Brevet FR2487730A1 — publié le 19820205

Procédé et moyens d'élaboration et de traitement des surfaces concaves réfléchissantes, captantes et/ou focalisantes sélectives. La présente invention concerne un procédé d'élaboration et de traitement des surfaces concaves, métalliques ou plastiques et les moyens de mise en oeuvre permettant l'obtention en grande série de surfaces de grandes dimensions réfléchissant, captant et/ou focalisant les ondes électromagnétiques d'une manière sélective. Dans la plupart des applications potentielles de la captation et de la conversion de l'énergie électromagnétique, ce sont les performances ou le rapport performance-prix du système qui détermine son utilité. Une importance toute particulière doit donc être accordée à la conception du capteur et/ou réflecteur, au choix des matériaux utilisés, au procédé d'élaboration et aux performances qui en découlent. Les diverses méthodes d'obtention des surfaces réfléchissantes et/ou absorbantes de rayonnement électromagnétique ont fait l'objet de nombreuses études théoriques et expérimentales et elles ont démontré que l'absorption et/ou la réflexion d'une surface est conditionnée par sa nature, forme, rugosité et le contenu spectral du rayonnement incident. Le but del'invention est de réaliser à la fois une surface de grande dimension et de lui conférer des propriétés optimales de réflexion et/ou d'absorption sélective. Il n'existe évidemment pas de surface sélective idéale mais on peut concevoir et réaliser des surfaces réelles dont le coefficient de réflexion et/ou d'absorption varie avec la longueur d'onde d'une manière plus ou moins proche de celle souhaitée. Cette sélectivité peut être obtenue en faisant intervenir différents phénomènes physiques. Une manière permettant d'obtenir l'effet recherché con siste à bénéficier de la morphologie sur les caractéris tiques électromagnétiques d'une surface. En effet, on peut accroître le coefficient d'absorption d'une surface peu émissive par des réflexions multiples sur des irrégularités de la surface,de géométrie et de dimensions convenables,sans pour autant accroître notablement le coefficient d'émissivité. C'est le cas de certains composites. On peut également réaliser une surface sélective grâce à des phénomènes de diffraction, si la surface comporte des inhomogénéités dont les dimensions sont faibles par rapport à la longueur d'onde. Les films granulaires des conducteurs constituent un bon exemple. Une autre solution consiste à utiliser un matériau intrinséquement sélectif. Certains composés métalliques possèdent des courbes de réflexion voisines de celles souhaitées. C'est notamment le cas, dans la gamme du spectre visible, des carbures ou nitrures de certains métaux de transition. Une autre méthode permettant d'améliorer la sélectivité d'une surface consiste à réaliser un filtre interférentiel par empilement de plusieurs couches alternées de matériaux ayant des propriétés électromagnétiques différentes et des épaisseurs bien définies. Enfin une autre manière de résoudre le problème posé consiste à réaliser le dépôt successif de deux matériaux dont chacun a une fonction électromagnétique bien précise. L'absorption d'une partie de spectre est obtenue par l'un deux et la réflexion par le second. De tels matériaux existent, ce sont les semi-conducteurs, les oxydes d'étain ou indium pour le spectre visible. Une surface peut faire intervenir simultanément plusieurs des phénomènes décrits et en fonction de l'application on détermine celui qui est prépondérant. En fonction du phénomène responsable de l'effet sélectif on distingue deux grandes catégories : d'une part celle qui résulte de la morphologie de surface et d'autre part celle qui découle du traitement. Le procédé, selon l'invention, permet de réaliser à la fois la surface d'une forme concave et convexe d'une grande dimension et d'une morphologie de surface particulière ainsi qu'un traitement permettant une réflexion et/ou une absorp tion sélective. Il consiste à pratiquer successivement les opérations suivantes - L'ébauche de la surface par emboutissage, poinçonnage, découpage - La mise en forme par pression hydrostatique - La finition par ébavurage et polissage vibratoire et oscillatoire - Le nettoyage de la surface par décapage ionique - Le traitement par dépôt sous vide de couches minces sélectives. Pour la mise en oeuvre de ce procédé on a imaginé une installation combinant des moyens de formage, de surfaçage, de nettoyage et de traitement par dépôts. Ce sont ces moyens qui sont ci-après décrits en se référant aux dessins annexés sur lesquels - La figure 1 représente schématiquement l'opération d'ébauche de la forme des surfaces ; - La figure 2 montre schématiquement la phase de mise en forme par pression hydrostatique - La figure 3 représente schématiquement la phase de finition des surfaces ; - La figure 4 montre l'installation de traitement des surfaces. Suivant la figure 1 