Brevet FR3028515A1 — publié le 20160520

Structure composite comportant une résine chargée avec des feuillets plans de graphène à conductivité thermique et conductivité électrique renforcées, notamment pour satellite Le domaine de l'invention est celui des structures mécaniques composites présentant de bonnes propriétés en termes de tenue mécanique, de conductivité thermique et de conductivité électrique notamment pour applications dans le domaine du spatial, et pouvant être intégrées dans des satellites de télécommunications, d'observation scientifiques. De manière générale, les dispositifs pour applications spatiales doivent satisfaire des performances de plus en plus sévères. En ce qui concerne les satellites de télécommunications, ceux-ci embarquent un nombre toujours plus grand d'équipements toujours plus complexes consommant toujours plus d'énergie, produisant plus de chaleur. De plus, les futures plateformes de satellites de télécommunication doivent satisfaire des exigences de performances de plus en plus sévères (précision de pointage des antennes, masse....). Ainsi, les satellites de télécommunications doivent être capables de dissiper la chaleur produite par les équipements embarqués de manière performante, afin de garantir la pérennité des performances de ceux-ci. Parallèlement, la multiplicité croissante des équipements embarqués, ainsi que des motifs économiques, imposent aux composants embarqués des contraintes de masse toujours plus sévères. Les satellites de télécommunications utilisent habituellement des 25 dissipateurs de chaleur sous la forme de panneaux dissipatifs, communément désignés "panneaux Nord - Sud" ou encore "murs Nord Sud", de par leur disposition particulière sur la surface des satellites. Les murs Nord - Sud sont de manière typique composés de panneaux et de dispositifs de conduction calorifique, ces derniers étant communément 30 désignés caloducs, et habituellement constitués de structures tubulaires mises en réseau et au sein desquelles circule un fluide caloporteur. Pour ce qui concerne la plupart des systèmes de satellites réalisés, la structure des murs Nord - Sud est typiquement réalisée en aluminium. De la même manière, les caloducs sont typiquement réalisés en aluminium. L'aluminium 35 est privilégié car il offre de bonnes caractéristiques de conductivité thermique, ainsi que des propriétés physiques facilitant l'extrusion, procédé 3028515 2 de fabrication particulièrement adapté pour l'obtention de pièces de structure tubulaire. En outre, l'aluminium offre des caractéristiques connues de légèreté. Des satellites de télécommunications peuvent également utiliser 5 des étagères, supportant les équipements et des moyens de transfert thermique permettant un transfert de la chaleur dégagée par les équipements vers des panneaux dissipatifs de type panneaux Nord - Sud par exemple. D'une manière similaire, les composants formant les étagères sont d'une manière privilégiée réalisés en aluminium. 10 En ce qui concerne les satellites d'observation et scientifiques, des missions particulières nécessitant à la fois des structures rigides et des panneaux contrôlés thermiquernent par caloducs sont envisageables, notamment pour les explorations des planètes chaudes et du soleil. Afin de satisfaire au mieux les contraintes précitées, et notamment 15 les contraintes liées à la masse des systèmes, il est envisagé de recourir à des structures alternatives aux structures en aluminium connues. Il est notamment envisagé de recourir à des matériaux composites présentant des masses moindres. Notamment, des structures composites à base de carbone sont envisagées. En effet, les développements récents permettent la 20 réalisation de structures composites contenant des fibres de carbone enrichies en graphite, ou "graphitisées". De telles fibres offrent des caractéristiques très satisfaisantes en terme de conduction thermique. Des structures composites incorporant des fibres de carbone graphitisées sont ainsi envisagées, notamment pour réaliser la structure formant le plan des panneaux Nord - Sud de satellites, pour laquelle de bonnes caractéristiques de conductivité thermique sont recherchées. Selon des techniques en elles-mêmes connues de l'état de la technique, l'utilisation de fibres de carbone hautement graphitisées peut être assortie à l'emploi d'une deuxième fibre de carbone, de type "haute 30 résistance", palliant la tenue mécanique insuffisante de ia première. D'une manière typique, la première fibre, conductrice, peut être disposée de manière sensiblement perpendiculaire à l'axe principal des caloducs, et la seconde fibre, de haute résistance, sensiblement dans le sens de l'axe principal des caloducs. Ainsi, une succession de couches comprenant des 35 fibres de carbone hautement graphitisées, noyées dans une résine, et de 3028515 3 couches comprenant des fibres de carbone de haute résistance sensiblement alignées à la perpendiculaire des fibres des couches voisines, peut être réalisée. Il est également possible d'alterner des couches dans lesquelles des fibres de carbones sont disposées selon un alignement faisant 5 un angle déterminé, par exemple de 45°, avec les fibres disposées dans les couches voisines ; une telle configuration, formée