TITRE : Procédé de fabrication d’une âme composite pour un conducteur électrique

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

[0001] Le domaine technique de l’invention est celui des conducteurs électriques, plus particulièrement ceux ayant une âme en matériaux composite.

[0002] La présente invention concerne un procédé de fabrication de ladite âme composite ainsi que le câble obtenu avec ladite âme.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

[0003] La demande de câbles pour le transport et la distribution électrique augmente avec la demande de plus en plus forte d’électricité. Le besoin de puissance augmentant, de nouveaux câbles électriques doivent être posés. D’autre part, pour augmenter la capacité, les câbles électriques existants doivent être remplacés par des câbles de plus grande capacité.

[0004] Habituellement, ces câbles comprennent une âme centrale en acier toronné sur laquelle est enveloppée un ou plusieurs conducteurs en aluminium toronné. Ce type de câbles ont été utilisés pendant des décennies sans beaucoup de changements. Parmi d’autres inconvénients, ce type de câbles est susceptible de s’affaisser de façon excessive sous certains climats et sous certaines conditions de fonctionnement.

[0005] Des solutions ont été proposées pour répondre à ces défauts, comme par exemple le brevet EP 1 506 085, intégré par référence, qui propose de réaliser une âme composite comprenant des fibres de carbone continues en longueur formant une couche interne et une couche isolante non conductrice comprenant des fibres de verre et entourant la couche interne. Cependant les performances mécaniques de l’âme en matériaux composite décrites dans ledit brevet restent faible avec des contraintes à rupture en traction inférieure à 1700MPa.

[0006] Il a également été proposé d’introduire un cœur en fibres de verre dans la couche interne en carbone dans le brevet EP 2 118 909 et un procédé de fabrication a été décrit. Cependant l’âme obtenue ne permet pas d’arriver à un rendement supérieur à 90% de la fibre de carbone. On entend par rendement du composite, le ratio entre la performance théorique du composite en traction, calculée par rapport aux valeurs données par les fournisseurs des lots de fibres utilisées pour la fabrication pondérée par le taux volumique de fibre dans le composite et la valeur réelle obtenue en test laboratoire sur le composite fabriqué.

[0007] De plus, les différentes normes, comme la norme ASTM (American Society for Testing Material) ou la norme européenne définissent la taille des câbles électriques en fonction de la charge du courant. Ces câbles de différentes tailles peuvent transporter entre 100A (ampère) et plus de 3200A, soit une plage de fonctionnement comprise entre 40°C et 230°C et préférentiellement entre 75°C et 180°C. L’âme en matériaux composite doit également pouvoir résister une contrainte de plus de 2100MPa.

RÉSUMÉ DE L’INVENTION

[0008] Le procédé selon l’invention permet d’obtenir une âme présentant à la fois un rendement des fibres de carbone supérieures à 90%, de meilleures performances en vieillissement, moins de fissuration et une plus grande rigidité en torsion

[0009] Le procédé de fabrication d’une âme composite pour un conducteur électrique selon l’invention, ladite âme comprenant de la résine, des fibres de carbone et des fibres de verre, les fibres de carbone étant disposées entre une couche externe et un cœur en fibres de verre, est caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes mise sous une tension Te des fibres de carbone et mise sous une tension Tv des fibres de verre, telle que Tv/Tc est compris entre 1/2 et 1/10, imprégnation des fibres de carbone et des fibres de verre de résine, cuisson des fibres imprégnées.

[0010] Les fibres de verre ayant une résistance à la traction inférieure à celle des fibres de carbone, la différence de tension entre les fibres de carbone et les fibres de verre permet d’optimiser la tension des fibres de chaque matériau et ainsi d’obtenir un câble avec des caractéristiques optimales. On pourra, par exemple, avoir une tension moyenne des fibres de verre avant imprégnation de 100 à 300 centinewtons (cN) et préférentiellement de 150 à 250 cN avec une tension des fibres de carbone avant imprégnation de 200 à 600 centinewtons (cN) et préférentiellement de 300 à 500 cN. [0011] Selon un premier mode de réalisation, le procédé comprend une étape de mise en place des fibres de carbone autour du cœur en fibre de verre et des fibres de verre autour des fibres de carbone avant la cuisson de toutes les fibres. Le fait de cuire toutes les fibres et la résine en même temps permet d’améliorer le rendement qui est alors proche du rendement théorique de 90% à 100% au lieu de 70% à 90% pour un procédé classique.