on voit que l'installation comporte un système particulier poinçon 1 matrice 2 qui provoque des déformations plastiques, réduisant les épaisseurs dans des zones bien localisées. La localisation de ces zones conditionne, dans la deuxième phase opératoire, le profil final du capteur et/ou réflecteur 3. On remarque que l'installation suivant l'invention comporte un système supplémentaire de découpe rotative 4 situé sur la périphérie. Il est animé d'un mouvement rotatif autour d'un axe situé au centre du capteur et/ou réflecteur grâce à un système de guidage 5, d'une telle manière que la découpe obtenue peut être de toute forme (circulaire, elliptique etc...) Le poinçon 1 et la matrice 2 sont conçus et réalisés de façon à permettre à la fois l'emboutissage de la surface 3 et le poinçonnage des trous de fixation 6.La morphologie d'écoulement lors de la déformation est de telle sorte qu'on réalise, surla périphérie, un bourrelet-joint 7 et une cavité 8 situés au centre de la surface, tous les deux utiles dans les phases ultérieures. Le dispositif simple permettant de traiter seulement deux surfaces 3 à la fois est schématisé, à titre d'illustration, sur la figure 2 qui représente ainsi la phase de mise en forme par l'action de la pression hydrostatique. Ce dispositif est constitué d'un support 9 de forme polyédrique recevant sur ses facettes les surfaces 3 à déformer. Une fois la surface 3 montée sur le support 9ssà l'aide du dispositif de pompage 10 l'enceinte est remplie de fluide 11. Ce fluide, de par sa nature,a pour but non seulement de transmettre l'action de la pression, mais aussi de favoriser la plastification par absorption. La pression hydrostatique est générée par explosion d'une charge 12 située à l'intérieur de l'enceinte ou par tout autre moyen 13. Sous l'action de la pression hydrostatique, les surfaces se déformant donnent la forme définitive au capteur et/ou réflecteur. Par la suite l'enceinte est vidée et les surfaces démontées.Compte-tenu de la fragilité d'une surface en couche mince d'une part, des conditions opératoires ultérieures d'autre part, la surface reçoit une armature 15 La figure 3 représente schématiquement la troisième phase du procédé suivant l'invention convenant à la fois au montage de l'armature suivi d'ébavurage et de traitement de finition. Suivant la figure 3 on voit que l'installation comporte un générateur d'oscillation 16 qui permet d'animer le plateau-support 17 d'un mouvement oscillatoire réglable en fréquence et en amplitude grâce au dispositif d'asservissement 18. Le plateau-support 17 reçoit les surfaces à traiter 3 par l'intermédiaire de l'armature de fixation 15. Ce plateau est équipé en plus d'un système d'orientation 19 dans l'espace,constitué par exemple de trois vérins et com-mandé de l'extérieur grâce au dispositif d'asservissement 20. De plus, l'installation comporte des dispositifs d'alimentation 21 et d'évacuation 22 des fluides d'ébavurage et de finition. Ces deux opérations nécessitent souvent deux types d'outils abrasifs conduisant à l'utilisation de deux voies d'alimentation 23 et d'évacuation 24. L'écoulement de la charge abrasive est orienté grâce à un dispositif central 25. On complète cette installation par un système de chauffage 26 et de refroidissement 27, par un générateur de courant 37 permettant de procéder au polissage électrochimique sur les surfaces métalliques. Dans ce cas, la surface à polir 3 et le dispositif 25 constituent les électrodes. Le cycle d'opération est géré par un programmateur 29. De façon à éviter l'usinage ou le polissage, certaines zones de la surface 3 peuvent être recouvertes par des couches minces de films visco-élastiques qui les dispensent de ce mode d'usinage. Cette partie de l'installation suivant l'invention est conçue et réalisée de façon à permettre d'une part l'ébavurage des défauts résiduels des opérations d'emboutissage et de la mise en forme par la pression hydrostatique et d'autre part, la génération d'une morphologie souhaitée de surface. Les deux effets sont obtenus grâce à un procédé abrasif de finition par vibration et/ou procédé de polissage électrochimique. Les surfaces générées par ce procédé sont isotropes. Les courbes des densités de probabilité des profondeurs des rugosités peuvent être gaussiennes. L'avantage de ce procédé réside dans le fait que "l'obliquité" et la "finesse" de densités qui caractérisent ces surfaces sont facilement modifiables en leur conférant un caractère sélectif au niveau de l'absorption et de la réflexion du rayonnement électromagnétique. Les morphologies particulières des surfaces sont obtenues par des choix judicieux de : la fréquence et l'amplitude des vibrations, la température et la durée d'opération, la nature du fluide, la nature et la granulométrie des grains abrasifs, la nature du liant, le taux de remplissage fluide/ outils abrasifs etc... Les propriétés mécaniques des surfaces obtenues suivant ce mode de