par une superposition de couches comprenant des fibres de nature hétérogène, permet de conférer des structures composites dont les propriétés d'isotropie sont améliorées. Dans ce cadre, le Demandeur a déposé une demande de brevet 10 publiée sous la référence 2 960 218, décrivant une solution à base de résine organique et de fibres de carbone, la résine étant chargée de nanotubes de carbone. Afin de réaliser un dissipateur thermique, le matériau composite est couplé à l'utilisation de caloducs, néanmoins cette solution ne permet d'assurer qu'imparfaitement un retour courant structure. Selon cette solution, 15 la résine dopée est devenue légèrement conductrice électriquement, ce qui simplifie déjà la mise en oeuvre de la métallisation (pas d'opération de grattage nécessaire contrairement aux composites standards), mais pas suffisamment pour s'affranchir de pistes de métallisation afin d'assurer le retour courant. 20 C'est pourquoi, la présente invention a pour objet une nouvelle structure mécanique composite à tenue mécanique renforcée et dont la conductivité thermique et la conductivité électrique sont également améliorées. L'originalité de cette structure réside dans l'utilisation de nanofeuillets de graphène en tant que charge de la résine, de structure 25 plane, pouvant présenter des surfaces spécifiques plus grandes que les charges actuellement proposées dans les solutions de l'art connu et notamment celle à base de nanotubes de carbone. La solution proposée dans la présente invention consiste en une structure dont les très bonnes propriétés en termes de tenue mécanique, de très bonne conductivité thermique et très bonne conductivité électrique permet ainsi d'envisager diverses applications dans des structures embarquées à bord de satellite, tels que des dissipateurs thermiques, des boitiers pour composants électroniques ou bien encore en tant que substrat pour des générateurs solaires. 3028515 Plus précisément, la présente invention a pour objet une structure composite comprenant une résine organique et des fibres de carbone, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des nanofeuillets de structure plane de graphène noyés dans ladite résine. 5 L'intérêt d'utiliser des nanofeuillets de graphène réside notamment dans les très bonnes propriétés de conductivité thermique, dues à leur grande surface spécifique, leur morphologie en feuillet, leur grand facteur de forme et leur longueur, et dans les très bonnes propriétés de conductivité électrique accrue par rapport à celle de nanotubes de carbone. En effet, les 10 dimensions des nanofeuillets de structure plane sont de l'ordre de quelques dizaines de microns, permettant d'augmenter de manière conséquente, leur surface spécifique par rapport à celles de nanotubes de carbone, pouvant comprendre une longueur de nanotube du même ordre de grandeur mais avec un diamètre beaucoup plus faible. 15 Selon une variante de l'invention, ladite structure composite comprend des empilements de quelques nanofeuillets de graphène de structure plane noyés dans ladite résine. Selon une variante de l'invention, le taux de charge massique en nanofeuillets dans la résine est compris entre 5 % et 20%. 20 Selon une variante de l'invention, la surface spécifique des nanofeuillets de graphène est supérieure ou égale à 500 m2/g, avantageusement, elle peut être supérieure à 750 m2/g. Selon une variante de l'invention, la structure comprend une succession alternée de couches comprenant une première pluralité de fibres 25 de carbone disposées suivant un alignement déterrniné, et de couches comprenant une deuxièrne pluralité de fibres de carbone disposées suivant un alignement sensiblement perpendiculaire à l'alignement de ladite première pluralité de fibres de carbone. Selon une variante de l'invention, la structure composite est 30 formée par un tissu réalisé par un enchevêtrement d'une première pluralité de fibres de carbone disposées suivant un alignement déterminé, et d'une deuxième pluralité de fibres de carbone disposées suivant un alignement sensiblement perpendiculaire à l'alignement de ladite première pluralité de fibres de carbone. 3028515 L'invention a aussi pour objet un dispositif de dissipation thermique, notamment pour application spatiale, comprenant au moins un panneau dissipatif, le panneau dissipatif comprenant au moins une peau réalisée dans la structure composite selon l'invention. 5 L'invention a aussi pour objet un dispositif de dissipation thermique comprenant au moins une peau réalisée dans la structure composite de l'invention. Selon une variante de l'invention, la peau est assemblée à un réseau de caloducs. o Selon une variante de l'invention, le panneau dissipatif comprend une peau intérieure et une peau extérieure de forme planaire disposées parallèlement l'une de l'autre et solidarisées via des éléments de structure. Selon une variante de l'invention, le dispositif de dissipation thermique comprend une peau intérieure et une peau extérieure de forme 15 planaire disposées parallèlement l'une de l'autre et solidarisées via des éléments de structure. Selon une variante de l'invention, les éléments de structure sont formés par une configuration en nid d'abeille de tubes d'aluminium. Selon une variante de l'invention, les éléments de structure sont 20 formés par une mousse conductrice. Selon une variante de l'invention, le réseau de caloducs est disposé extérieurement au panneau dissipatif en surface de la peau intérieure. Selon une variante de l'invention, le réseau de caloducs est 25 disposé intérieurement au panneau dissipatif, entre les peaux intérieure et extérieure. Selon une variante de l'invention, le réseau de caloducs comprend un ou une pluralité de caloducs de forme sensiblement tubulaire, réalisés en aluminium. 