Brevet FR2882814A1 — publié le 20060908

La présente invention concerne un élément résistif chauffant pour initiateur électropyrotechnique destiné en particulier à initier des dispositifs de sécurité automobile, notamment pour commander le fonctionnement de coussins gonflables, communément appelés "airbags", ou de tensionneurs de ceinture de sécurité. La présente invention concerne plus particulièrement un élément résistif chauffant avec un substrat à conductibilité thermique améliorée. Les initiateurs électro-pyrotechniques sont généralement constitués par un récipient contenant une composition pyrotechnique qui est portée à sa température de déflagration par un élément résistif chauffant. Il est connu, notamment par le document de brevet US 5 544 585, un initiateur pyrotechnique dans lequel l'élément résistif chauffant est formé d'une couche résistive ou ruban résistif, gravé et collé sur un substrat isolant constitué d'un support en matériau composite de type circuit imprimé. Un vernis explosif thermo-sensible est déposé sur le ruban résistif. Le ruban résistif est connecté à des bornes d'amenée de courant électrique. Le passage d'un courant se traduit par l'échauffement par effet joule du ruban résistif et du vernis. Lorsque la température d'auto- décomposition du vernis est atteinte, une déflagration se produit. Cette température peut être atteinte par application volontaire d'une impulsion de courant brève, de quelques millisecondes, et de forte amplitude, représentant une énergie de l'ordre du milliJoule. Dans ce cas, on parle d'une impulsion "Tout Feu" et on recherche une probabilité de déflagration 2882814 2 proche de 1. Cette température peut aussi être atteinte accidentellement si des courants parasites traversent le ruban résistif. Ces courants parasites sont simulés par l'impulsion "Non Feu", d'une durée plus longue et d'amplitude plus faible, correspondant à une énergie de quelques Joules. Lorsque l'on applique cette impulsion parasite, la probabilité de déflagration doit être proche de O. Assez paradoxalement la probabilité de déflagration doit être de 1 quand l'énergie appliquée est la plus faible et de 0 quand elle est plus élevée. Ce résultat est obtenu par le temps de transfert thermique entre l'élément résistif chauffant et le puits de chaleur. Pour l'impulsion "Tout Feu", la chaleur est confinée dans le ruban résistif qui s'échauffe de façon adiabatique. Pour l'impulsion "Non Feu", la chaleur se diffuse au travers du support en matériau composite pour atteindre le milieu extérieur, le ruban résistif s'échauffe d'autant moins que la profondeur de pénétration de la chaleur est importante. Ce type d'élément résistif chauffant, utilisant une couche résistive déposée sur un support en matériau composite, peut être fabriqué de manière simple, précise et reproductible suivant des techniques bien connues de fabrication de circuits imprimés. En outre, sa forme peut être facilement adaptée par simple emboutissage à divers initiateurs pyrotechniques. Toutefois, ce type d'élément résistif chauffant n'est plus adapté à certaines normes de fiabilité de fonctionnement et de sécurité, notamment celles de l'industrie automobile, qui imposent des intervalles 2882814 3 entre impulsion "Non Feu" et impulsion "Tout Feu "de plus en plus étroits. La conductibilité thermique du support en matériau composite n'est pas assez élevée pour drainer rapidement l'énergie de l'impulsion "Non 5 Feu" vers le puits de chaleur. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur cités ci-dessus, en proposant un élément résistif chauffant simple de conception et de fabrication, qui réponde notamment aux exigences de l'industrie automobile. A cet effet, la présente invention propose un élément résistif chauffant pour initiateur électropyrotechnique comprenant un substrat sur lequel est fixée une couche résistive par l'intermédiaire d'une couche de liaison, ledit substrat comportant un support en matériau composite, en particulier de type circuit imprimé, à base de fibre et de résine, caractérisé en ce que ledit substrat est dopé de charges thermiques et présente, au moins au niveau de sa face en contact avec la couche de liaison, une conductibilité thermique supérieure ou égale à 0,9 W/m.K, ladite couche de liaison assurant la liaison thermique et mécanique entre le substrat et la couche résistive. Selon l'invention, l'élément résistif chauffant comprend un substrat à conductibilité thermique améliorée, au moins en surface, par adjonction de charges thermiques. Le substrat est dopé avec des charges thermiques, au moins au niveau de sa face en contact avec la couche de liaison, de manière à présenter une conductibilité thermique supérieure ou égale à 0, 9 W/m.K au moins au niveau de ladite face. On 2882814 4 entend par "charge thermique" une charge conductrice de chaleur. Le substrat permet un drainage rapide de l'énergie de l'impulsion "Non Feu" vers l'extérieur. L'élément résistif selon