traitement leur confèrent des comportements par ticuliers, par exemple : forte résistance à l'usure abrasive et/ou corrosive, contraintes résiduelles de compression etc... La figure 4 schématise la partie d'installation permettant la réalisatior des dernières phases du traitement. Conformément à ce qui est dit au début,ces phases constituent les opérations de nettoyage et de dépôts sous vide. L'installation est conçue et réalisée de façon à permettre d'effectuer ces opérations sur plusieurs surfaces à la fois. A titre d'illustration, on a schématisé sur la figure 4 les éléments essentiels de cette installation. L'enceinte, suivant l'invention 'est donc constituée d'une part, des surfaces à traiter 3 et d'autre part, d'un support 30 qui reçoit les surfaces et qui comporte les dispositifs du traitement 31. L'enceinte de préparation et de réalisation des couches minces est agencée de façon à ce qu'il soit possible de préparer et réaliser entièrement sous vide sur un même support des structures alternées constituées de couches minces, par exemple par pulvérisation cathodique procédé magnétron activé ou non et/ou par évaporation réactive activée. Ces méthodes différentes quant à leurs principes possèdent leurs contraintes propres, mais elles offrent des avantages complémentaires. Suivant la figure 4 on distingue les éléments communs de l'installation tels que : système de pompage 32, les dispositifs d'alimentation en argon 33 en gaz réactif 34 et des éléments propres à chacune des méthodes tels que l'alimentation du canon, du magnétron, de l'anode etc... schématisé par l'ensemble 35. Suivant l'effet recherché, le ou les dépôts sont réalisés par l'une ou l'autre méthode mais, avant, on procède à un décapage ionique à l'argon qui constitue la phase du nettoyage et qui favorise l'adhérence des dépôts ultérieurs. On distingue le dispositif des masques 36 permettant la réalisation des motifs cellulaires. Ce décapage peut également contribuer à la modification de la morphologie de surfaces par un apport supplémentaire d'une structure granulaire responsable de la sélectivité ultérieure. La combinaison de deux méthodes offre l'avantage d'une grande variété des matériaux déposés : conducteurs et/ou isolants, métaux purs, alliages par co-évaporation ou copulvérisation, composés par évaporation réactive active ou par pulvérisation réactive ou R.F. etc... Ces matériaux peuvent être déposés sur des substances de nature conductrice ou isolante. Les oonditions opératoires et la nature du matériau déposé influencent également la morphologie de surface offrant ainsi un moyen d'action complémentaire sur le caractère sélectif de la surface. Le fait de coupler deux techniques du dépôt dans une seule installation leur offre l'avantage de traiter des grandes surfaces avec large variété de matériaux déposables sur des s ubstrats de nature différente. Le cycle d'opération est géré par un programmateur 38 électronique. Tout en conservant la propriété de sélectivité de l'absorp tion et/ou réflexion électromagnétique, les traitements choisis peuvent conférer en plus, aux surfaces, de bonnes propriétés anti-usure, anti-corrosive etc... On peut envisager de nombreuses applications du procédé qui vient d'être décrit : - applications astronomiques c'est-à-dire tout ce qui concerne l'observation radiotélescopîque, - applications télécommunications en particulier pour la réception et la retransmission des rayons électromagnétiques, - applications optiques, c'est-à-dire tout ce qui concerne réflexion du rayonnement visible, - applications hélio-thermique et photo-voltaique, c'est-à-dire tout ce qui concerne les conversions d'énergie solaire. Revendications de brevet. 1- Procédé d'élaboration et de traitement de surfaces concaves de grandes dimensions, métalliques ou plastiques, susceptibles de réfléchir, capter et/ou focaliser d'une manière sélective les ondes électromagnétiques, caractérisé par le fait qu'il consiste à pratiquer successivement les opérations suivantes : - Ebauche de la forme de la surface par emboutissage, poiçonnage et découpage périphériques - Mise en forme de la surface par pression hydrostatique - Finition de la surface par ébavurage et polissage oscillatoires et vibratoires ; - Nettoiement de la surface par décapage ionique - Traitement de la surface par dépôts sous vide de couches minces sélectives. 2- Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle combine des moyens de préformage mécanique, de formage hydrostatique, de surfaçage abrasif, de nettoyage et de traitement sous vide des surfaces concaves. 3- Installation suivant la revendication 2 pour le préformage mécanique de la surface concave comprenant un poinçon d'emboutissage et une matrice, caractérisée par le fait que des poinçons de perçage sont associés au poinçon d'emboutissage et que des molettes de découpage sont associées à la matrice. 