Brevet FR2515634A1 — publié le 19830506

Procédé de fabrication d'un diélectrique en verre pour isolateur élec- trique et diélectrique en résultant La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dié- lectrique en verre pour isolateur électrique et un diélectrique obtenu par ce procédé Les diélectriques en verre classiques subissent un trai- tement de trempe thermique tel qu'ils présentent en surface d'impor- tantes contraintes de compression et intérieurement d'importantes contraintes d'extension Il en résulte pour le diélectrique une résis- tance mécanique très améliorée par rapport à celle du verre recuit. Toutefois, on constate que dans certaines circonstances, par exemple en cas de choc, l'existence des contraintes internes permet une fragmen- tation quasiment totale du diélectrique, ce qui n'affecte pas notable- ment ni dangereusement la résistance mécanique résiduelle de l'isola- teur, mais réduit sa ligne de fuite à la distance dans l'air entre les électrodes. La présente invention a pour but d'éviter cet inconvénient et de réaliser un diélectrique d'isolateur susceptible de mieux résister aux chocs. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un diélectrique en verre pour isolateur électrique, caractérisé par le fait que l'on part d'un diélectrique en verre recuit et qu'on lui fait subir au moins partiellement une trempe chimique, jusqu'à ce que les zones trempées présentent des contraintes externes de compression dont les valeurs maximales soient supérieures à 200 Mega Pascal et des contrain- tes internes d'extension dont les valeurs maximales restent inférieures à 10 Mega Pascal Ces valeurs doivent être obtenues notamment aux endroits critiques de l'isolateur susceptibles de travailler mécanique- ment. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, on applique sur lesdites zones, ou sur le diélectrique complet, une solu- tion à base de sels alcalins, à température ambiante, on sèche, puis on chauffe pendant quelques heures à une température comprise entre 3000 C et 5000 C. Ladite solution à base de sels alcalins a une composition pouvant être de type suivant (pourcentages en poids): 15634 -2- H 20: 70 % à 90 % Amidon: 2 % à 10 % KNO 3: 4 % à 12 % K 2 HP 04 + KC 1 + K 2504:4 % à 20 %. De préférence, ladite solution répond à la composition suivante (pourcentages en poids): K 20: 77 % Amidon: 3 % KNO 3 8 % K 2 HP 04 % 12 % Des variantes de réalisation peuvent être envisagées Ainsi, une phase de traitement préalable du verre recuit peut être prévue pour modifier la composition superficielle du verre de façon à accélérer les échanges ioniques pendant la trempe chimique. On peut également mettre en oeuvre pendant la phase de trempe chimique un champ électrique produisant un effet d'électromigration. L'invention a également pour objet un diélectrique en verre pour isolateur électrique obtenu par le procédé précédent; dans les zones traitées, les contraintes externes de compression apparaissent sur une épaisseur qui est de l'ordre de 50 t m à 300 M m Les zones traitées sont les zones les plus sollicitées mécaniquement, par exemple au niveau de la tête de l'isolateur Il peut être plus simple de traiter l'ensemble du diélectrique. Lorsqu'un tel diélectrique subit un choc dans les zones traitées, on peut observer l'apparition de fissures qui se propagent dans l'épais- seur du diélectrique, mais pas de fragmentation complète de ce dernier; il en résulte une tension de contournement plus élevée que celle d'un moignon. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de différents modes de mise en oeuvre du procédé appliqué à une lame de verre sodocalcique dont l'épaisseur est en moyenne de 10 mm. Les figures 1 et 2 montrent la répartition des contraintes (en -3 Mega Pascal) respectivement dans deux échantillons A et B, l'échantil- lon A ayant subi une trempe thermique conformément à l'art antérieur, l'échantillon B ayant subi une trempe chimique selon l'invention. On voit que l'échantillon A qui a subi une trempe thermique pré- sente des contraintes de compression sur une épaisseur de l'ordre de 2 mm; la valeur maximale de ces contraintes est de l'ordre de 200 M Pa. Il présente en outre d'importantes contraintes internes d'extension, la valeur maximale de ces contraintes étant de l'ordre de 40 M Pa. L'échantillon B a subi une trempe chimique dans les conditions suivantes; on a plongé l'échantillon recuit dans une solution à la température ambiante et présentant la composition suivante H 20:77 % Amidon: 3 % KNO 3 8 % K 2 HPO 4:12 % Cette solution mouille très bien le verre et le diélectrique est complètement recouvert d'un film liquide dont on peut contrôler la vis- cosité On effectue une opération de séchage puis un traitement ther- mique pendant 8 heures à la température de 5000 C. On voit sur la courbe B la répartition des contraintes d'extension et de compression dans le diélectrique B. La valeur maximale des contraintes de compression externes est de l'ordre de 200 M Pa, tandis que la valeur maximale des contraintes de compression internes est très inférieure à 10 M Pa L'épaisseur de la zone en compression est de l'ordre de 100 m Les contraintes internes d'extension sont suffisamment faibles pour éviter une fragmentation de l'échantillon en cas de choc violent. On obtient des résultats aussi intéressants en modifiant comme indiqué ci-dessous les conditions opératoires de la trempe chimique. Ainsi la solution utilisée pour la trempe chimique peut être choisie parmi les compositions suivantes (pourcentages donnés en poids): H 2 O: 70 % à 90 % Amidon: 2 % à 10 % KNO: 4 % à 12 % K 2 HPO + KC 1 + K 2 SO 4%à 20 % -4- L'amidon peut être remplacé par un liant équivalent, par exemple de type colle émulsifiable. Le chauffage peut durer quelques heures et la température peut être comprise entre 3000 C et 5000 C. On obtient ainsi un diélectrique B' selon l'invention dont les caractéristiques mécaniques sont consignées dans le tableau I ci- dessous Le diélectrique A' est un diélectrique de l'art antérieur trempé thermiquement dans différentes conditions de température ou d'hy- grométrie de l'air de soufflage. TABLEAU I Contraintes internes maximales d'extension (Mega Pascal) Contraintes externes maximales de compression en (Mega Pascal) Epaisseur. de la zore en compression Diélectrique trempé 30 à 40 M Pa 200 à 400 M Pa supérieure thermiquement A' à 1 mm Diélectrique trempé inférieures à 50 f m Chimiquement Bl 10 M Pa 200 à 400 M Pa à 100 p m Le procédé de trempe chimique qui vient d'être décrit est extrême- ment avantageux notamment pour les raisons suivantes: utilisation de faibles quantités de sels alcalins et de liant organique puisque le produit de départ est une solution, très bonne adhérence du film après séchage, ce qui permet une manipu- lation aisée des pièces traitées. Les profondeurs de diffusion ionique et les répartitions de contraintes souhaitées pourraient être obtenues à l'aide d'autres procé- dés de trempe chimique connus en eux-mêmes tels que: -5- pulvérisation d'un mélange de sels en poudre porté ensuite à une température suffisante pour faire fondre une partie de la poudre, pulvérisation d'une solution chaude et saturée en réactif sur le dié- lectrique froid. On peut envisager d'améliorer encore le procédé selon l'invention et prévoyant une phase de traitement préalable à la trempe chimique précédente pour modifier la composition superficielle du verre du dié- lectrique et amplifier l'effet de la trempe chimique ultérieure. Premier exemple: Le verre contient initialement des ions potas- sium: On trempe le diélectrique dans une solution à base de nitrate de sodium, on sèche et on chauffe vers 450 C Pour relâcher les contraintes dûes aux échanges ioniques qui sont intervenus, on chauffe ensuite la pièce à une température supérieure à la température de transformation du verre On effectue ensuite la trempe chimique telle qu'elle a été définie plus haut. Deuxième exemple: Le verre contient initialement des ions sodium: On plonge le diélectrique dans une solution à base de nitrate de lithium et de nitrate de sodium; on sèche et on chauffe vers 350 C environ Pour relâcher les contraintes dues aux échanges ioniques inter- venus, on chauffe ensuite la pièce à une température supérieure à la température de transformation du verre. La trempe chimique ultérieure se fait par trempage dans une solu- tion d'un sel de sodium, qui permet un échange ionique entre le lithium et le sodium Elle peut se faire également par trempage dans une solution d'un sel de sodium et d'un sel de potassium qui permet des échanges ioniques entre le lithium et le sodium d'une part, et le sodium et le potassium d'autre part. Selon une autre variante de mise en oeuvre, on soumet les zones du diélectrique subissant la trempe chimique, pendant le traitement, à un champ électrique pour réaliser une électromigration qui renforce effica- cement les échanges ioniques. A titre d'exemple, on trempe une pièce de verre recuit dans un bain de nitrate de potassium pur vers 4000 C environ On soumet cette pièce pendant une heure à un champ électrique de l'ordre de 600 V/cm On obtient des contraintes superficielles extrêmement importantes dont les 6 - valeurs maximales peuvent atteindre 750 Mega Pascal, et des profondeurs de diffusion pouvant même dépasser 300 " m Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits. -7- REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication d'un diélectrique en verre pour isolateur électrique, caractérisé par le fait que l'on part d'un diélectrique en verre recuit et qu'on lui fait subir au moins partiellement une trempe chimique, jusqu'à ce que les zones trempées présentent des contraintes externes de compression dont les valeurs maximales soient supérieures à 200 Mega Pascal et des contraintes internes d'extension dont les valeurs maximales restent inférieures à 10 Mega Pascal. 2/ Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on applique sur lesdites zones, ou sur le diélectrique complet, une solution à base de sels alcalins, à température ambiante, on sèche, puis on chauffe pendant quelques heures à une température comprise en- tre 3000 C et 5000 C. 3/ Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite solution à base de sels alcalins a une composition de type suivant (pourcentages en poids) H 20: 70 % à 90 % Amidon: 2 % à 10 % KNO 3: 4 % à 12 % K 2 HP 4 K 2 SO:4 % à 20 %. 4/ Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite solution répond à la composition suivante (pourcentages en poids) K 20: 77 % Amidon: 3 % KNO 3: 8 % 2 HP 4 12 % / Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé par le fait que préalablement au traitement de trempe chimique desdites zones, on modifie la composition superficielle du verre par une autre trempe chimique suivie d'un recuit. 8 - 6/ Procédé de fabrication selon l'une dès revendications précédentes, caractérisé par le fait que, pendant la trempe chimique, on soumet lesdites zones à un champ électrique. 7/ Diélectrique en verre pour isolateur électrique obtenu par le procédé précédent, caractérisé par le fait que dans lesdites zones traitées les contraintes externes de compression apparaissent sur une épaisseur qui est de l'ordre de 50 " m à 300 M m.