[0012] Selon un second mode de réalisation, le procédé comprend : une première étape de mise en place des fibres de carbone autour du cœur en fibre de verre constituant un ensemble et, une deuxième étape de mise en place des fibres de verre de la couche externe autour de l’ensemble précédent et cuisson des fibres de verre avec l’ensemble.

[0013] Il est ainsi possible de bien maîtriser la position des fibres de verre par rapport aux fibres de carbone.

[0014] Avantageusement, l’imprégnation des fibres de verre et des fibres de carbone est faite dans deux bacs différents. Cela permet de maîtriser indépendamment les niveaux de tension supplémentaires introduits dans les fibres lors de l’imprégnation par la résine. Habituellement une partie de la résine qui imprègne les fibres retourne dans le bac après que les fibres aient été essorées pour retirer l’excès de résine. Cet excès de résine a chimiquement réagi avec l’eau contenue dans l’humidité environnante ce qui modifie ses propriétés, l'eau hydrolyse les anhydrides présents dans les matrices thermodurcissables de pultrusion en acides carboxyliques qui entraine une baisse de la température de transition vitreuse Tg et un assouplissement de la matrice la rendant plus ductile après la cuisson du composite. Ici, cet excès de résine retourne dans le bac d’imprégnation des fibres de verre, le bac d’imprégnation des fibres de carbone reste lui confiné en limitant la surface d’échange gazeux avec l’air environnant.

[0015] Avantageusement, les fibres sont mises sous tension avant et pendant l’imprégnation. La tension des fibres de carbone qui est beaucoup plus importante que celle des fibres de verre est obtenue en disposant les bobines de fil sur des dérouleurs où la rotation de la bobine est retenue par un système de ressort générant un couple sur l’axe de rotation de la bobine, afin de donner une tension donnée à la fibre. La tension supplémentaire induite par le guidage des fibres de carbone jusqu’à l’entrée du bac d’imprégnation est assurée de manière homogène entre les fibres pour parvenir à l’objectif de tension de 200 à 600 centinewtons (cN) et préférentiellement de 300 à 500 cN. Les fibres de verre sont déroulées sans contrainte sur les bobines, la tension induite par le guidage des fibres de verre jusqu’à l’entrée du bac d’imprégnation est assurée de manière homogène entre les fibres pour parvenir à l’objectif de tension de 100 à 300 centinewtons (cN) et préférentiellement de 150 à 250 cN.

[0016] Avantageusement, les fibres sont également mises sous tension après l’imprégnation. Les fibres sont essorées après l’imprégnation, cet essorage se fait en passant les fibres dans des outillages d’essorage qui permettent d’augmenter la tension des fibres en sortie.

[0017] Avantageusement, la cuisson est réalisée en trois phases successives à des températures croissantes, ce qui permet de bien cuire l’âme en matériaux composite. Cette cuisson peut être faite dans une filière de pultrusion.

[0018] Avantageusement, le cœur comprend au moins une fibre de verre. Ce cœur peut comprendre une ou plusieurs fibres de verre, chaque fibre de verre comprenant n filaments, tel que n > 20.

[0019] Avantageusement, les fibres sont continues. Les fibres continues permettent une meilleure homogénéité des matériaux composite obtenu en pultrusion.

[0020] L’objet de l’invention concerne également une âme composite pour un conducteur électrique caractérisé en ce qu’il est obtenu par le procédé avec au moins une des caractéristiques précédentes.

[0021] Un autre objet de l’invention est un câble électrique comprenant une pluralité de brins conducteurs en aluminium de forme trapézoïdale qui sont enroulés hélicoïdalement autour d’une âme composite obtenue par le procédé avec au moins une des caractéristiques précédentes.

[0022] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen de la figure qui l’accompagne.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0023] La figure est présentée à titre indicatif et nullement limitative de l’invention. [0024] [Fig. 1] est une vue schématique de la chaine de fabrication de l’âme selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

[0025] Dans la suite de la description on appellera « amont » les éléments disposés en début de chaine dans le sens de progression des fibres et « aval » les éléments placés en fin de chaine.