4- Installation suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que les molettes sont guidées par un rail et des galets autorisant le découpage périphérique de la surface concave suivant toute forme souhaitée. 5- Installation suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que les poinçons de perçage sont situés autour du poinçon d'emboutissage de la surface concave. 6- Installation suivant la revendication 2 pour le formage par pression hydrostatique de la surface concave, caractérisée par le fait qu'un support polyédrique permet d'associer plusieurs surfaces pour constituer une enceinte étanche destinée à accueillir un explosif, ou un fluide susceptible de réaliser la déformation souhaitée. 7- Installation suivant la revendication 6, caractérisée par le fait que la génération de la pression hydrostatique peut se faire soit par l'intermédiaire d'un explosif, soit grâce à tout autre moyen. 8- Installation suivant la revendication 6, caractérisée par le fait que le fluide est constitué d'agents chimiques favorisant par absorption physique ou/et chimique la déformation plastique. 9- Installation suivant la revendication 6, caractérisée par le fait que des ouvertures pratiquées dans le support annulaire permettent de canaliser un fluide sous pression dans l'enceinte sous l'action d'une pompe aspirante et foulante. 10- Installation suivant la revendication 2 pour l'ébavurage et le polissage de la surface concave fixée sur un plateau animé d'un mouvement oscillatoire et/ou vibratoire réglable en fréquence et en amplitude, caractérisée par le fait qu'elle comporte des voies d'alimentation et d'évacuation d'un aggloméré abrasif dont la répartition et l'écoule- ment s'opèrent au moyen d'un dispositif central qui épouse sensiblement la forme concave de la pièce à surfacer et que la charge abrasive est réchauffée ou refroidie. 11- Installation suivant les revendications 2 et 10, caractérisée par le fait que la charge abrasive peut être chauffée ou/et refroidie, soit directement dans les voies d'alimentation, soit indirectement par l'intermédiaire des surfaces traitées ou/et du dispositif assurant la répartition et l'écoulement de la charge. 12- Installation suivant les revendications 2 et 10, caractérisée par le fait que la surfac-e à traiter peut être recouverte localement par des films protecteurs en vue d'éliminer l'usinage dans ces zones. 13- Installation suivant les revendications 2 et 10, caractérisée par le fait que les voies d'évacuation de la charge abrasive sont situées dans le dispositif assurant la répartition et l'écoulement de cette charge. 14- Installation suivant les revendications 2 et 10, caractérisée par le fait que l'ébavurage et le polissage oscil latoires et vibratoire peuvent être complétés par un polissage électrochimique. 15- Installation suivant les revendications 2 et 10, caractérisée par le fait que l'ensemble des opérations de la phase d'ébavurage et de polissage est asservi par un programmateur électronique central. 16- Installation suivant la revendication 10, caractérisée par le fait que l'élément de pression assurant la répartition et l'écoulement de la charge abrasive est escamotable. 17- Installation suivant la revendication 10, caractérisée par le fait que le plateau support de pièce à surfacer est orientable dans l'espace. 18- Installation suivant les revendications 2 et 10, caractérisée par le fait que pour autoriser le traitement de la surface concave, celle-ci est montée sur une armature comportant des appuis radiaux et une semelle de fixation au plateau vibratoire et/ou oscillatoire. 19- Installation suivant les revendications 2,10 et 18, caractérisée par le fait que des fluides de chauffage et de refroidissement de la charge abrasive aboutissent sous la pièce à surfacer entre les appuis de l'armature de montage. 20- Installation suivant la revendication 2 pour le nettoyage et le traitement sous vide des surfaces concaves, caractérisée par le fait qu'une ou plusieurs surfaces sont accouplées de part et d'autre d'un- support polyédrique pour constituer une enceinte étanche dans laquelle aboutissent des canalisations d'alimentation en argon et en gaz réactif et un système de pompage, de manière à réaliser des structures alternées de couches minces obtenues soit par pulvérisation cathodique active ou non, soit par réaction réactive activée. 21- Installation suivant la revendication 20, caractérisée par le fait que pour autoriser le traitement dans des zones bien localisées un système de masque est situé à l'intérieur de l'enceinte. 22- Installation suivant les revendications 2 et 10, caractérisée par le fait que l'ensemble des opérations durant le traitement sous vide est asservi par un programmateur électronique central. 23- Installation suivant la revendication 20, caractérisée par le fait que l'enceinte de nettoyage et de traitement par dépôts est équipée d'éléments propres à chacune des méthodes de traitement tels que l'alimentation du canon, du magnétron et de l'anode.