l'invention permet de répondre aux conditions exigeantes de l'industrie automobile, notamment à une impulsion "Tout Feu" d'une durée voisine de 1 milliseconde (ms) et d'une amplitude voisine de 1 Ampère (A), correspondant à une énergie de 2 milliJoules (mJ) , et une impulsion "Non Feu" d'une durée voisine de 10 s, et d'une amplitude voisine de 0,5 A, correspondant à une énergie de 5 J. Avantageusement, le substrat est un isolant électrique et ne comprend aucune partie métallique. Lesdites charges thermiques sont non métalliques, et plus généralement non-conductrices d'électricité. Selon une particularité, les charges thermiques sont constituées de fines particules en céramique conductrice de la chaleur, telles que de fines particules de nitrure de bore et/ou d'alumine. Avantageusement, le substrat presente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 1 W/m.K, de préférence inférieure à 5 W/m.K, mieux encore comprise entre 1 et 2 W/m.K. Selon un premier mode de réalisation, le substrat est dopé thermiquement en volume. Le support en matériau composite à base de résine et de fibres est dopé de charges thermiques, lesdites charges thermiques étant dispersées dans la résine du support en matériau composite, ce dernier présentant une conductibilité thermique supérieure ou égale à 0,9 W/m.K, de préférence supérieure ou égale à 1 W/m.K. 2882814 5 Selon un deuxième mode de réalisation, le substrat est dopé thermiquement en surface. Le substrat comprend un support en matériau composite rigide de type circuit imprimé, à base de fibre et de résine, et au moins une première couche de revêtement dopée de charges thermiques recouvrant une première face principale du support en matériau composite, de sorte que ladite couche de revêtement dopée soit intercalée entre ladite couche de liaison et ledit support en matériau composite, ladite couche de revêtement dopée présentant une conductibilité thermique supérieure ou égale à 0,9W/m.K, de préférence supérieure ou égale à 1W/m. K. Dans ce cas, le substrat peut comprendre un support en matériau composite standard, non dopé de charges thermiques. En variante, le substrat peut comprendre à la fois un support en matériau composite dopé de charges thermiques dont au moins la première face en vis-à-vis de la couche de liaison est recouverte d'une couche de revêtement dopée de charges thermiques. Ladite couche de revêtement dopée de charges thermiques peut être formée à partir d'un film de résine auto-supportée, d'un tissu de verre préimprégné de résine et/ou d'un feutre de verre imprégné d'une résine, de préférence à partir d'un tissu de verre pré-imprégné de résine, de type "pré-preg". Pour renforcer le substrat et éviter notamment une courbure du substrat par effet bilame, la deuxième face principale du support en matériau composite, opposée à la couche résistive, est avantageusement recouverte d'une deuxième couche de revêtement, 2882814 6 analogue à la première couche de revêtement, éventuellement dopée de charges thermiques. Le substrat est ainsi constitué d'un support en matériau composite recouvert de part et d'autre d'une couche de revêtement. Le support en matériau composite est avantageusement du type verre époxy ou verre polyimide. La couche de liaison peut être constituée d'un film de résine autosupportée, d'un tissu de fibres imprégné de résine, en particulier un tissu de fibres de verre, ou d'un feutre de fibres imprégné de résine, en particulier un feutre de fibres de verre ou de fibres aramide, ladite couche de liaison ayant avantageusement une conductibilité thermique comprise entre 0,1 et 0,3 W/m.K, et une épaisseur comprise entre 10 et 30 pm. La couche de liaison doit être suffisamment épaisse pour assurer un bon isolement thermique du ruban résistif pendant l'impulsion "Tout Feu". Elle doit être aussi suffisamment fine pour ne pas faire obstacle à l'écoulement de l'énergie de l'impulsion Non Feu . La couche de liaison, d'épaisseur sensiblement constante, repose continûment à plat sur le substrat, substantiellement sans différences de niveau, ou marches, qui seraient propices à l'apparition de défauts de non-continuité électrique, notamment lors de cycles thermiques. La structure de l'élément résistif selon l'invention est homogène et donc peu sensible aux contraintes thermomécaniques induites par les opérations de soudure. 2882814 7 La couche de liaison est de préférence constituée d'un feutre de fibres de verre ou de fibres aramide imprégné de résine. Un tel feutre, dans lequel les fibres sont enchevêtrées de manière aléatoire, permet d'obtenir une épaisseur de couche sensiblement constante et une conductibilité thermique sensiblement homogène. Selon une particularité, la couche résistive est constituée d'une feuille mince d'alliage résistif 10 gravé, telle qu'une feuille de nickel-chrome photogravée. Selon une autre particularité, l'élément résistif chauffant comprend en outre une couche conductrice recouvrant partiellement la couche résistive, destinée à assurer l'arrivée du courant électrique. La présente invention a également pour objet un initiateur électropyrotechnique, caractérisé en ce qu'il comporte un élément résistif chauffant tel que défini précédemment. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre de deux modes de réalisation particuliers actuellement préférés de l'invention, en référence au dessin schématique annexé sur lequel. - la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'un élément résistif chauffant selon un premier mode de réalisation de l'invention; et, 2882814 8 - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un élément résistif chauffant selon un deuxième mode de réalisation. La figure 1 représente schématiquement un élément résistif 1 pour initiateur électro-pyrotechnique comportant un substrat 2 constitué d'un support en matériau composite 21, sur lequel est fixée une couche résistive 3 au moyen d'une couche de liaison 4. La couche résistive 3 est recouverte partiellement par une couche conductrice 5 en cuivre ou cuivre étamé, formant deux plages pour établir le contact électrique avec deux bornes d'amenée de courant électrique. La couche résistive 3 est constituée par une couche mince, formée d'une feuille d'alliage NiCr ayant une épaisseur comprise entre 3 et 5 micromètres (pm). La chaleur dissipée par effet joule par la couche résistive sera transmise par conduction thermique à une composition pyrotechnique déposée sur la couche résistive. En variante, la couche résistive est formée d'une feuille en un alliage résistif Ta2N, CrSi ou PtW. Le substrat 2 est constitué d'un support en matériau composite rigide à conductibilité thermique améliorée 21. Ce support en matériau composite est formé d'un tissu de verre et de résine époxy dans laquelle sont dispersées de manière sensiblement homogène de fines particules de nitrure de bore ou d'alumine. Le tissu de verre comprend des fibres de verre tissées de 10 à 12 pm de diamètre. Le support en matériau composite a une épaisseur de 0,3 à 0,5 mm, une température de transition vitreuse (Tg) supérieure à 2882814 9 170 C, et une conductibilité thermique supérieure à 1W/m.K. En variante, pour des tenues à plus haute température, le support en matériau composite est formé 5 à partir d'une résine polyimide dopée de particules de nitrure de bore ou d'alumine. La couche de liaison 4 est constituée par un feutre de verre imprégné de résine époxy haute température présentant une Tg supérieure à 150 C. Le feutre pré-imprégné a une conductibilité thermique de l'ordre de 0.25 W/m. K. Le feutre de verre est constitué de microfibres de verre, par exemple de verre borosilicate, de 3 à 5 pm de diamètre, assemblées sans tissage. Pour leur assemblage, la couche résistive, le feutre de verre imprégné de résine époxy non polymérisée, et le support en matériau composite sont empilés, puis soumis à une cuisson, de préférence sous pression. L'épaisseur du feutre pré-imprégné est de l'ordre de 25 à 50 pm avant et après cuisson, sa densité est de l'ordre de 0.180 g/cm3. En variante, la couche de liaison est formée d'un film de colle autosupportée, par exemple un film de colle acrylique ou phénol butyral, de 25 à 50 pm d'épaisseur avant cuisson, et de 15 à 25 pm d'épaisseur après cuisson, ayant une conductibilité thermique de l'ordre de 0.25 W/m. K. Le film de colle est manipulé sur une feuille de papier, cette dernière étant enlevée lors de l'empilage. La couche de liaison peut également être formée à partir d'un tissu de fibres de verre pré-imprégné 2882814 10 d'une résine, de type "prépreg". De préférence, le prépreg comprend une résine de même nature que celle du support en matériau composite, par exemple une résine époxy, du type FR5, présentant par exemple une épaisseur voisine de 50}gym après cuisson, ou une résine polyimide ou Téflon. La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation d'un élément résistif chauffant 11 selon l'invention, comportant un substrat 12, à conductibilité thermique améliorée en surface, sur lequel est fixée une couche résistive 13 au moyen d'une couche de liaison 14, ladite couche résistive étant recouverte partiellement par une couche conductrice 15. Cet élément résistif chauffant 11 se différencie de celui décrit en référence à la figure 1 par le fait que son substrat 12 est constitué d'un support en matériau composite rigide standard 121, classiquement utilisé dans l'industrie du circuit imprimé, dont les faces principales opposées sont chacune recouvertes d'une couche de revêtement à conductibilité thermique améliorée, une première couche de revêtement référencée 122a, et une deuxième couche de revêtement référencée 122b. Le support en matériau composite est constitué de fibres de verre tissées, par exemple de 10 à 12 pm de diamètre, et de résine époxy, ayant une conductibilité thermique de l'ordre de 0.35 W/m.K. Le support en matériau composite 21 est par exemple de la famille