Brevet FR2636195A1 — publié le 19900309

La présente invention se rapporte à un procédé - de production d'une membrane pour un dispositif acous- tique en matériaux carbonés, vitreux et durs. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé de production d'une membrane en matériaux carbonés, vitreux et durs ayant une haute dureté, une haute résistance et une haute élasticité en comparaison avec un matériau conventionnel pour membrane utilisé pour un haut-parleur et un microphone, une moindre déformation par une force externe due à une excellente rigidité, une faible distor- tion du son, une large plage de reproduction du son, une qualité distincte du son, et de plus une haute rigidité de tout son système de vibration grâce à la structure interne de la membrane et d'un corps de bobine mobile de haut-parleur, permettant l'élimination de la diminution de rigidité et de la perte d'énergie à une portion collée pour transmettre une force d'entraînement produite dans une bobine mobile de haut-parleur à la membrane sans perte et ayant une excellente possibilité de réponse à un signal d'entrée, tout en étant adaptée à la technique audionumé rique. On souhaite généralement qu'une membrane pour un haut-parleur et un corps de bobine mobile de haut- parleur satisfasse les conditions suivantes. 1) petite densité, 2) grand module de Young, 3) grande vitesse de propagation des sons, 4) perte interne suffisamment importante des vibrations, 5) stable vis-à-vis des variations des conditions atmosphériques, ni déformation ni changement des propriétés, et 6) procédé simple et peu coûteux de production. Plus particulièrement, le matériau pour la membrane doit avoir une large plage pour la reproduction du son à reproduire à une haute fidélité sur une large bande de fréquences. Pour produire de manière efficace et distincte la qualité du son, le matériau doit avoir une haute rigidité, aucune distorsion comme un glissement vis-à-vis d'un effort externe, et pour de plus augmenter la vitesse du son à partir de l'équation: V = (E/p) k o V: vitesse du son, E: module de Young, m: densité, le matériau doit avoir une faible densité et un grand module de Young. En plus des conditions ci-dessus mentionnées, dans le cas d'un corps de bobine mobile de haut-parleur, le matériau doit avoir une résistance à la chaleur du fait de la chaleur produite par effet Joule par suite du courant s'écoulant dans la bobine. Les matériaux conventionnels pour la membrane et le corps de bobine mobile de haut-parleur sont le papier (pâte), le plastique, l'aluminium, le titane, le magnésium, le béryllium, le bore, comme matériaux de base et comprennent de plus de la fibre de verre, de la fibre de carbone en mélange composite avec le matériau de base ou bien traitées en alliage métallique, nitrure métal- lique, carbure métallique ou borure métallique. Cependant, le papier, le plastique et leurs matériaux composites ont un faible module de Young et une faible densité. Ainsi, les vitesses de son de ces matériaux sont lentes. Une division des vibrations se produit dans un mode spécifique et les caractéristiques de fréquence dans la bande de hautes fréquences des matériaux sont particu- lièrement basses avec pour résultat une difficulté de production d'une qualité distincte du son. De plus, ces matériaux peuvent 8tre affectés par les environnements externes comme la température et l'humidité provoquant une détérioration de la qualité et de la fatigue au vieillissement, diminuant ainsi désavantageusement les caractéristiques. Par ailleurs, lorsque l'on emploie des plaques en métal d'aluminium, magnésium, titane, les vitesses du son des matériaux sont rapides mais les matériaux présentent un phénomène de résonance importante dans la bande des hautes fréquences avec une faible perte interne des vibrations ou bien une fatigue au vieillissement telle qu'un glissement se produit dans les matériaux, ce qui détériore les caractéristiques. Si l'on adopte, pour les matériaux, le bore, le béryllium, leur nitrure, carbure ou borure, les matériaux offrent d'excellentes propriétés physiques. Les "tweeters" qui emploient des matériaux comme les membranes s'étendent, en limite de reproduction, Jusqu'aux bandes des fréquences audibles ou plus, produisant ainsi correctement la qualité du son naturel sans phénomènes transitoires dus aux signaux dans la bande audible. Cependant, ces matériaux sont très coûteux, et posent des difficultés d'usinage industriel. Le procédé conventionnel de production de la membrane en laminant et moulant à la presse n'est