Brevet FR3050066A1 — publié le 20171013

CÂBLE ÉLECTRI QUE PRÉSENTANT UNE RÉSI STANCE À LA CORROSI ON GALVANI QUE AM ÉLI ORÉE L'invention concerne un élément électriquement conducteur allongé bimétal cuivre-aluminium, un câble comprenant au moins un tel élément 5 électriquement conducteur allongé et un dispositif comprenant un tel câble électrique et au moins un connecteur métallique. L'invention s'applique typiquement mais non exclusivement aux câbles de transport de données et aux câbles électriques destinés au transport d'énergie, notamment aux câbles d'énergie à basse tension (notamment 10 inférieure à 6kV) ou à moyenne tension (notamment de 6 à 45-60 kV) ou à haute tension (notamment supérieure à 60 kV, et pouvant aller jusqu'à 800 kV), qu'ils soient en courant continu ou alternatif, dans les domaines de l'aéronautique, de l'automatisme, du bâtiment, du médical, de l'exploitation minière, pétrolière ou gazière, des réseaux électriques aérien, sous-marin, 15 terrestre ou ferroviaire, du transport ferroviaire ou terrestre, de la construction navale, du nucléaire ou encore des énergies renouvelables. Plus particulièrement, l'invention concerne un élément électriquement conducteur présentant une résistance à la corrosion galvanique améliorée, induisant une amélioration de la tenue mécanique des connecteurs et/ou 20 accessoires généralement connectés à un tel élément électriquement conducteur et le maintien du contact électrique entre un tel élément électriquement conducteur et lesdits connecteurs et/ou accessoires. Il est connu de remplacer le cuivre, généralement utilisé dans les conducteurs électriques de câbles électriques, par de l'aluminium afin de 25 réduire leur coût de production et leur poids. Toutefois, l'utilisation de l'aluminium est limitée par ses mauvaises propriétés de contact électrique En effet, l'aluminium en contact avec l'oxygène de l'air s'oxyde naturellement pour former une fine couche d'alumine isolante (oxyde d'aluminium A1203) à la surface de l'aluminium. Cette couche protège l'aluminium de la corrosion mais 30 présente l'inconvénient de s'opposer au passage du courant à l'endroit où le conducteur est raccordé aux différents appareils ou aux jonctions d'un circuit électrique. En particulier, cette couche se crée dans les zones de connexion 3050066 2 (i.e. dans les zones de contact connecteur-conducteur), ce qui empêche le courant de passer du conducteur au connecteur (e.g. cosse de sertissage). Le connecteur peut être destiné à conduire des courants d'intensités et de tensions très variées, voire élevées lorsqu'il relie des câbles électriques. Les 5 conditions d'environnement (e.g. dilatation thermique différentielle, vibrations, etc..) peuvent faire évoluer cette couche d'oxyde sous l'effet du passage du courant et entraîner une rupture de contact dans le cas de faibles courants, un échauffement dans le cas de forts courants, ou un incendie. En effet, si l'échauffement des conducteurs est trop important, la couche électriquement 10 isolante peut fondre jusqu'à atteindre la température de fusion de l'aluminium, induisant l'initiation d'un incendie, et éventuellement sa propagation. Par ailleurs, les connecteurs généralement utilisés dans le domaine des câbles électriques pour relier les conducteurs électriques classiques en cuivre ou en alliage de cuivre sont en cuivre ou en alliage de cuivre recouvert d'une 15 fine couche d'étain, d'argent, d'or et/ou de nickel. Cependant, ces métaux présentent une différence de potentiel galvanique avec l'aluminium, et en présence d'humidité, notamment saline, l'aluminium est très rapidement corrodé. Ce phénomène est couramment appelé corrosion galvanique et provient de la combinaison des trois conditions suivantes : la présence d'au 20 moins deux métaux de natures différentes et présentant un potentiel d'oxydoréduction différent ; la mise en contact électrique de ces deux métaux ; et la présence d'eau agissant comme électrolyte et recouvrant les deux métaux. Il se forme alors une pile galvanique (en court-circuit) et la corrosion galvanique de l'aluminium se produit. 