WO2016075290A2 - Structure composite comportant une resine chargee avec des feuillets plans de graphene a conductivite thermique et conductivite electrique renforcees, notamment pour satellite - Google Patents

Structure composite comportant une resine chargee avec des feuillets plans de graphene a conductivite thermique et conductivite electrique renforcees, notamment pour satellite Download PDF

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heat dissipation
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carbon fibers
heat
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Dima TANZILLI
Nicolas BURGER
Abdelghani Laachachi
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Definitions

  • the field of the invention is that of composite mechanical structures having good properties in terms of mechanical strength, thermal conductivity and thermal conductivity.
  • the composite structure comprises a resin filled with flat sheets of graphene with enhanced thermal conductivity and electrical conductivity, in particular for satellite. electrical conductivity especially for applications in the field of space, and can be integrated into telecommunications satellites, scientific observation.
  • telecommunications satellites must be able to dissipate the heat produced by the onboard equipment in a high performance manner, in order to guarantee the durability of their performance.
  • the increasing multiplicity of on-board equipment, as well as economic reasons, impose on embedded components ever more severe mass constraints.
  • Telecommunication satellites usually use heat sinks in the form of dissipative panels, commonly referred to as “North-South panels” or “North-South walls”, because of their special arrangement on the surface of the satellites.
  • the north-south walls are typically composed of panels and heat conduction devices, the latter commonly referred to as heat pipes, and usually consisting of tubular structures networked and in which circulates a heat transfer fluid.
  • the structure of the North - South walls is typically made of aluminum.
  • the heat pipes are typically made of aluminum.
  • Aluminum is preferred because it offers good thermal conductivity characteristics, as well as physical properties facilitating extrusion, process manufacturing particularly suitable for obtaining parts of tubular structure. In addition, aluminum offers known characteristics of lightness.
  • Telecommunication satellites can also use shelves, supporting the equipment and heat transfer means allowing a transfer of the heat released by the equipment to dissipative panels such as North-South panels for example.
  • the components forming the shelves are in a preferred manner made of aluminum.
  • the use of highly graphitized carbon fibers can be matched with the use of a second carbon fiber, of the "high strength" type, making up for the resistance insufficient mechanical of the first.
  • the first conductive fiber may be disposed substantially perpendicular to the main axis of the heat pipes, and the second fiber, of high strength, substantially in the direction of the main axis of the heat pipes.
  • the Applicant has filed a patent application published under the reference 2 960 218, describing a solution based on organic resin and carbon fibers, the resin being loaded with carbon nanotubes.
  • the composite material is coupled to the use of heat pipes, however this solution does not ensure that imperfectly a current return structure.
  • the doped resin has become slightly electrically conductive, which already simplifies the implementation of the metallization (no scratching operation necessary in contrast to standard composites), but not enough to overcome metallization tracks so to ensure the current return.
  • the present invention relates to a new composite mechanical structure with reinforced mechanical strength and whose thermal conductivity and electrical conductivity are also improved.
  • the originality of this structure lies in the use of graphene nanosheets as a charge of the resin, with a planar structure, which may have specific surface areas greater than the charges currently proposed in the solutions of the known art, and in particular that based on carbon nanotubes.
  • the solution proposed in the present invention consists of a structure whose very good properties in terms of mechanical strength, very good thermal conductivity and very good electrical conductivity thus makes it possible to envisage various applications in embedded structures on board a satellite, such as heat sinks, housings for electronic components or even as a substrate for solar generators.
  • the subject of the present invention is a composite structure comprising an organic resin and carbon fibers, characterized in that it further comprises nanosheets of planar graphene structure embedded in said resin.
  • the advantage of using graphene nanosheets lies notably in the very good properties of thermal conductivity, due to their large specific surface area, their sheet morphology, their large form factor and their length, and in the very good conductivity properties. increased power compared to that of carbon nanotubes.
  • the dimensions of nanosheets of planar structure are of the order of a few tens of microns, allowing to increase significantly, their specific surface area compared to those of carbon nanotubes, which may comprise a nanotube length of the same order of size but with a much smaller diameter.
  • said composite structure comprises stacks of some graphene nanosheets of planar structure embedded in said resin.
  • the nanosheight mass loading rate in the resin is between 5% and 20%.
  • the 20% loading rate constitutes a physical limit beyond which it is very difficult to achieve an industrial "prepreg” with a homogeneous dispersion of the nanofiller.
  • the morphology of the load reduces the loss to the interfaces and thus obtain both good thermal and electrical conductivity on composite.
  • a "prepreg” is defined as a carbon composite / non-polymerized filled resin.
  • the specific surface area of the graphene nanosheets is greater than or equal to 500 m 2 / g, advantageously it may be greater than 750 m 2 / g.
  • the structure comprises an alternating succession of layers comprising a first plurality of carbon fibers arranged in a determined alignment, and layers comprising a second plurality of carbon fibers disposed according to an alignment substantially perpendicular to the alignment of said first plurality of carbon fibers.
  • the composite structure is formed by a fabric made by entangling a first plurality of carbon fibers arranged in a predetermined alignment, and a second plurality of carbon fibers arranged in a substantially identical alignment. perpendicular to the alignment of said first plurality of carbon fibers.
  • the invention also relates to a heat dissipation device, in particular for spatial application, comprising at least one dissipative panel, the dissipative panel comprising at least one skin made in the composite structure according to the invention.
  • the invention also relates to a heat dissipation device comprising at least one skin made in the composite structure of the invention.
  • the skin is assembled to a network of heat pipes.
  • the dissipative panel comprises an inner skin and an outer skin of planar shape arranged parallel to each other and secured via structural elements.
  • the heat dissipation device comprises an inner skin and an outer skin of planar shape arranged parallel to one another and secured via structural elements.
