalaires sont en fer. Dans ce cas l’électrode anode 201 est en fer.
Le dispositif d’électrodéposition 20 peut comprendre deux ou trois bains de solution électrolytique 200 de deux ou trois métaux différents pour permettre de réaliser des couches de métaux différents dans un même fil conducteur, par exemple une couche intercalaire cuivre ou aluminium ou fer/une couche de graphène/ une couche intercalaire aluminium ou cuivre ou fer/ une couche de graphène.
La représente un schéma de principe d’un appareil 3 comprenant la ligne de production 2 sous vide en cours de fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches 1++ dans le deuxième sens pour former le fil conducteur électrique multicouches 1 ou 1’ selon le deuxième exemple. L’appareil 3 comprend une pompe à vide 30 et une chambre de dépression 33 comprenant une pression inférieure à 10 millibars par la pompe à vide, en l’occurrence ici 0.6 millibars, la ligne de production 2 étant logée dans la chambre de dépression 33. En outre la machine 3 comprend une hotte d’aspiration 32 traversant la chambre de dépression 33 jusqu’à la surface du bain de solution électrolytique 200 pour aspirer les gaz lors de l’électrolyse produite par le dispositif d’électrodéposition 20 ainsi qu’un autre tube jusqu’au bain du deuxième dispositif de revêtement 28 pour aspirer aussi ses Gas.
Un tel appareil permet d’avoir une chambre 210 sous vide en minimisant les fuites d’entrée et sortie du fil conducteur en fabrication pour améliorer le dépôt de graphène.
La représente aussi cet appareil 3’ identique à celui de la sauf en ce que la hotte d’aspiration 32 aspire seulement les gaz du bain 200 et en ce que le deuxième dispositif de revêtement 28 est remplacé par le dispositif de dépôt d’isolant 29.
Selon un autre exemple, un appareil est identique à l’appareil 3’ sauf en ce que le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène 21 comprend une paroi verticale dans la chambre 210 séparant la dernière voie des autres voies du fil en fabrication, permettant ainsi d’utiliser comme dans l’appareil 3 le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication dans le sens réversible et à ne pas utiliser les buses de vaporisation dans la dernière voie correspondant à la première voie dans le sens réversible pour ne pas réaliser deux couches de graphite l’une sur l’autre.
Les figures 6 et 7 représentent un autre appareil 3’' selon un autre mode de réalisation, différent des d’autres appareils en ce que le dispositif de dépôt de revêtement de couches intercalaires à base non carboné est un dispositif de dépôt chimique en phase vapeur CVD du matériau à base non carboné. L’appareil 3’’ comprend dans cet exemple deux dispositifs de dépôt chimique en phase vapeur CVD, 20’’ et 21’’.
L’appareil 3’' comprend, comme dans les autres appareils des figures 4 et 5, une pompe à vide 30’’, une chambre de dépression 33’’ comprenant une pression inférieure à 10 millibars par la pompe à vide 30’’ , ici en l’occurrence 0.6millibar et une ligne de production 2’’ dans la chambre de dépression 33’’. La ligne de production 2’’ comprend aussi comme dans ceux décrit précédemment, une première bobine 230 et une deuxième bobine 231, un premier dispositif d’enroulement déroulement de la première bobine 230 pour dérouler/enrouler dans un respectivement premier/deuxième sens et un deuxième dispositif d’enroulement déroulement de la deuxième bobine 231 pour enrouler/dérouler dans le premier/deuxième sens ainsi qu’une dernière poulie 228.
Dans cet exemple, le premier et le deuxième dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 20’’, 21’’ sont identiques au dispositif de dépôt chimique en phase vapeur de graphène 21, 21’ des autres appareils 2, 2’sauf en ce qu’ils peuvent changer leur gaz de projection dans leur chambre 200’’, 211’’.
Par exemple, dans le premier sens, représenté sur la , de la première bobine 230 vers la deuxième bobine 231, le premier dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 20’’ vaporise dans sa chambre 200’’ par ses buses 201’’ un gaz comprenant le matériau à base non carboné, par exemple de l’oxyde de silicone (SiOx). L’ oxyde de silicone permet d’alléger le fil, en effet, il est entre 11 et 35 fois plus léger que le cuivre et en outre est plus souple. Un fil carbone/Graphene réalisé avec ce type de matériau intercalaire permet de pouvoir être 20% plus léger qu’avec l’exemple de couche intercalaire en cuivre et cinq fois plus léger qu’un fil de cuivre massif (sans multicouches).