pas pratique et on doit employer une méthode de dép8t requise pour une haute technique comme dépôt de vapeur chimique ou dépôt de vapeur de plasma. Ces procédés sont coûteux et difficiles pour produire des hauts-parleurs de grande taille. En plus des défauts ci-dessus décrits, même si des matériaux ayant d'excellentes propriétés physiques sont utilisés pour une membrane, comme les matériaux pour le corps conventionnel de bobine mobile de hautparleur sont principalement du papier (pâte) comme du papier kraft, la rigidité de tout le système de vibration diminue de manière résultante, et diminue également du fait de la présence d'une couche de liaison pour lier la membrane au corps de bobine mobile de haut parleur et les matériaux présentent un inconvénient tel qu'une perte d'énergie se produit à la couche de liaison lors de la transmission de la force d'entralnement produite dans la bobine mobile à la membrane. En conséquence, la présente invention a pour objet de procurer un procédé de production d'une membrane pour un dispositif acoustique en matériaux carbonés, vitreux et durs, permettant d'éliminer les inconvénients ci-dessus décrits des matériaux des membranes convention- nelles et du corps de bobine mobile de haut-parleur, tout en transmettant une force d'entraînement produite dans une bobine mobile de haut-parleur à la membrane sans perte, sans fatigue au vieillissement, comme un glisse- ment des matériaux, insensibles à l'environnement externe comme la température et l'humidité, ayant une excellente résistance à la chaleur, par l'utilisation des excel- lentes propriétés du carbone dans une structure intégrale de la membrane et de corps de bobine mobile, et qui puissent reproduire fidèlement une large plage de fréquences d'une plage de son bas à une plage de son haut, tout en produisant une qualité distincte du son de manière peu coûteuse en industrie. La présente invention est dirigée vers le fait qu'un carbone dur et vitreux qui ne contient, comme matière première, qu'une résine thermodurcissable, a d'excellentes propriétés physiques, comme une haute dureté, une haute résistance et un haut module élastique ainsi qu'une ouvrabilité suffisamment élevée et par suite, un procédé de production d'une membrane pour un dispositif acoustique en matériaux carbonés vitreux et durs comprend les étapes de produire un carbone vitreux et dur ayant une haute dureté et une imperméabilité aux gaz après calcination, de mouler préliminairement la résine thermodurcissable présentant un fort rendement résiduel de carbone en une forme de film ou de feuille, de calciner un moulage de membrane moulé à une forme souhaitée de membrane et un moulage de corps de bobine mobile de haut-parleur moulé à une forme souhaitée pour ce corps, du moulage en forme de film ou de feuille, puis de former une structure intégrale de la membrane et du corps de bobine par calcination d'une matière composite intégrée du moulage de la membrane et du moulage du corps de bobine mobile par une composition liquide organique présentant un haut rendement résiduel en carbone dans une atmosphère de gaz inerte. Un procédé de production d'une membrane pour un dispositif acoustique en matériaux carbonés, vitreux et durs selon la présente invention sera maintenant décrit. On ajoute une quantité prédéterminée d'un agent durcissant à une résine thermodurcissable, le mélange est alors malaxé par un mélangeur à vitesse rapide ou trois rouleaux pour disperser l'agent durcissant. Alors, les bulles d'air sont enlevées par une machine de suppression de mousse à pression réduite, si nécessaire. Le liquide brut obtenu est alors moulé préliminairement en un film ou feuille de l'épaisseur souhaitée par des rouleaux d'enduction ou de calandrage, en utilisant une feuille d'appui ayant un film séparable. Alors, la feuille d'appui du film ou de la feuille est enlevée à un état (au stade B) présentant une plasticité, avant durcissement, et moulée à la forme de la membrane souhaitée par une machine de moulage à la presse, une machine de moulage sous vide ou une machine de moulage par soufflage. Dans ce cas, le film ou la feuille peut avoir sa plasticité accrue de manière appropriée par chauffage adéquat ou peu être durci par réaction. Après durcissement suffisant du matériau, le film ou la feuille est enlevé du moule et le film ou la feuille moulé est enlevé. Le film ou feuille moulé préliminairement que l'on obtient par l'opération ci-dessus est coupé en une forme rectangulaire souhaitée, la feuille d'appui est alors enlevée, une tige ronde ou un