  • the structural elements are formed by a honeycomb configuration of aluminum tubes.
  • the structural elements are formed by a conductive foam.
  • the heat pipe network is disposed externally to the dissipative panel on the surface of the inner skin.
  • the heat pipe network is disposed internally to the dissipative panel, between the inner and outer skins.
  • the heat pipe network comprises one or a plurality of substantially tubular heat pipes, made of aluminum.
  • the heat pipe network comprises one or a plurality of substantially tubular heat pipes, made of an aluminum alloy incorporating elements of low coefficient of thermal expansion.
  • the assembly of the heat pipes to the skins is carried out by means of organic resin enriched with nanosheets of planar structure of graphene.
  • the invention also relates to a fixed dissipative panel for satellite, characterized in that it is formed by at least one heat dissipation device according to the invention.
  • the invention also relates to a deployable dissipative panel for satellite, characterized in that it is formed by at least one heat dissipation device according to the invention.
  • the subject of the invention is also an electronic equipment casing, in particular for spatial application, comprising electronic components positioned in a container, characterized in that said container comprises the composite structure according to the invention.
  • the thickness of said composite structure is greater than or equal to a few millimeters, to stiffen said structure.
  • the invention also relates to a solar generator substrate characterized in that it comprises a composite structure according to the invention.
  • a composite structure according to the invention typically the thickness of said composite structure is of the order of one-tenth of a millimeter, said structure being able to be flexible.
  • the invention also relates to a solar panel comprising a solar generator substrate according to the invention and a set of photovoltaic cells.
  • FIG. 1 illustrates a graphene nanosheet used in a composite structure according to the invention
  • FIG. 2 provides a theoretical representation of heat diffusion mechanisms in the composite samples as a function of the form factor of the charges dispersed in a resin
  • FIG. 3 illustrates the evolution of the performances in terms of thermal conductivity expressed in W / mK as a function of the mass loading rate in the case of resin loaded with carbon nanotubes and in the case of resin loaded with nanosheets with a flat structure of graphene;
  • FIG. 4 illustrates the evolution of the performances in terms of electrical conductivity expressed in Log [S / m] as a function of the mass loading rate in the case of resin loaded with carbon nanotubes and in the case of resin loaded with nanosheets. planar structure of graphene;
  • FIG. 5 illustrates a perspective view illustrating a known structure of heat dissipation device for a telecommunication satellite
  • FIG. 6 and 7 illustrate sectional views of a heat dissipating device comprising a dissipative panel with the composite structure of the invention and a heat pipe network, in a first embodiment
  • FIG. 8 illustrates a sectional view of a heat dissipating device comprising a dissipative panel with the composite structure of the invention and a heat pipe network, in a second embodiment
  • FIG. 9 illustrates an example of a solar panel comprising as substrate a composite structure of the invention.
  • the composite structure of the present invention comprises a resin loaded with nanosheets of planar structure of graphene and carbon fibers.
  • a planar graphene nanosheet is defined as being a single sheet of pure carbon, crystallized in a structure of honeycomb, with a thickness of the size of a carbon atom, such as the sheet illustrated in Figure 1. Its structure makes graphene an exceptional material, combining excellent mechanical, thermal and electrical properties. However, it is difficult to obtain experimentally a single sheet of 100% pure graphene, generally having oxygen function at these ends and / or some re-aggregation of the sheets leading to a form closer to graphite.
  • the composite structure of the present invention can thus typically comprise a stack of a few graphene nanosheets of planar structure typically having a thickness of between 1 nm and 10 nm and a length of more than ten nanometers that can typically reach a length. of about a few tens of microns, which may for example be of the order of 25 ⁇ of length, with a width of the same order of magnitude, and leading for example to a specific surface area of 750 m 2 / g.
  • Table 1 summarizes the thermal conductivities obtained at 10% mass loading and according to their respective parameters.
  • the Applicant has thus been able to show the very good results obtained in terms of thermal conductivity with a resin loaded with planar graphene nanosheets. Increasing the surface area, shape factor, and size of the fillers help increase performance.
  • Planar graphene nanosheets have the best combination of parameters, with a large surface area and a large form factor, as well as a load size that can be considered relatively large.
  • the thermal conductivity obtained of 2.42 W / m.K is evidence of this, resulting from a certain synergy of these parameters.
  • the graphene charge rate in the composite structure also plays a role in the performance obtained.
  • the Applicant has thus studied resins having respective mass loading rates of 5% and 10%.
  • the increase in thermal conductivity is markedly greater for a 10% graphene loaded resin than for the 5% charged one.
  • the nanosheets are interconnected at 10% with relatively small inter-particle distances, while at 5%, the nanosheets are well dispersed and relatively isolated from each other (with greater inter-particle mean distance). This average inter-particle distance naturally depends on the charge rate, as mentioned above, but also on the charge form factor. This postulate can notably be illustrated by FIG. 2, which provides a theoretical representation of the heat diffusion mechanisms within a resin R comprising charges in the composite samples as a function of the charge form factor, theoretically comparing the diffusion heat in two composites with very different form factor charges.
  • Table 2 illustrates the performances in terms of thermal conductivity and the electrical conductivity, in the case of uncharged resin, in the case of resin loaded with a charge ratio of 5% of planar graphene nanosheets and with a charge rate of 10% of nanosheets of planar structure of graphene.
  • the associated curves represented in FIGS. 3 and 4 further illustrate the evolution of the performances that can be expected respectively in terms of thermal conductivity expressed in W / mK and in terms of electrical conductivity expressed in Log [S / m] as a function of the rate of mass loading in the case of resin loaded with carbon nanotubes and in the case of resins loaded with nanosheets of planar structure of graphene. It is very clear from the set of two curves C 3a and C 4a (resin loaded with nanotubes) and curves C 3 b and C 4 b (resin loaded with graphene nanosheets) that the performances are better with the charged resin used. in the present invention with nanosheets of planar structure of graphene.