[0026] La chaine de fabrication 1 comprend un premier support 2 pour les fibres de carbone 21 et un deuxième support 3 pour les fibres de verre 31 . Le premier support 2 est équipé de bobines de fibres de carbone 20 disposées chacune sur un dérouleur comprenant un ressort, ou un moyen de rappel réglable, retenant l’axe de rotation du dérouleur et permettant d’appliquer une tension sur les fibres de carbones 21 . Le deuxième support 3 comprend des bobines de fibres de verre 31 disposées à plat et se déroulant naturellement. On comprend ici que la tension appliquée aux fibres de carbone 21 est plus importante que celle des fibres de verre 31 et qu’elle peut être réglée.

[0027] La chaine de fabrication 1 comprend également deux bacs d’imprégnation 4 et 5. Le premier bac 4 comprend de la résine et est destiné à recevoir les fibres de carbone 21 . Le deuxième bac 5 comprend la résine et est destiné à recevoir les fibres de verre 31 .

[0028] Un premier outillage d’essorage 9 est placé en aval des bacs d’imprégnation 4 et 5, l’excès de résine retournant vers le deuxième bac 5. Cet outillage 9 va positionner les fibres de verre 32 de l’âme entre les fibres de carbone 21 . On peut prévoir plusieurs outillages d’essorage.

[0029] Un deuxième outillage d’essorage 90 disposé après l’outillage d’essorage 9 permet l’essorage des fibres 31 , 32 et 21 avant leur cuisson, l’excès de résine retournant vers le deuxième bac 5. Il est possible d’avoir plusieurs outillages d’essorage.

[0030] Une filière 6 se trouve en aval de l’outillage d’essorage 9, elle est sous la forme d’un tunnel et il comporte au moins deux parties successives: une première partie 60 permettant d’engager la polymérisation de la matrice dans les fibres 21 , 31 à une première température, une deuxième partie 61 permettant de cuire les le composite sortant de la première partie à une deuxième température préférentiellement supérieure à la première et, optionnellement une troisième partie 62 permettant de finaliser la cuisson du composite sortant de la deuxième partie à une troisième température adaptée pour garantir un taux de cuisson du composite > 70% et préférentiellement entre 80 et 100%

[0031] Il y a ensuite une tireuse 7, par exemple à chenilles ou à plateaux, qui fait avancer le produit fini d’amont vers l’aval. Une roue 8 vient enfin recevoir le produit fini après refroidissement.

[0032] Nous allons maintenant décrire plus en détail le procédé de fabrication.

[0033] Les fibres de carbone 21 et les fibres de verre 31 sont déroulées de leur support respectif 2 et 3 à des tensions différentes. Les fibres de carbone 21 sont tendues deux à dix fois plus que les fibres de verre 31 en amont de l’imprégnation. L’ensemble des fibres 21 et 31 avance en continu pendant toute la fabrication.

[0034] Les fibres de carbone 21 sont trempées dans le premier bac 4 contenant la résine tandis que les fibres de verre 31 passent dans le deuxième bac 5.

[0035] Quelques fibres de verre 32 sont dirigées vers les fibres de carbone 21 et se rejoignent dans le premier outillage d’essorage 9. Les fibres de carbone 21 entourent les fibres de verre 32 avant de passer dans le premier outillage d’essorage 9.

[0036] Le reste des fibres de verre 31 est ensuite placé autour des fibres de carbone 31 pour constituer la couche externe de l’âme composite.

[0037] L’ensemble des fibres 21 et 31 sont ensuite essorées avant d’être cuites dans le deuxième outillage d’essorage 90 disposé en amont la filière 6. L’excès de résine est évacué vers le deuxième bac 5. Au début de la fabrication, la résine est identique dans les deux bacs 4 et 5, mais au fur et à mesure de la fabrication la résine du deuxième bac 5 va se modifier avec l’arrivée de l’excès de résine qui s’est humidifiée à l’air.

[0038] L’ensemble est ensuite introduit dans le la filière 6 d’un côté du tunnel pour être cuit. Les fibres vont alors être cuites, au fur et à mesure de l’avancement des fibres dans les différentes parties 60, 61 et optionnellement la partie 62 de la filière 6 jusqu’à la cuisson complète de l’âme.

[0039] À la sortie de la filière 6, l’âme se refroidit à l’air jusqu’à être enroulée sur la roue 8, la distance entre la sortie de la filière et la roue doit être suffisante pour permettre une baisse suffisante de température de l’âme composite inférieure à la température de transition vitreuse du composite et préférentiellement 30% inférieur à la température de transition vitreuse . Cette distance étant relativement importante, la tireuse des fibres 7 peut être implantée entre la filière 6 et la roue 8.