tube d'un diamètre ou d'une dimension souhaité et ayant une surface lisse est préparé en tant que base de support, le film ou feuille est enroulé sur la tige ou tube rond en une forme cylindrique pour y être fixé solidement à ses deux extrémités. Le moulage de corps de bobine mobile obtenu par l'opération ci-dessus est chauffé entre 50 et 300 C, suffisamment durci puis est enlevé du moule. Le moulage de la membrane et le moulage du corps de bobine mobile que l'on obtient par les opérations ci-dessus sont de plus insolubilisés et infusibilisés dans un four à air chauffé à une température ambiante, ou sont chauffés puis collés par une composition liquide organique. Comme compositions liquides organiques utilisées dans la présente invention, on peut utiliser des résines thermoplastiques comme le chlorure de polyvinyle, une résine de chlorure de vinyle chloré; des résines thermodurcissables comme une résine phénol, une résine furane, du polyimide; des substances naturelles de fort poids moléculaire, comme la gomme adragante; des brais d'asphalte, comme l'asphalte de pétrole, le brai de goudron de houille; et/ou plusieurs de compositions de brai distillé à sec que l'on obtient en distillant à sec des substances organiques de fort poids moléculaire ou brais, ne présentant pas un état liquide aux températures ambiantes. Parmi ces substances, le condensat initial des matériaux, la solution dissoute dans un solvant ou les matériaux thermiquement fondus peuvent être utilisés de préférence. La composition liquide organique enduite entre le moulage de la membrane et le moulage du corps de bobine mobile de haut-parleur les colle l'un à l'autre par chauffage et élimination de son solvant pour sa solidification. Comme résines thermodurcissables, on peut utiliser les résines furanes, les résines phénols, les résines de xylène, les résines époxy, les résines de bismaléimide. Parmi celles-ci, on préfère les résines furanes comme alcool furfurylique/furfurals, furfural/phénols, furfural/urées, les résines phénols comme les résols, les novolaques et leurs mélanges, pour leur ouvrabilité comme la rétentivité à la mise en forme lors de la préparation, de la mise en forme et de la calcination et ce sont des matériaux économiquement avantageux. La membrane, le corps de bobine et la composition liquide organique emploient de préférence la même composition mélangée pour éviter des problèmes tels que le retrait au moment de la calcination. La stucture intégrale obtenue par l'opération ci-dessus décrite est contenue dans une gaine de calcination, et est thermiquement calcinée pour être carbonisée entre 1000 et 1500 C dans une phase de gaz inerte d'azote ou d'argon. Dans les étapes de calcination et de carbonisation, il est important de chauffer graduellement la structure à 50 C/h ou moins et de préfé- rence à 20 C/h ou moins de vitesse d'augmentation de température Jusqu'à 500 C afin d'empêcher sa déformation et la formation de fissures. Dans une plage de 500 C ou plus, la structure est chauffée entre 20 et 2000C/h et mieux entre 50 et 100 C/h pour des raisons économiques, puis on maintient la plus haute température pendant 1 à 5 heures afin d'obtenir la propriété homogène de carbonisation, et ensuite on laisse reposer pour son refroidissement naturel et on calcine. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence au dessin schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lequel: la figure unique est un graphique montrant la comparaison de la caractéristique de fréquence d'un "tweeter" de l'exemple 1 avec un "tweeter" collé par un adhésif ordinaire, o l'axe des ordonnées indique la caractéristique de fréquence et l'axe des abscisses indique la fréquence en Hz. La présente invention sera décrite par des exemples d'un procédé de production d'une membrane pour un dispositif acoustique en matériaux carbonés, vitreux et durs, mais elle n'est pas limitée aux exemples particuliers. Exemple 1 On a ajouté une solution à 4 % en poids d'acide p-toluènesulfonique dans 50 % de méthanol en tant que durcissant à 100 % en poids d'un condensat initial de résine alcool furfurylique/furfural (VF-302 produite par Hitachi Chemical Co. Ltd., Japon), le mélange a alors été écumé par une machine à pression réduite, tout en agitant suffisamment à température ambiante par un mélangeur homogène rapide. La solution brute obtenue a été enduite sur une feuille d'appui ayant une membrane exfoliante par une moyen d'enduction ayant une raclette établie pour une épaisseur de 100 microns, avec durcissement préliminaire et on