  • the evolution of electrical conductivity curves demonstrates the achievement of an asymptote from a mass loading rate of about 8 to 10%.
  • planar structure graphene nanosheets are mixed with resin for the composite structure.
  • the filled resin is filmed so as to be able to produce a prepreg based on carbon reinforcement (carbon fabric made up of long, high modulus carbon fibers, typically a fiber modulus greater than 400 GPa).
  • carbon reinforcement carbon fabric made up of long, high modulus carbon fibers, typically a fiber modulus greater than 400 GPa.
  • This prepreg is then draped (stack of quasi-isotropic layers) and then polymerized in the form of skins.
  • the polymerization can be carried out under pressure and temperature, the operation can typically be carried out in press or in an autoclave. It is thus possible to produce composite structures according to the invention which may have variable thicknesses, depending on the stack of prepreg layers prior to the polymerization and hardening operation of said composite structure, which may especially be intended for heat sink applications. .
  • FIG. 5 presents for this purpose a perspective view illustrating a known structure of heat dissipation device for a telecommunication satellite.
  • a communication satellite comprises in particular a communication module 10.
  • the communication module 10 comprises a plurality of highly dissipative electronic equipment 13.
  • the electronic equipment 13 is installed on heat pipe networks not shown in this figure, but described in detail below with reference to Figures 2a, 2b and 3.
  • the electronic equipment 13 are disposed within the communication satellite.
  • the heat pipes are arranged on the internal surface of dissipative panels January 1, 12, or inside the dissipative panels January 1, 12.
  • the heat pipe networks allow the transport and distribution of the thermal power over the total surface of the dissipative panels 1 1, 12.
  • the outer surface of the dissipative panels 1 1, 12 then radiate this power to the surrounding space.
  • a network of heat pipes comprising at least one heat pipe 21 may be disposed inside a dissipative panel January 1.
  • the inner and outer surfaces of the North-South panel 1 1 may be formed by two surface structures or "skins", respectively an inner skin 21 1 and an outer skin 212, defining substantially parallel planes one of the other.
  • the skins 21 1, 212 may be secured via structural elements 22.
  • the structural elements 22 may, for example, typically form a so-called "honeycomb" structure.
  • the electronic equipment 13 is arranged on the heat pipe network 21.
  • FIG. 7 In the example illustrated in Figure 7, several sections of the same heat pipe or several heat pipes, are shown in a cross-sectional view.
  • a coolant circulates in the heat pipes 21.
  • the coolant used is ammonia.
  • the heat pipes 21, as well as the skins 21 1, 212 and the structural elements forming the dissipative panels 11 may be made of aluminum.
  • Figure 8 is a schematic representation of the composition of a dissipative panel according to an alternative embodiment.
  • FIG. 8 shows a dissipative panel structure 1 1 in itself known from the state of the art, within which are integrated the heat pipe networks 21, appearing in a cross section in the figure.
  • the electronic equipment 13 can be arranged directly on a skin 21 1, 212, substantially above the heat pipe networks 21, the heat pipe networks 21 being disposed between the two skins 21 1, 212 of the dissipative panel 1 1.
  • structural elements 22 forming, for example, a honeycomb structure, can secure the assembly.
  • the present invention it also becomes possible to make structure current since the charge in graphene nanosheets also makes it possible to have good electrical conductivity in addition to the good thermal conductivity, without resorting for example to the use of tracks. metallization on the surface of the panels so as to recover the current, the structure of the present invention being sufficiently good electrical conductor to directly obtain this current feedback structure.
  • the composite structure of the invention can also advantageously be used for solar panel substrates. It is indeed possible to make very thin films, with great flexibility because of their small thickness (typically may be of the order of a few tenths of a millimeter) and can thus in a variant be wound to be deployed.
  • FIG. 9 illustrates for this purpose an example of solar panel 31 comprising the following stack:
  • a set of photovoltaic cells 314 At the stacking surface 312/313 corresponding to an electric cover, a set of photovoltaic cells 314:
  • the solar panel can also be a rigid solar panel.
  • the composite structure of the invention can also be designed to have a sufficient thickness, typically of a few millimeters and be shaped to serve as an electronic box for electronic components for example, to provide an alternative to metal alloys used in the packaging of electronic equipment onboard including satellites.
  • Such parts can be made by molding or injection with suitable molds from the prepreg described above, to be shaped, the resin being polymerized to cure in the terminal phase.

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Abstract

L'invention a pour objet une structure composite comprenant une résine organique et des fibres de carbone, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des nanofeuillets de structure plane de graphène noyés dans ladite résine. Cette structure combinant de bonnes propriétés en termes de tenue mécanique, de conductivité thermique et de conductivité électrique peut avantageusement être utilisée pour des dispositifs de dissipation thermique, comme substrat de générateur solaire ou bien encore comme boîtier de composants électroniques, embarqués dans des satellites.

Description

Structure composite comportant une résine chargée avec des feuillets plans de graphène à conductivité thermique et conductivité électrique renforcées, notamment pour satellite Le domaine de l'invention est celui des structures mécaniques composites présentant de bonnes propriétés en termes de tenue mécanique, de conductivité thermique et de conductivité électrique notamment pour applications dans le domaine du spatial, et pouvant être intégrées dans des satellites de télécommunications, d'observation scientifiques.
De manière générale, les dispositifs pour applications spatiales doivent satisfaire des performances de plus en plus sévères. En ce qui concerne les satellites de télécommunications, ceux-ci embarquent un nombre toujours plus grand d'équipements toujours plus complexes consommant toujours plus d'énergie, produisant plus de chaleur.