30 Selon une variante de l'invention, le réseau de caloducs comprend un ou une pluralité de caloducs de forme sensiblement tubulaire, réalisés dans un alliage d'aluminium incorporant des éléments de faible coefficient de dilatation thermique. 3028515 6 Selon une variante de l'invention, l'assemblage des caloducs aux peaux est réalisé au moyen de résine organique enrichie de nanofeuillets de structure plane de graphène. L'invention a aussi pour objet un panneau dissipatif fixe pour 5 satellite, caractérisé en ce qu'il est formé par au moins un dispositif de dissipation thermique selon l'invention. L'invention a aussi pour objet un panneau dissipatif déployable pour satellite, caractérisé en ce qu'il est formé par au moins un dispositif de dissipation thermique selon l'invention. io L'invention a encore pour objet un boitier d'équipement électronique, notamment pour application spatiale, comprenant des composants électroniques positionnés dans un contenant caractérisé en ce que ledit contenant comprend la structure composite selon l'invention. Typiquement, l'épaisseur de ladite structure composite est 15 supérieure ou égale à quelques millimètres, permettant de rigidifier ladite structure. L'invention a aussi pour objet un substrat de générateur solaire caractérisé en ce qu'il comprend une structure composite selon l'invention. Typiquement l'épaisseur de ladite structure composite est de l'ordre du 20 dixième de millimètre, ladite structure pouvant être flexible. L'invention a encore pour objet un panneau solaire comprenant un substrat de générateur solaire selon l'invention et un ensemble de cellules photovoltaïques. 25 La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 illustre un nanofeuillet de graphène utilisé dans une structure composite selon l'invention ; 30 la figure 2 fournit une représentation théorique des mécanismes de diffusion de chaleur dans les échantillons composites en fonction du facteur de forme des charges dispersées dans une résine ; - la figure 3 illustre l'évolution des performances en termes de conductivité thermique exprimée en W/m.K en fonction du taux 3028515 de charge massique dans le cas de résine chargée en nanotubes de carbone et dans le cas de résine chargée en nanofeuillets de structure plane de graphène ; la figure 4 illustre l'évolution des performances en termes de 5 conductivité électrique exprimée en Log[S 1m] en fonction du taux de charge massique dans le cas de résine chargée en nanotubes de carbone et dans le cas de résine chargée en nanofeuillets de structure plane de graphène ; - la figure 5 illustre une vue en perspective illustrant une structure 10 connue de dispositif de dissipation thermique pour un satellite de télécommunication ; - les figures 6 et 7 illustrent des vues en coupe d'un dispositif de dissipation thermique comprenant un panneau dissipatif avec la structure composite de l'invention et un réseau de caloducs, 15 dans un premier exemple de réalisation ; la figure 8 illustre une vue en coupe d'un dispositif de dissipation thermique comprenant un panneau dissipatif avec la structure composite de l'invention et un réseau de caloducs, dans un second exemple de réalisation ; 20 la figure 9 illustre un exemple de panneau solaire comprenant comme substrat une structure composite de l'invention. De manière générale, la structure composite de la présente invention comporte une résine chargée en nanofeuillets de structure plane 25 de graphène et des fibres de carbone. De manière reconnue, un nanofeuillet plan de graphène est défini comme étant un unique feuillet de carbone pur, cristallisé en une structure de nid d'abeille, d'une épaisseur de la taille d'un atome de carbone, tel que le feuillet illustré en figure 1. Sa structure fait du graphène un matériau 30 exceptionnel, combinant d'excellentes propriétés mécaniques, thermiques et électriques. Il est toutefois difficile d'obtenir expérimentalement un unique feuillet de graphène pur à 100%, présentant généralement des fonctions oxygénées à ces extrémités et/ou une certaine réagrégation des feuillets conduisant à une forme plus proche du graphite. 