a obtenu une feuille moulée préliminaire ayant une plasticité suffisament molle (à l'état du stade B). Alors, la feuille d'appui a été enlevée, la composition a alors été moulée en une forme de dome par une machine à mouler sous vide utilisant une matrice de moulage en dome ayant un perçage de 30 mm de diamètre, puis a été durcie thermiquement par de l'air chaud à C, enlevée du moule et on a obtenu un moulage de la membrane. Par ailleurs, une feuille préliminairement moulée de 60 microns d'épaisseur obtenue d'une manière identique à l'opération ci-dessus a été découpée à x 6 mm, la feuille d'appui a été enlevée, on l'a enroulée sur un tube en céramique de 30 mm de diamètre externe ayant une surface lisse, et on l'a fixée à ses deux extrémités. Alors, la feuille ainsi enroulée sur le tube a été maintenue à 100 C pendant 10 heures et 1800C pendant 24 heures dans un four à air pour son insolu- bilisation et son infusibilisation et le moulage durci a été enlevé du tube en céramique pour obtenir un moulage de corps de bobine mobile de haut-parleur. Ensuite, on a ajouté 2 % en poids d'un agent durcissant (agent durcis- sant A-3 produit par Hitachi Chemical Co., Ltd., Japon) au condensat initial de furane, le mélange a alors été suffisamment soumis à agitation, mélangé en tant que composition liquide organique, le bas du dome du moulage de la membrane a été collé au moulage du corps de bobine, on a laissé reposer à température ambiante pendant 3 heures pour solidification de l'état liquide et on a ensuite chauffé à 180 C pour insolubilisation et infusi- bilisation, puis on a introduit dans une gaine de calcination, on a chauffé à une vitesse d'augmentation de la température de 15 C/h Jusqu'à 500 C dans un four à atmosphère d'azote gazeux, puis on a chauffé à 50 C/h de 500 à 1000 C. Subséquemment, le mélange a été maintenu à 10000C pendant 3 heures puis on l'a laissé reposer pour son refroidissement naturel, afin d'obtenir ainsi une structure intégrale dans laquelle la membrane carbonée vitreuse était collée au corps de bobine mobile vitreux carboné au moyen du carbone. La membrane vitreuse carbonée en forme de dome (un "tweeter" pour reproduire une plage de son à haute fréquence) obtenue de cette manière avait 23 mm de diamètre et 50 microns d'épaisseur. Le diamètre externe du corps de bobine était de 23 mm et son épaisseur était de 5 mm avec 50 microns d'épaisseur, 78 GPa de module élastique, 7,5 km/s de vitesse du son, une valeur de tan 5 de 10,0 x 10 3, et une densité de 1,40 g/cm3, comme propriétés physiques. Exemple 2 On a ajouté 15 % en poids d'une résine phénol novolaque (PGA-4500 produite par Gunei Chemical Co., Ltd., Japon), à 85 % en poids d'une résine phénol novolaque (PS-1370 produite par Gunei Chemical Co., Ltd., Japon), et une feuille moulée préliminairement à l'état du stade B ayant une plasticité suffisante, de 1,5 mm d'épaisseur, a été obtenue par une opération similaire à celle de l'exemple 1. Alors, la feuille d'appui a été enlevée, moulée dans une machine de moulage à la presse, montée avec un moule en métal à 170 C en forme de c8ne ayant 35 cm de diamètre de perçage, puis on a durci, enlevé du moule, pour ainsi obtenir un moulage de la membrane. Par ailleurs, le matériau ci-dessus mentionné a été utilisé pour obtenir une feuille moulée préliminai- rement ayant 0,5 mm d'épaisseur, obtenue par des opérations similaires à celles de l'exemple 1. La feuille a été découpée à 240 x 38 mm, la feuille d'appui a alors été enlevée, on l'a enroulée sur un moule cylindrique en métal ayant 75 mm de diamètre externe et des surfaces lisses, on l'a fixée à ses deux extrémités, on a durci thermiquement dans une machine à mouler à la presse, maintenue à 170 C au moule en métal pendant 15 minutes et on a enlevé du moule pour ainsi obtenir un moulage de corps de bobine mobile. Alors, la résine phénol a été traitée en une composition liquide organique, collée comme à l'exemple 1, l'état liquide a été solidifié à 1000C dans un four chauffant et on a de plus chauffé à 1800C. Alors, comme pour l'exemple 1, on a calciné à 1300 C pour coller la membrane vitreuse carbonée au corps vitreux carboné de bobine mobile au moyen du carbone, en une structure intégrale. La membrane du type en c8ne en matériau carboné et dur (un "boomer" pour reproduire la plage du son à basse fréquence) ainsi obtenue avait 27,5 cm de diamètre du perçage et 0,9 mm d'épaisseur. Le corps de bobine avait comme propriétés physiques 6,0 cm de diamètre externe, 3,0 cm de hauteur, 0,4 mm d'épaisseur, 64 GPa de module élastique, 