De plus, les futures plateformes de satellites de télécommunication doivent satisfaire des exigences de performances de plus en plus sévères (précision de pointage des antennes, masse....).
Ainsi, les satellites de télécommunications doivent être capables de dissiper la chaleur produite par les équipements embarqués de manière performante, afin de garantir la pérennité des performances de ceux-ci. Parallèlement, la multiplicité croissante des équipements embarqués, ainsi que des motifs économiques, imposent aux composants embarqués des contraintes de masse toujours plus sévères.
Les satellites de télécommunications utilisent habituellement des dissipateurs de chaleur sous la forme de panneaux dissipatifs, communément désignés "panneaux Nord - Sud" ou encore "murs Nord - Sud", de par leur disposition particulière sur la surface des satellites. Les murs Nord - Sud sont de manière typique composés de panneaux et de dispositifs de conduction calorifique, ces derniers étant communément désignés caloducs, et habituellement constitués de structures tubulaires mises en réseau et au sein desquelles circule un fluide caloporteur. Pour ce qui concerne la plupart des systèmes de satellites réalisés, la structure des murs Nord - Sud est typiquement réalisée en aluminium. De la même manière, les caloducs sont typiquement réalisés en aluminium. L'aluminium est privilégié car il offre de bonnes caractéristiques de conductivité thermique, ainsi que des propriétés physiques facilitant l'extrusion, procédé de fabrication particulièrement adapté pour l'obtention de pièces de structure tubulaire. En outre, l'aluminium offre des caractéristiques connues de légèreté.
Des satellites de télécommunications peuvent également utiliser des étagères, supportant les équipements et des moyens de transfert thermique permettant un transfert de la chaleur dégagée par les équipements vers des panneaux dissipatifs de type panneaux Nord - Sud par exemple. D'une manière similaire, les composants formant les étagères sont d'une manière privilégiée réalisés en aluminium.
En ce qui concerne les satellites d'observation et scientifiques, des missions particulières nécessitant à la fois des structures rigides et des panneaux contrôlés thermiquement par caloducs sont envisageables, notamment pour les explorations des planètes chaudes et du soleil.
Afin de satisfaire au mieux les contraintes précitées, et notamment les contraintes liées à la masse des systèmes, il est envisagé de recourir à des structures alternatives aux structures en aluminium connues. Il est notamment envisagé de recourir à des matériaux composites présentant des masses moindres. Notamment, des structures composites à base de carbone sont envisagées. En effet, les développements récents permettent la réalisation de structures composites contenant des fibres de carbone enrichies en graphite, ou "graphitisées". De telles fibres offrent des caractéristiques très satisfaisantes en terme de conduction thermique. Des structures composites incorporant des fibres de carbone graphitisées sont ainsi envisagées, notamment pour réaliser la structure formant le plan des panneaux Nord - Sud de satellites, pour laquelle de bonnes caractéristiques de conductivité thermique sont recherchées.
Selon des techniques en elles-mêmes connues de l'état de la technique, l'utilisation de fibres de carbone hautement graphitisées peut être assortie à l'emploi d'une deuxième fibre de carbone, de type "haute résistance", palliant la tenue mécanique insuffisante de la première. D'une manière typique, la première fibre, conductrice, peut être disposée de manière sensiblement perpendiculaire à l'axe principal des caloducs, et la seconde fibre, de haute résistance, sensiblement dans le sens de l'axe principal des caloducs. Ainsi, une succession de couches comprenant des fibres de carbone hautement graphitisées, noyées dans une résine, et de couches comprenant des fibres de carbone de haute résistance sensiblement alignées à la perpendiculaire des fibres des couches voisines, peut être réalisée. Il est également possible d'alterner des couches dans lesquelles des fibres de carbones sont disposées selon un alignement faisant un angle déterminé, par exemple de 45°, avec les fibres disposées dans les couches voisines ; une telle configuration, formée par une superposition de couches comprenant des fibres de nature hétérogène, permet de conférer des structures composites dont les propriétés d'isotropie sont améliorées.
Dans ce cadre, le Demandeur a déposé une demande de brevet publiée sous la référence 2 960 218, décrivant une solution à base de résine organique et de fibres de carbone, la résine étant chargée de nanotubes de carbone. Afin de réaliser un dissipateur thermique, le matériau composite est couplé à l'utilisation de caloducs, néanmoins cette solution ne permet d'assurer qu'imparfaitement un retour courant structure. Selon cette solution, la résine dopée est devenue légèrement conductrice électriquement, ce qui simplifie déjà la mise en œuvre de la métallisation (pas d'opération de grattage nécessaire contrairement aux composites standards), mais pas suffisamment pour s'affranchir de pistes de métallisation afin d'assurer le retour courant.
C'est pourquoi, la présente invention a pour objet une nouvelle structure mécanique composite à tenue mécanique renforcée et dont la conductivité thermique et la conductivité électrique sont également améliorées. L'originalité de cette structure réside dans l'utilisation de nanofeuillets de graphène en tant que charge de la résine, de structure plane, pouvant présenter des surfaces spécifiques plus grandes que les charges actuellement proposées dans les solutions de l'art connu et notamment celle à base de nanotubes de carbone.
La solution proposée dans la présente invention consiste en une structure dont les très bonnes propriétés en termes de tenue mécanique, de très bonne conductivité thermique et très bonne conductivité électrique permet ainsi d'envisager diverses applications dans des structures embarquées à bord de satellite, tels que des dissipateurs thermiques, des boîtiers pour composants électroniques ou bien encore en tant que substrat pour des générateurs solaires. Plus précisément, la présente invention a pour objet une structure composite comprenant une résine organique et des fibres de carbone, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des nanofeuillets de structure plane de graphène noyés dans ladite résine.