25 Une solution bien connue est de rendre étanche les zones de contact connecteur-conducteur d'aluminium avec de la graisse et des manchons, empêchant ainsi l'eau et l'oxygène de pénétrer dans ces zones. Toutefois, cette solution est coûteuse. D'autres solutions pour tenter de limiter le problème de corrosion 30 galvanique consistent à revêtir un conducteur en aluminium avec une couche de métal ayant un potentiel galvanique identique ou proche de celui utilisé pour fabriquer le connecteur, par exemple avec une fine couche de nickel, 3050066 3 d'étain, de zinc ou de cuivre déposée par électrodéposition, ou avec une fine couche de cuivre déposée par plaquage ou par la technique de roulage-soudage (commercialisé sous la référence CCA 10% ou 15% pour « copper clad aluminum 10% or copper clad aluminum 15% »). En particulier, EP1693857 Al décrit un conducteur électrique comportant une âme en aluminium ou en alliage d'aluminium revêtue d'une couche métallique en alliage d'étain et de zinc. Cependant, les étapes de dépôt de la couche de revêtement précitées (électrodéposition, plaquage, roulage-soudage) présentent un coût de production élevé. Par ailleurs, bien que ces solutions permettent de diminuer la vitesse de corrosion galvanique, elles n'empêchent pas le phénomène de corrosion galvanique en tant que tel. Quelle que soit la solution employée, l'aluminium se corrode plus ou moins vite et cela a pour conséquence une diminution de la tenue mécanique des connecteurs. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur et de fournir un conducteur électrique qui présente une résistance à la corrosion galvanique améliorée, et ainsi une amélioration de la tenue mécanique des connecteurs et un maintien du contact électrique, sans avoir à modifier de façon conséquente les connecteurs habituellement utilisés. L'invention a donc pour objet un élément électriquement conducteur allongé comprenant une âme en aluminium ou en alliage d'aluminium et une couche de cuivre ou d'alliage de cuivre entourant ladite âme en aluminium ou en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que la couche de cuivre ou d'alliage de cuivre représente un volume supérieur à 30% environ du volume de l'élément électriquement conducteur allongé. Grâce à cette couche de cuivre ou en alliage de cuivre ayant un volume supérieur à 30% environ entourant ladite âme en aluminium ou en alliage d'aluminium, l'épaisseur de cuivre ou en alliage de cuivre est suffisante pour que la résistance à la corrosion galvanique de l'élément électriquement conducteur allongée soit améliorée. La couche de cuivre ou d'alliage de cuivre peut représenter un volume inférieur ou égal à 90% du volume de l'élément électriquement conducteur 3050066 4 allongé. Selon une forme de réalisation de l'invention, la couche de cuivre ou en alliage de cuivre représente au moins 35% en volume environ, de préférence de 40 à 80% en volume environ, de préférence encore de 45 à 5 70% en volume environ, et de préférence encore 50 à 65% en volume environ, du volume de l'élément électriquement conducteur allongé. Si la quantité de cuivre est supérieure à 80% en volume environ, l'élément électriquement conducteur allongé de l'invention présente un coût de production trop élevé. Si la quantité de cuivre est inférieure ou égale à 30% 10 en volume environ, l'élément électriquement conducteur allongé de l'invention n'a pas une résistance à la corrosion galvanique suffisante, notamment dans les environnements agressifs. Dans l'invention, l'expression « élément électriquement conducteur allongé » signifie un élément électriquement conducteur présentant un axe 15 longitudinal. En particulier, l'élément électriquement conducteur est allongé car il a subi au moins une étape de tréfilage (étape de déformation à froid, notamment à travers des filières en diamant). Dans un mode de réalisation particulier, la couche de cuivre ou en alliage de cuivre est la couche la plus externe de l'élément électriquement 20 conducteur allongé. Dans l'invention, l'expression « ladite couche de cuivre est la couche la plus externe de l'élément électriquement conducteur allongé » signifie que la couche de cuivre de l'élément électriquement conducteur allongé de l'invention n'est recouverte par aucune autre couche métallique. 