FR4, avec une résine époxy ayant une Tg de 140 C. En variante, le support est de la famille FR5, avec une résine époxy ayant une Tg supérieure à 160 C, pour de 2882814 11 meilleures tenues en température, notamment en vue du passage aux soudures sans plomb, ou de la famille polyimide G, pour des tenues en température encore plus élevées. Chaque couche de revêtement 122a, 122b est constituée d'un tissu de fibre de verre pré-imprégnée d'une résine époxy dopée de fines particules de nitrure de bore ou d'alumine, ayant une Tg supérieure à 170 C, et une conductibilité thermique supérieure à 1W/m K. Chaque couche de revêtement a de préférence une épaisseur comprise entre 75 et 125}gym. La couche de liaison 14 assure la liaison thermique et mécanique entre la couche résistive et la première couche de revêtement 122a. Cette première couche de revêtement 122a a pour fonction principale de drainer l'énergie de l'impulsion "Non Feu" et une fonction secondaire de renfort mécanique. La deuxième couche de revêtement 122b, sur la face du support en matériau composite opposée à la couche de liaison et à la couche résistive, a uniquement une fonction de renfort mécanique pour éviter la courbure du substrat par effet bilame lors de sa fabrication ou de son utilisation. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec deux modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. 12 REVENDICATIONS 1. Elément résistif chauffant pour initiateur électro-pyrotechnique comprenant un substrat sur lequel est fixée une couche résistive par l'intermédiaire d'une couche de liaison, ledit substrat comportant un support en matériau composite, caractérisé en ce que ledit substrat (2, 12) est dopé de charges thermiques et présente, au moins au niveau de sa face en contact avec la couche de liaison, une conductibilité thermique supérieure ou égale à 0,9 W/m.K, ladite couche de liaison (4, 14) assurant la liaison thermique et mécanique entre le substrat et la couche résistive (3, 13). 2. Elément résistif chauffant (1, 11) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les charges thermiques sont constituées de fines particules en céramique conductrice de la chaleur, telles que de fines particules de nitrure de bore et/ou d'alumine. 3. Elément résistif chauffant (1, 11) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat (2, 12) présente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 1 W/m.K, de préférence inférieure à 5 W/m. K, mieux encore comprise entre 1 et 2 W/m.K. 4. Elément résistif chauffant (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support en matériau composite (2) à base de fibre et de résine est dopé de charges thermiques, lesdites charges thermiques étant dispersées dans la résine du support en matériau composite. 2882814 13 5. Elément résistif chauffant (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat (12) comprend un support en matériau composite rigide (121) de type circuit imprimé, à base de fibre et de résine, et au moins une première couche de revêtement dopée de charges thermiques (122a) recouvrant une première face principale du support en matériau composite, de sorte que ladite couche de revêtement dopée soit intercalée entre ladite couche de liaison (14) et ledit support en matériau composite. 6. Elément résistif chauffant selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite couche de revêtement (122a) dopée de charges thermiques est formée à partir d'un film de résine auto-supportée, d'un tissu de verre pré-imprégné de résine et/ou d'un feutre de verre imprégné d'une résine, de préférence à partir d'un tissu de verre pré-imprégné de résine, de type "pré-preg". 7. Elément résistif chauffant (11) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la deuxième face principale du support en matériau composite, opposée à la couche résistive, est recouverte d'une deuxième couche de revêtement (122b), éventuellement dopée de charges thermiques. 8. Élément résistif chauffant (1, 11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support en matériau composite est du type verre époxy ou verre polyimide. 9. Élément résistif chauffant (1, 11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche de liaison (4, 14) est un film de résine 2882814 14 auto-supportée, un tissu de fibres imprégné de résine ou un feutre de fibres imprégné de résine, de préférence un feutre de fibres de verre ou de fibres aramide imprégné de résine. 10. Elément résistif chauffant (1, 11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche résistive (3, 13) est constituée d'une feuille mince d'alliage résistif gravé. 11. Elément résistif chauffant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une couche conductrice (5, 15) recouvrant partiellement la couche résistive (3, 13) destinée à assurer l'arrivée du courant électrique. 12. Initiateur électro-pyrotechnique, caractérisé en ce qu'il comporte un élément résistif chauffant (1, 11) selon l'une des revendications 1 à 11.