L'intérêt d'utiliser des nanofeuillets de graphène réside notamment dans les très bonnes propriétés de conductivité thermique, dues à leur grande surface spécifique, leur morphologie en feuillet, leur grand facteur de forme et leur longueur, et dans les très bonnes propriétés de conductivité électrique accrue par rapport à celle de nanotubes de carbone. En effet, les dimensions des nanofeuillets de structure plane sont de l'ordre de quelques dizaines de microns, permettant d'augmenter de manière conséquente, leur surface spécifique par rapport à celles de nanotubes de carbone, pouvant comprendre une longueur de nanotube du même ordre de grandeur mais avec un diamètre beaucoup plus faible.
Selon une variante de l'invention, ladite structure composite comprend des empilements de quelques nanofeuillets de graphène de structure plane noyés dans ladite résine.
Selon une variante de l'invention, le taux de charge massique en nanofeuillets dans la résine est compris entre 5 % et 20%.
Le taux de charge de 20% constitue une limite physique au-delà de laquelle il est très difficile de réaliser un « pré-imprégné » industriel avec une dispersion homogène de la nanocharge. D'où l'importance de choisir une charge ayant de bonnes propriétés intrinsèques, mais aussi de s'affranchir des problèmes d'interfaces : dans le cas présent, la morphologie de la charge permet de réduire la perte aux interfaces et ainsi d'obtenir à la fois une bonne conductivité thermique et électrique sur composite. Il est à noter que l'on définit un « pré-imprégné » comme un composite carbone/résine chargée non polymérisée.
Selon une variante de l'invention, la surface spécifique des nanofeuillets de graphène est supérieure ou égale à 500 m2/g, avantageusement, elle peut être supérieure à 750 m2/g.
Selon une variante de l'invention, la structure comprend une succession alternée de couches comprenant une première pluralité de fibres de carbone disposées suivant un alignement déterminé, et de couches comprenant une deuxième pluralité de fibres de carbone disposées suivant un alignement sensiblement perpendiculaire à l'alignement de ladite première pluralité de fibres de carbone.
Selon une variante de l'invention, la structure composite est formée par un tissu réalisé par un enchevêtrement d'une première pluralité de fibres de carbone disposées suivant un alignement déterminé, et d'une deuxième pluralité de fibres de carbone disposées suivant un alignement sensiblement perpendiculaire à l'alignement de ladite première pluralité de fibres de carbone.
L'invention a aussi pour objet un dispositif de dissipation thermique, notamment pour application spatiale, comprenant au moins un panneau dissipatif, le panneau dissipatif comprenant au moins une peau réalisée dans la structure composite selon l'invention.
L'invention a aussi pour objet un dispositif de dissipation thermique comprenant au moins une peau réalisée dans la structure composite de l'invention.
Selon une variante de l'invention, la peau est assemblée à un réseau de caloducs.
Selon une variante de l'invention, le panneau dissipatif comprend une peau intérieure et une peau extérieure de forme planaire disposées parallèlement l'une de l'autre et solidarisées via des éléments de structure.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de dissipation thermique comprend une peau intérieure et une peau extérieure de forme planaire disposées parallèlement l'une de l'autre et solidarisées via des éléments de structure.
Selon une variante de l'invention, les éléments de structure sont formés par une configuration en nid d'abeille de tubes d'aluminium.
Selon une variante de l'invention, les éléments de structure sont formés par une mousse conductrice.
Selon une variante de l'invention, le réseau de caloducs est disposé extérieurement au panneau dissipatif en surface de la peau intérieure.
Selon une variante de l'invention, le réseau de caloducs est disposé intérieurement au panneau dissipatif, entre les peaux intérieure et extérieure. Selon une variante de l'invention, le réseau de caloducs comprend un ou une pluralité de caloducs de forme sensiblement tubulaire, réalisés en aluminium.
Selon une variante de l'invention, le réseau de caloducs comprend un ou une pluralité de caloducs de forme sensiblement tubulaire, réalisés dans un alliage d'aluminium incorporant des éléments de faible coefficient de dilatation thermique.
Selon une variante de l'invention, l'assemblage des caloducs aux peaux est réalisé au moyen de résine organique enrichie de nanofeuillets de structure plane de graphène.
L'invention a aussi pour objet un panneau dissipatif fixe pour satellite, caractérisé en ce qu'il est formé par au moins un dispositif de dissipation thermique selon l'invention.
L'invention a aussi pour objet un panneau dissipatif déployable pour satellite, caractérisé en ce qu'il est formé par au moins un dispositif de dissipation thermique selon l'invention.
L'invention a encore pour objet un boîtier d'équipement électronique, notamment pour application spatiale, comprenant des composants électroniques positionnés dans un contenant caractérisé en ce que ledit contenant comprend la structure composite selon l'invention.
Typiquement, l'épaisseur de ladite structure composite est supérieure ou égale à quelques millimètres, permettant de rigidifier ladite structure.
L'invention a aussi pour objet un substrat de générateur solaire caractérisé en ce qu'il comprend une structure composite selon l'invention. Typiquement l'épaisseur de ladite structure composite est de l'ordre du dixième de millimètre, ladite structure pouvant être flexible.
L'invention a encore pour objet un panneau solaire comprenant un substrat de générateur solaire selon l'invention et un ensemble de cellules photovoltaïques.