6,8 km/s de vitesse du son, tan& 1,3 x 10 2, et une densité de 1,38 g/cm3. Les propriétés de la membrane obtenue par la présente invention sont comparées à celles d'une membrane conventionnelle et les résultats sont donnés au tableau ci-dessous. Le "tweeter" de l'exemple 1, la membrane et le corps de bobine mobile de haut-parleur sont moulés séparément et calcinés indépendamment dans les mêmes conditions et on compare les caractéristiques de fréquence des membranes collées avec un adhésif ordinaire sans l'intermédiaire de la couche de liaison au carbone. TABLEAU Propriétés Vitesse du module tan Densité matériaux son (kmn/s) élastique (x10-3) (g/cm3) (GPa) papier (pâte) 1,0 à 2,4 0,2 à 4,0 20 à 60 0,2 à 0,7 polypropylène 1,3 1,5 60 0,9 aluminium 5,1 70,0 2,7 titane 4,9 110,0 2 à 3 4,5 magnésium 5,1 44,0 1,7 béryllium 12,2 270,0 1,8 exemple 1 7,5 78,0 10,0 1,40 exemple 2 6,8 64,0 13,0 1,38 Comme on peut le comprendre par le tableau ci-dessus, dans les exemples 1 et 2, les membranes présentent les excellentes propriétés qui ne sont pas équivalentes à celles du béryllium, mais qui sont bien meilleures en comparaison avec le papier (pâte) et le polypropylène, et une vitesse du son qui est à peu près égale à une fois et demie celle des matériaux de métal comme l'aluminium ou le titane. Bien que cela ne soit pas montré au tableau, les coefficients de dilatation des carbones vitreux des exemples 1 et 2 étaient de 2,3 à 3,0 x 10- 6/IC avec une température de début d'oxydation de 400 C ou plus. Ainsi, le matériau peut suffisamment résister à la chaleur par effet Joule qui est produite par un courant vocal s'écoulant dans la bobine mobile. Comme le montre le dessin, on peut également comprendre en comparant le "tweeter" (1) de l'exemple 1 au "tweeter" (2) collé par un adhésif ordinaire, que le "tweeter" de l'exemple 1 d'une structrure intégrale qui est collée par la couche de liaison au carbone, a une plus haute fréquence limite que le "tweeter" conventionnel. L'excellente caractéristique de la membrane en matières totalement carbonées de la structure intégrale avec couche de liaison au carbone entre la membrane et le corps de bobine permet son utilisation comme membrane pour un équipement audionumérique d'un tourne-disque compact, tout en offrant une qualité distincte du son et une large plage dynamique, et la membrane ayant cette haute performance peut être produite de manière peu coûteuse par un simple procédé industriel. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de production d'une membrane pour un dispositif acoustique en matériaux carbonés, vitreux et durs, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: - produire un carbone vitreux et dur ayant une haute dureté et une imperméabilité aux gaz après calcination, - mouler préliminairement la résine thermodurcissable présentant un rendement résiduel de carbone élevé en une forme de film ou de feuille, - calciner un moulage de membrane moulé à une forme de membrane souhaitée et un moulage de corps de bobine mobile de haut-parleur moulé à une forme souhaitée de corps de mobile, à partir du moulage en forme de film ou de feuille, et ensuite former une structure intégrale de la membrane et du corps de bobine par calcination d'un matériau composite intégré au moulage de membrane et au moulage de corps de bobine par une composition au liquide organique présentant un rendement résiduel en carbone élevé dans une atmosphère de gaz inerte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition liquide organique précitée peut se composer de résines thermoplastiques, comme le chlorure de polyvinyle, une résine de chlorure de vinyle chloré; des résines thermodurcissables comme une résine phénol, une résine furane, du polyimide; des substances naturelles de fort poids moléculaire comme la gomme adragante; des brais d'asphalte comme l'asphalte de pétrole, brais de goudron de houille et un ou plusieurs types de compositions de brais distillés à sec que l'on obtient en distillant à sec des substances organiques de fort poids moléculaire, qui ne présentent pas un état liquide aux températures ambiantes. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résines thermodurcissables sont prises dans le groupe consistant en résines furanes, résines phénols, résines de xylène, résines epoxy, résines de bismaléimide. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les résines furanes sont prises parmi les résines alcool furfurylique/furfurals, furfural/phénols, furfural/urées et les résines phénols parmi les résols et les novolaques.