Les couches intercalaires en oxyde de silicone (SiOx) sont donc vaporisée dans la chambre 200’’ pour se déposer sur le noyau 10 ou sur la couche de graphène de la portion du fil [1011, 1012, 101(x-1), … i11x (réalisée dans le deuxième sens), i011, i012, i01(x-1)] (x étant le nombre de paires couche produites lors d’un enroulement de la deuxième bobine, soit le nombre de voies des poulies 220’’, 221’’, en l’occurrence ici 3 mais pourrait être plus (représentation par des pointillés) et i le nombre d’utilisations de la ligne de production dans le premier sens de la ligne de production pour produire le fil) et former ainsi la couche intercalaire d’une portion de fil [10110, 10120, 10130, 101x0 … i0110, i0120, i01x0] et le deuxième dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 21’’ vaporise dans sa chambre 210’’ par ses buses 211’’ un gaz comprenant le graphène pour se déposer sur la couche intercalaire de la portion fil [10110, 10120, 10130, 101x0 … i0110, i0120, i01x0] pour former la couche de graphène de la portion de fil [1011, 1012, 101x…, i011, i012, i01x].
Dans le deuxième sens représenté sur la , de la deuxième bobine 231 vers la première bobine 230, le deuxième dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 21’’ vaporise dans sa chambre 210’’ par ses buses 211’’ un gaz comprenant le matériau à base non carboné pour se déposer sur la couche de graphène de la portion fil 101(x) (réalisée dans le premier sens),1111,1112, 111(x-1) … i01x, i111, i112, i11(x-1)] et former ainsi la couche intercalaire d’une portion de fil [11110, 11120, 11130, 111x0… i1110, i1120, i1130, i11x0] et le premier dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 21’’ vaporise dans sa chambre 210’’ par ses buses 211’’ un gaz comprenant le graphène pour se déposer sur la couche de matériau à base non carboné de la portion [11110, 11120, 11130, 111x0… i1110, i1120, i1130, i11x0] pour former la couche de graphène de la portion de fil [1111,1112, 111(x-1), 111x … i111, i112, i11(x-1), i11(x)].
D’autres exemples de fil conducteurs multicouches peuvent découler de cette invention ainsi que d’autres lignes de production ou appareils peuvent être utilisés, par exemple le fil conducteur multicouches peut être dépourvu de la couche isolante pour former par exemple un câble et donc la ligne de production est dépourvue du dispositif de dépôt d’isolant 29 ou encore cette couche isolante 19 peut être réalisée en dehors de l’appareil 3 en déroulant la bobine 231.
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
Claims (17)
- Fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) comprenant :
- un noyau central (10, 10’) de support,
- un ensemble (123) de paires de couches (11, 12, 13) comprenant chacune au moins une couche intercalaire (110, 120, 130) dans un matériau à base non carboné et une couche de graphène (111, 121, 131), dans lequel la première couche (110) de la première paire de couches (11) est déposée sur la surface externe du noyau central (10, 10’) et la première couche (120, 130) de la paire de couches N+1éme(12, 13) est déposée sur la deuxième couche (111, 121) de la Némepaire de couches (11, 12), de manière à séparer chaque couche de Graphène (111, 121, 131) d’une autre couche de Graphène (111, 121, 131) par une des couches intercalaires (120, 130).
- Fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon la revendication précédente, dans lequel le matériau de la couche intercalaire (120, 130) est un matériau métallique conducteur électriquement.
- Fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon la revendication précédente, dans lequel au moins une couche intercalaire (110, 120, 130) est en cuivre et est issue d’un procédé de type électrolyse.
- Fil conducteur électrique multicouches, selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une couche intercalaire est en aluminium ou en fer et est issue d’un procédé de type électrolyse.
- Fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon la revendication 1, dans lequel le matériau de la couche intercalaire (120, 130) est un matériau isolant.
- Fil conducteur électrique multicouches, selon la revendication précédente, dans lequel au moins une couche intercalaire est en oxyde de silicone (SiOx).
- Fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau de la couche intercalaire (120, 130) est un matériau non carboné.
- Fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de graphène (111, 121, 131) de chaque paire de couches (11, 12, 13) est issue d’un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), notamment pulsé.
- Fil conducteur électrique multicouches (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le noyau (10) est en carbone, notamment en fibre de carbone ou en fibre de nanotube de carbone.
- Fil conducteur électrique multicouches (1’) selon l'une des revendications précédentes 1 à 8, dans lequel le noyau (10’) comprend :
- une âme métallique (100) conductrice électriquement, notamment en cuivre,
- une couche de graphène (101) déposée sur l’âme conductrice (100) et en ce que la couche intercalaire (110) de la première paire de couches (11) enrobe cette couche de graphène (101).
- Procédé de fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication comprenant les étapes de :
- déroulement d’un fil conducteur en construction (10, 10’, 1++) comprenant au moins un noyau central (10, 10’) en continu à partir d’une première bobine (230),
- de dépôt d’au moins deux paires de couches (11, 12, 13) successives autour du noyau central (10, 10’), comprenant pour chaque dépôt d’une paire de couches (11, 12, 13) :
- une première sous étape d’insertion du fil conducteur en construction (10, 10’, 1++) dans un dispositif de dépôt de revêtement (20) d’une couche intercalaire dans un matériau à base non carboné,
- une deuxième sous étape d’insertion en continue d’une portion (10110, 10120, 10130) du fil conducteur comprenant en surface externe la couche intercalaire (110, 120, 130) déposée dans la première sous étape précédente, dans une chambre de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène (210) dans laquelle du gaz comprenant du carbone est introduit et dans laquelle se dépose une couche de graphène sur la surface externe de la couche intercalaire,
- d’enroulement du fil conducteur multicouche (1, 1’) ayant au moins deux paires de couches (11, 12, 13) autour d’une deuxième bobine (231).
- Procédé de fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon la revendication précédente, comprend plusieurs fois le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication.
- Procédé de fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon la revendication précédente, dans lequel le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication est réversible, dans lequel lorsque l’étape d’enroulement de la deuxième bobine est terminé, le procédé de dépôt de paires de couches d’un fil conducteur en fabrication réversible comprend une étape de déroulement du fil conducteur en fabrication de la deuxième bobine, de l’étape de dépôt d’au moins deux paires de couches successives autour du noyau central et d’enroulement du fil conducteur en fabrication simultanément sur la première bobine.
- Ligne de production (2) pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon l’une des revendications 1 à 10 selon le procédé de la revendication précédente, la ligne de prduction (2) comprenant :
- un premier dispositif dérouleur/enrouleur d’une première bobine (230) comprenant à l’état initiale le noyau central (10, 10’),
- un dispositif de dépôt de revêtement de couches intercalaires dans un matériau non carboné
- un dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène (21), comprenant une chambre (210) et au moins une buse (211) pour injecter un gaz comprenant du carbone dans la chambre (210) pour déposer une couche de graphène sur la couche intercalaire.
- Ligne de production (2) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de dépôt de revêtement de couches intercalaires dans un matériau à base non carboné est un dispositif d’électrodéposition (20) comprenant :
- un bain de solution électrolytique (200) d’un métal,
- une électrode anode (201) en métal à déposer pour fabriquer la couche intercalaire (110, 120, 130),
- une électrode cathode (202) reliée au fil conducteur électrique en fabrication.
- Ligne de production (2) selon la revendication 14, dans lequel le dispositif de dépôt de revêtement de couches intercalaires à base non carboné est un dispositif de dépôt chimique en phase vapeur CVD (20’’, 21’’) du matériau à base non carboné, comprenant une chambre (200’’,210’’) et au moins une buse (201’’, 211’’) pour injecter un gaz comprenant le matériau à base non carboné dans la chambre (200’, 210’’) pour déposer ce matériau à base non carboné et former une couche intercalaire (110’, 120’, 130’) sur la couche de graphène ou le noyau (10).
- Appareil (3) pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches comprenant :
- une chambre de dépression (33) comprenant une pression inférieure à la pression atmosphérique, par exemple inférieure à 15 millibars mais de préférence entre 0.6 et 1 millibars,
- la ligne de production (2) pour la fabrication d’un fil conducteur électrique multicouches (1, 1’) selon l’une des revendications 14 à 16 logée dans la chambre de dépression.
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