La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un nanofeuillet de graphène utilisé dans une structure composite selon l'invention ;
- la figure 2 fournit une représentation théorique des mécanismes de diffusion de chaleur dans les échantillons composites en fonction du facteur de forme des charges dispersées dans une résine ;
- la figure 3 illustre l'évolution des performances en termes de conductivité thermique exprimée en W/m.K en fonction du taux de charge massique dans le cas de résine chargée en nanotubes de carbone et dans le cas de résine chargée en nanofeuillets de structure plane de graphène ;
- la figure 4 illustre l'évolution des performances en termes de conductivité électrique exprimée en Log[S /m] en fonction du taux de charge massique dans le cas de résine chargée en nanotubes de carbone et dans le cas de résine chargée en nanofeuillets de structure plane de graphène ;
- la figure 5 illustre une vue en perspective illustrant une structure connue de dispositif de dissipation thermique pour un satellite de télécommunication ;
- les figures 6 et 7 illustrent des vues en coupe d'un dispositif de dissipation thermique comprenant un panneau dissipatif avec la structure composite de l'invention et un réseau de caloducs, dans un premier exemple de réalisation ;
- la figure 8 illustre une vue en coupe d'un dispositif de dissipation thermique comprenant un panneau dissipatif avec la structure composite de l'invention et un réseau de caloducs, dans un second exemple de réalisation ;
- la figure 9 illustre un exemple de panneau solaire comprenant comme substrat une structure composite de l'invention.
De manière générale, la structure composite de la présente invention comporte une résine chargée en nanofeuillets de structure plane de graphène et des fibres de carbone.
De manière reconnue, un nanofeuillet plan de graphène est défini comme étant un unique feuillet de carbone pur, cristallisé en une structure de nid d'abeille, d'une épaisseur de la taille d'un atome de carbone, tel que le feuillet illustré en figure 1 . Sa structure fait du graphène un matériau exceptionnel, combinant d'excellentes propriétés mécaniques, thermiques et électriques. Il est toutefois difficile d'obtenir expérimentalement un unique 5 feuillet de graphène pur à 100%, présentant généralement des fonctions oxygénées à ces extrémités et/ou une certaine réagrégation des feuillets conduisant à une forme plus proche du graphite.
La structure composite de la présente invention peut ainsi comprendre typiquement un empilement de quelques nanofeuillets de 0 graphène de structure plane pouvant typiquement avoir une épaisseur comprise entre 1 nm et 10 nm et une longueur de plus d'une dizaine de nanomètres pouvant atteindre typiquement une longueur d'environ de quelques dizaines de microns, pouvant par exemple être de l'ordre de 25 μηι de longueur, avec une largeur du même ordre de grandeur, et conduisant par 5 exemple à une surface spécifique de 750 m2 /g.
Le Demandeur a mis en évidence les résultats comparatifs obtenus avec :
- une résine chargée en nanofibres de carbone (référencée Nanofibres Carbone) ;
0 - une résine chargée avec des nanofeuillets de structure plane de graphène, utilisée dans la présente invention (référencée Graphène).
Le Tableau 1 ci-après récapitule les conductivités thermiques obtenues à 10 % de charge massique et en fonction de leurs paramètres 5 respectifs.
Figure imgf000009_0001
Le Demandeur a pu ainsi montrer les très bons résultats obtenus en termes de conductivité thermique avec une résine chargée en nanofeuillets de structure plane de graphène. L'accroissement de la surface spécifique, du facteur de forme et de la taille des charges concourt à augmenter les performances.
Les charges de nanofeuillets de structure plane de graphène possèdent la meilleure combinaison de paramètres, avec une grande surface spécifique et un grand facteur de forme, ainsi qu'une taille de charge que l'on peut considérer comme relativement grande. La conductivité thermique obtenue de 2,42 W/m.K en témoigne, résultant d'une certaine synergie de ces paramètres.
Le taux de charge en graphène dans la structure composite joue également un rôle dans les performances obtenues. Le Demandeur a ainsi étudié des résines présentant respectivement des taux de charge massique de 5% et de 10%.
L'augmentation de la conductivité thermique est nettement plus marquée pour une résine chargée en graphène à 10% que pour celle chargée à 5%. Les nanofeuillets sont interconnectés à 10% avec des distances inter-particulaires relativement faibles, tandis qu'à 5%, les nanofeuillets sont bien dispersés et relativement isolés les uns des autres (avec une plus grande distance moyenne inter-particulaire). Cette distance moyenne inter-particulaire dépend naturellement du taux de charge, comme mentionné précédemment, mais également du facteur de forme de la charge. On peut notamment illustrer ce postulat par la figure 2, qui fournit une représentation théorique des mécanismes de diffusion de chaleur au sein d'une résine R comprenant des Charges, dans les échantillons composites en fonction du facteur de forme des charges, comparant théoriquement la diffusion de chaleur dans deux composites avec des charges à facteurs de forme très différents.
On constate que l'effet bénéfique des charges à grand facteur de forme sur la conductivité thermique peut principalement s'expliquer par leur distribution et l'aspect structural du matériau. Géométriquement parlant, des charges avec un facteur de forme plus grand permettent de remplir beaucoup plus d'espace dans la résine, i.e. diminuer les distances moyennes inter-particulaires, que dans le cas de charges avec un facteur de forme plus faible. Ainsi, en diminuant ces distances moyennes inter-particulaires, on obtient alors un certain réseau de nanofeuillets interconnectés, qui permettent ainsi une diffusion de chaleur beaucoup plus rapide, de charge en charge.
Le Tableau 2 ci-après illustre les performances en termes de conductivité thermique et la conductivité électrique, dans le cas de résine non chargée, dans le cas de résine chargée avec un taux de charge de 5% de nanofeuillets de structure plane de graphène et avec un taux de charge de 10% de nanofeuillets de structure plane de graphène.