3028515 8 La structure composite de la présente invention peut ainsi comprendre typiquement un empilement de quelques nanofeuillets de graphène de structure plane pouvant typiquement avoir une épaisseur comprise entre 1 nm et 10 nm et une longueur de plus d'une dizaine de 5 nanomètres pouvant atteindre typiquement une longueur d'environ de quelques dizaines de microns, pouvant par exemple être de l'ordre de 25 pm de longueur, avec une largeur du même ordre de grandeur, et conduisant par exemple à une surface spécifique de 750 m2 /g. Le Demandeur a mis en évidence les résultats comparatifs 10 obtenus avec : une résine chargée en nanofibres de carbone (référencée Nanofibres Carbone) ; une résine chargée avec des nanofeuillets de structure plane de graphène, utilisée dans la présente invention (référencée 15 Graphène). Le Tableau 1 ci-après récapitule les conductivités thermiques obtenues à 10 % de charge massique et en fonction de leurs paramètres respectifs. Surface spécifique Facteur de forme Longueur des Conductivité . Théorique Observé char es thermique _ Théorique _: Observé (m2/g) 0-irn OIM (W/m.K) Nanofibres 100 300 10-20 30 REVENDICATIONS1. Structure composite comprenant une résine organique et des 5 fibres de carbone, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des nanofeuillets de structure plane de graphène noyés dans ladite résine. 2. Structure composite selon la revendication 1, caractérisé ce qu'elle comprend des empilements de quelques nanofeuillets de graphène 10 de structure plane noyés dans ladite résine. 3. Structure composite selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le taux de charge massique en nanofeuillets dans la résine est compris entre 5 % et 20%. 15 4. Structure composite selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la surface spécifique des nanofeuillets de graphène est supérieure ou égale à 500 m2/g. 20 5. Structure composite selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une succession alternée de couches comprenant une première pluralité de fibres de carbone (41) disposées suivant un alignement déterminé, et de couches comprenant une deuxième pluralité de fibres de carbone (42) disposées suivant un alignement 25 sensiblement perpendiculaire à l'alignement de ladite première pluralité de fibres de carbone (41). 6. Structure composite selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la structure composite est formée par un tissu réalisé 30 par un enchevêtrement d'une première pluralité de fibres de carbone (41) disposées suivant un alignement déterminé, et d'une deuxième pluralité de fibres de carbone (42) disposées suivant un alignement sensiblement perpendiculaire à l'alignement de ladite première pluralité de fibres de carbone (41). 35 7. Dispositif de dissipation thermique, notamment pour application spatiale, comprenant au moins un panneau dissipatif (11, 12), le panneau 3028515 15 dissipatif (11, 12) comprenant au moins une peau (211, 212) réalisée dans la structure composite selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Dispositif de dissipation thermique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la peau (211, 212) est assemblée à un réseau de caloducs (21). 9. Dispositif de dissipation thermique selon l'une des 10 revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le panneau dissipatif (11, 12) comprend une peau intérieure (211) et une peau extérieure (212) de forme planaire disposées parallèlement l'une de l'autre et solidarisées via des éléments de structure (22). 15 10. Dispositif de dissipation thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les éléments de structure (22) sont formés par une configuration en nid d'abeille de tubes d'aluminium. 11. Dispositif de dissipation thermique selon la revendication 9, 20 caractérisé en ce que les éléments de structure (22) sont formés par une mousse conductrice. 12. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le réseau de caloducs (21) est 25 disposé extérieurement au panneau dissipatif (11, 12), en surface de la peau intérieure (211). 13. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le réseau de caloducs (21) est 30 disposé intérieurement au panneau dissipatif (11, 12), entre les peaux intérieure (211) et extérieure (212). 14. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que le réseau de caloducs (21) 35 comprend un ou une pluralité de caloducs de forme sensiblement tubulaire, réalisés en aluminium. 3028515 16 15. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que le réseau de caloducs (21) comprend un ou une pluralité de caloducs de forme sensiblement tubulaire, réalisés dans un alliage d'aluminium incorporant des éléments de faible coefficient de dilatation thermique. 16. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que l'assemblage des caloducs (21) aux peaux (211, 212) est réalisé au moyen de résine organique enrichie de 10 nanofeuillets de graphène de structure plane. 17. Boitier d'équipement électronique, notamment pour application spatiale, comprenant des composants électroniques positionnés dans un 15 contenant caractérisé en ce que ledit contenant comprend la structure composite selon l'une des revendications 1 à 6. 18. Boitier d'équipement électronique selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite structure composite est 20 supérieure ou égale à quelques millimètres. 19. Substrat de générateur solaire caractérisé en ce qu'il comprend une structure composite selon l'une des revendications 1 à 6. 25 20. Substrat de générateur solaire selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite structure composite est de l'ordre du dixième de millimètre, ladite structure étant flexible. 21. Panneau solaire comprenant un substrat de générateur solaire 30 selon l'une des revendications 19 ou 20 et un ensemble de cellules photovoltaïques.