Figure imgf000011_0001
Tableau 2
Les courbes associées représentées en figures 3 et 4 illustrent de plus l'évolution des performances pouvant être attendues respectivement en termes de conductivité thermique exprimée en W/m.K et en termes de conductivité électrique exprimée en Log[S /m] en fonction du taux de charge massique dans le cas de résine chargée en nanotubes de carbone et dans le cas de résines chargées en nanofeuillets de structure plane de graphène. Il ressort très clairement de l'ensemble des deux courbes C3a et C4a (résine chargée en nanotubes) et des courbes C3b et C4b (résine chargée en nanofeuillets de graphène) que les performances sont meilleures avec la résine chargée utilisée dans la présente invention avec des nanofeuillets de structure plane de graphène. L'évolution des courbes de conductivité électrique met en évidence l'atteinte d'une asymptote à partir d'un taux de charge massique d'environ 8 à 10%.
Exemple de structure pour application de dissipateur thermique destiné notamment à pouvoir être embarqué dans un satellite
Pour réaliser une peau à forte propriété de dissipation thermique, des nanofeuillets de structure plane de graphène sont mélangés à de la résine destinée à la structure composite.
La résine chargée est filmée pour pouvoir produire un préimprégné à base de renfort carbone (tissu carbone constitué de fibres longues de carbone haut module, typiquement module fibre supérieur à 400 GPa).
Ce pré-imprégné est alors drapé (empilement de couches quasi- isotropes) puis polymérisé sous formes de peaux. La polymérisation peut être opérée sous pression et température, l'opération peut typiquement être menée sous presse ou dans un autoclave. On peut ainsi réaliser des structures composites selon l'invention pouvant présenter des épaisseurs variables, selon l'empilement de couches de pré-imprégné avant l'opération de polymérisation et de durcissement de ladite structure composite pouvant notamment être destinées à des applications de dissipateur thermique.
La figure 5 présente à cet effet, une vue en perspective illustrant une structure connue de dispositif de dissipation thermique pour un satellite de télécommunication.
D'une manière typique, un satellite de communication comprend notamment un module de communication 10. Le module de communication 10 comprend une pluralité d'équipements électroniques 13 fortement dissipatifs. Les équipements électroniques 13 sont installés sur des réseaux de caloducs non représentés sur la présente figure, mais décrits en détails ci-après en référence aux figures 2a, 2b et 3. Les équipements électroniques 13 sont disposés à l'intérieur du satellite de communication. Les caloducs sont disposés sur la surface interne de panneaux dissipatifs 1 1 , 12, ou bien à l'intérieur des panneaux dissipatifs 1 1 ,12. Les réseaux de caloducs permettent le transport et la répartition de la puissance thermique sur la surface totale des panneaux dissipatifs 1 1 , 12. La surface extérieure des panneaux dissipatifs 1 1 , 12 rayonnent alors cette puissance vers l'espace environnant. Pour un meilleur rayonnement de la puissance thermique, les surfaces extérieures des panneaux dissipatifs 1 1 , 12 sont par exemple couvertes de réflecteurs solaires optiques, communément désignés par le sigle OSR correspondant à la terminologie anglaise "Optical Solar Reflectors". La structure des panneaux Nord- - Sud est décrite en détails ci- après en référence aux figures 6, 7 et 8. Les figures 6 et 7 présentent des vues en coupe illustrant la structure d'un dispositif de dissipation thermique comprenant un panneau dissipatif et un réseau de caloducs, dans un premier exemple de réalisation.
Dans le premier exemple de réalisation, un réseau de caloducs comprenant au moins un caloduc 21 peut être disposé à l'intérieur d'un panneau dissipatif 1 1 . Les surfaces intérieure et extérieure du panneau Nord - Sud 1 1 peuvent être formées par deux structures de surface ou "peaux", respectivement une peau intérieure 21 1 et une peau extérieure 212, définissant des plans sensiblement parallèles l'un de l'autre. Les peaux 21 1 , 212 peuvent être solidarisées via des éléments structurels 22. Les éléments structurels 22 peuvent par exemple, d'une manière typique, former une structure dite en "nid d'abeille". Les équipements électroniques 13 sont disposés sur le réseau de caloducs 21 .
Dans l'exemple illustré par la figure 6, un caloduc de forme essentiellement tubulaire est représenté dans une coupe transversale.
Dans l'exemple illustré par la figure 7, plusieurs sections d'un même caloduc ou bien de plusieurs caloducs, sont représentées dans une vue en coupe transversale. Un fluide caloporteur circule dans les caloducs 21 . D'une manière typique dans des applications de type satellites de télécommunication, le fluide caloporteur utilisé est l'ammoniac.
Dans des structures typiques connues de l'état de la technique, les caloducs 21 , ainsi que les peaux 21 1 , 212 et les éléments structurels formant les panneaux dissipatifs 1 1 peuvent être constitués d'aluminium.
La figure 8 est une représentation schématique de la composition d'un panneau dissipatif selon une variante de réalisation.
La figure 8 présente une structure de panneau dissipatif 1 1 en elle-même connue de l'état de la technique, au sein de laquelle sont intégrés les réseaux de caloducs 21 , apparaissant dans une coupe transversale dans la figure. Dans une telle structure, les équipements électroniques 13 peuvent être disposés directement sur une peau 21 1 , 212, sensiblement au-dessus des réseaux de caloducs 21 , les réseaux de caloducs 21 étant disposés entre les deux peaux 21 1 , 212 du panneau dissipatif 1 1 . D'une manière similaire aux structures décrites ci-dessus en référence aux figures 6 et 7, des éléments structurels 22 formant par exemple une structure en nid d'abeille, peuvent solidariser l'ensemble. Selon la présente invention, il devient de plus possible de faire du courant structure puisque la charge en nanofeuillets de graphène permet également d'avoir une bonne conductivité électrique en complément de la bonne conductivité thermique, sans avoir recours par exemple à l'emploi de pistes de métallisation en surface des panneaux de manière à récupérer le courant, la structure de la présente invention étant suffisamment bonne conductrice électrique pour obtenir directement ce retour courant structure.
Exemple de structure pour application panneau solaire destiné notamment à pouvoir être embarqué dans un satellite
La structure composite de l'invention peut également avantageusement servir à des substrats de panneaux solaires. Il est en effet possible de réaliser des films très minces, présentant une grande flexibilité en raison de leur faible épaisseur (typiquement pouvant être de l'ordre de quelques dixièmes de mm) et pouvant ainsi dans une variante être enroulés pour pouvoir être déployés. La figure 9 illustre à cet effet, un exemple de panneau solaire 31 comprenant l'empilement suivant :
- un substrat 31 1 correspondant à la structure composite de l'invention ;
- un ensemble de couches isolantes 312 entre lesquelles, est réalisé un réseau électrique 313 ;
- à la surface d'empilement 312/313 correspondant à une couverture électrique, un ensemble de cellules photovoltaïques 314 :
- une couverture anti-radiation en verre 315 ;
- des connexions électriques 31 6
Il est à noter, que selon une autre variante de l'invention, le panneau solaire peut également être un panneau solaire rigide.
Exemple de structure pour boîtier électronique destiné notamment à pouvoir être embarqué dans un satellite
La structure composite de l'invention peut également être conçue pour présenter une épaisseur suffisante, typiquement de quelques millimètres et être mise en forme pour servir de boîtier électronique pour des composants électroniques par exemple, permettant de constituer une alternative aux alliages métalliques utilisés dans le packaging d'équipement électronique embarqué notamment dans des satellites.
De telles pièces peuvent être réalisées par moulage ou injection avec des moules adéquats à partir des pré-imprégnés décrits précédemment, pour être mis en forme, la résine étant polymérisée pour durcir en phase terminale.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Structure composite comprenant une résine organique et des fibres de carbone, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des nanofeuillets de structure plane de graphène noyés dans ladite résine.
2. Structure composite selon la revendication 1 , caractérisée ce qu'elle comprend des empilements de quelques nanofeuillets de graphène de structure plane noyés dans ladite résine.
3. Structure composite selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le taux de charge massique en nanofeuillets dans la résine est compris entre 5 % et 20%.
4. Structure composite selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la surface spécifique des nanofeuillets de graphène est supérieure ou égale à 500 m2/g.
5. Structure composite selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une succession alternée de couches comprenant une première pluralité de fibres de carbone (41 ) disposées suivant un alignement déterminé, et de couches comprenant une deuxième pluralité de fibres de carbone (42) disposées suivant un alignement sensiblement perpendiculaire à l'alignement de ladite première pluralité de fibres de carbone (41 ).
6. Structure composite selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la structure composite est formée par un tissu réalisé par un enchevêtrement d'une première pluralité de fibres de carbone (41 ) disposées suivant un alignement déterminé, et d'une deuxième pluralité de fibres de carbone (42) disposées suivant un alignement sensiblement perpendiculaire à l'alignement de ladite première pluralité de fibres de carbone (41 ).
7. Dispositif de dissipation thermique, notamment pour application spatiale, comprenant au moins un panneau dissipatif (1 1 , 12), le panneau dissipatif (1 1 , 12) comprenant au moins une peau (21 1 , 212) réalisée dans la structure composite selon l'une des revendications 1 à 6.
8. Dispositif de dissipation thermique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la peau (21 1 , 212) est assemblée à un réseau de caloducs (21 ).
9. Dispositif de dissipation thermique selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le panneau dissipatif (1 1 , 12) comprend une peau intérieure (21 1 ) et une peau extérieure (212) de forme planaire disposées parallèlement l'une de l'autre et solidarisées via des éléments de structure (22).
10. Dispositif de dissipation thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les éléments de structure (22) sont formés par une configuration en nid d'abeille de tubes d'aluminium.
1 1 . Dispositif de dissipation thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les éléments de structure (22) sont formés par une mousse conductrice.
12. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 1 1 , caractérisé en ce que le réseau de caloducs (21 ) est disposé extérieurement au panneau dissipatif (1 1 , 12), en surface de la peau intérieure (21 1 ).
13. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 1 1 , caractérisé en ce que le réseau de caloducs (21 ) est disposé intérieurement au panneau dissipatif (1 1 , 12), entre les peaux intérieure (21 1 ) et extérieure (212).
14. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que le réseau de caloducs (21 ) comprend un ou une pluralité de caloducs de forme sensiblement tubulaire, réalisés en aluminium.
15. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que le réseau de caloducs (21 ) comprend un ou une pluralité de caloducs de forme sensiblement tubulaire, réalisés dans un alliage d'aluminium incorporant des éléments de faible coefficient de dilatation thermique.
16. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que l'assemblage des caloducs (21 ) aux peaux (21 1 , 212) est réalisé au moyen de résine organique enrichie de nanofeuillets de graphène de structure plane.
17. Boîtier d'équipement électronique, notamment pour application spatiale, comprenant des composants électroniques positionnés dans un contenant caractérisé en ce que ledit contenant comprend la structure composite selon l'une des revendications 1 à 6.
18. Boîtier d'équipement électronique selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite structure composite est supérieure ou égale à quelques millimètres.
19. Substrat de générateur solaire caractérisé en ce qu'il comprend une structure composite selon l'une des revendications 1 à 6.
20. Substrat de générateur solaire selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite structure composite est de l'ordre du dixième de millimètre, ladite structure étant flexible.
21 . Panneau solaire comprenant un substrat de générateur solaire selon l'une des revendications 19 ou 20 et un ensemble de cellules photovoltaïques.
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