25 En d'autres termes, l'ensemble de la surface extérieure de la couche de cuivre (i.e. l'ensemble de la surface la plus éloignée de l'élément électriquement conducteur allongé) n'est recouverte par aucune autre couche métallique. Toutefois, il est également possible selon l'application envisagée, que 30 la couche de cuivre ou en alliage de cuivre soit recouverte par une couche métallique comprenant un métal choisi parmi l'étain, l'argent, le nickel, l'or, un 3050066 5 alliage des métaux précités et un de leurs mélanges. Cette couche métallique est alors la couche la plus externe de l'élément électriquement conducteur allongé et permet d'améliorer le contact électrique avec le connecteur comme cela est réalisé couramment. 5 La couche de cuivre ou en alliage de cuivre s'étend notamment le long de l'axe longitudinal de l'élément électriquement conducteur allongé. La couche de cuivre ou en alliage de cuivre a de préférence une surface sensiblement régulière. Ainsi, la couche de cuivre ou en alliage de cuivre forme une enveloppe continue (sans irrégularités ou sans rugosité) 10 entourant ladite âme en aluminium ou en alliage d'aluminium. L'élément électriquement conducteur allongé a un diamètre extérieur allant de 0,01 à 30 mm environ, et de préférence allant de 0,05 à 8 mm. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la couche de cuivre ou en alliage de cuivre est directement en contact (i.e. en contact 15 physique direct) avec l'âme en aluminium ou en alliage d'aluminium. En d'autres termes, l'élément électriquement conducteur allongé de l'invention ne comprend pas de couche(s) intermédiaire(s) positionnée(s) entre l'âme en aluminium ou en alliage d'aluminium et la couche de cuivre ou en alliage de cuivre. 20 L'âme en aluminium ou en alliage d'aluminium présente de préférence une forme de section transversale ronde. La teneur en aluminium de l'alliage d'aluminium peut être d'au moins 95,00% en masse environ, de préférence d'au moins 98,00% en masse environ, et de préférence encore d'au moins 99,50% en masse environ. 25 La teneur en cuivre de l'alliage de cuivre peut être d'au moins 95,00% en masse environ, de préférence d'au moins 98,00% en masse environ, et de préférence encore d'au moins 99,50% en masse environ. L'élément électriquement conducteur allongé conforme au premier objet de l'invention peut être fabriqué par un procédé comprenant au moins 30 une étape de formation d'une couche de cuivre ou en alliage de cuivre autour 3050066 6 d'une âme en aluminium ou en alliage d'aluminium par électrodéposition, plaquage, roulage-soudage, extrusion ou encore par coulée continue. Ces procédés sont bien connus de l'homme du métier. L'âme en aluminium ou en alliage d'aluminium et la couche de cuivre 5 ou en alliage de cuivre sont tels que définis dans le premier objet de l'invention. Le choix de la technique utilisée pour revêtir l'âme en aluminium ou en alliage d'aluminium d'une couche de cuivre ou d'alliage de cuivre va dépendre des propriétés mécaniques de l'élément électriquement conducteur allongé 10 que l'on souhaite obtenir. En particulier, une étape de recuit peut être utile si l'on souhaite améliorer les propriétés d'allongement de l'élément électriquement conducteur allongé, mais cela va diminuer sa résistance mécanique. La présente invention a pour deuxième objet un câble électrique 15 comprenant au moins un élément électriquement conducteur allongé tel que défini dans le premier objet de l'invention, et au moins une couche polymère entourant ledit élément électriquement conducteur allongé. Dans un mode de réalisation préféré, ladite couche polymère est directement en contact avec la couche de cuivre de l'élément électriquement 20 conducteur allongé. Elle peut également être en contact physique direct avec la couche métallique telle que définie dans le premier objet de l'invention. La couche polymère peut être une couche électriquement isolante. Dans la présente invention, l'expression « couche électriquement 25 isolante » signifie une couche dont la conductivité électrique peut être d'au plus 1.10-8 S/m environ (à 25°C en courant continu). Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, la couche polymère comprend un matériau polymère choisi parmi les polymères réticulés et non réticulés, les polymères du type inorganique et du 30 type organique. 3050066 7 Le matériau polymère peut être un homopolymère ou un copolymère ayant des propriétés thermoplastiques et/ou élastomères. Les polymères du type inorganique peuvent être des polyorganosiloxanes. 5 Les polymères du type organique peuvent être des polyoléfines, des polyuréthanes, des polyamides, des polyesters, des polyvinyliques ou des polymères halogénés tels que des polymères fluorés (e.g. polytétrafluoroéthylène PTFE) ou des polymères chlorés (e.g. polychlorure de vinyle PVC). 10 Les polyoléfines peuvent être choisies parmi les polymères d'éthylène et de propylène. A titre d'exemple de polymères d'éthylène, on peut citer les polyéthylènes linéaires basse densité (LLDPE), les polyéthylènes basse densité (LDPE), les polyéthylènes moyenne densité (MDPE), les polyéthylènes haute densité (HDPE), les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), les 15 copolymères d'éthylène et d'acrylate de butyle (EBA), d'acrylate de méthyle (EMA), de 2-hexyléthyl acrylate (2HEA), les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines tels que par exemple les polyéthylène-octène (PEO), les copolymères d'éthylène et de propylène (EPR), les copolymères d'éthylène/éthyle acrylate (EEA), ou les terpolymères d'éthylène et de 20 propylène (EPT) tels que par exemple les terpolymères d'éthylène propylène diène monomère (EPDM). Dans la présente invention, l'expression « polyéthylène basse densité » signifie un polyéthylène ayant une densité allant de 0,91 à 0,925 environ. Dans la présente invention, l'expression « polyéthylène haute densité » 25 signifie un polyéthylène ayant une densité allant de 0,94 à 0,965 environ. La couche polymère est, de préférence, une couche extrudée par des techniques bien connues de l'homme du métier. Le câble électrique de l'invention est de préférence un câble d'énergie à basse tension (notamment inférieure à 6kV) ou à moyenne tension 30 (notamment de 6 à 45-60 kV). 3050066 8 Le câble de l'invention peut comprendre plusieurs éléments électriquement conducteurs allongés conformes au premier objet de l'invention, notamment sous la forme d'un toron. Selon une première variante, la couche polymère entoure lesdits 5 éléments électriquement conducteurs allongés. Selon une deuxième variante, les éléments électriquement conducteurs allongés sont individuellement isolés et le câble comprend plusieurs couches polymères telles que définies ci-dessus, chacune des couches polymères entourant individuellement chacun des éléments 10 électriquement conducteurs allongés. Le câble électrique conforme au deuxième objet de l'invention, peut être fabriqué selon un procédé comprenant au moins les étapes suivantes : a. fabriquer au moins un élément électriquement conducteur allongé selon un procédé de fabrication tel que défini dans l'invention, et 15 b. extruder une couche polymère, autour de l'élément électriquement conducteur allongé tel que fabriqué à l'étape précédente, pour former un câble électrique. La couche polymère est telle que définie dans le deuxième objet de l'invention. 20 La présente invention a pour troisième objet un dispositif comprenant un câble électrique conforme au deuxième objet de l'invention et au moins un connecteur métallique, caractérisé en ce que le connecteur métallique est connecté à au moins un élément électriquement conducteur allongé conforme au premier objet de l'invention. 25 Le connecteur peut être une cosse de sertissage, et en particulier une cosse standard cuivre étamé, de préférence à oeillet. Ainsi, au sein dudit dispositif, la tenue mécanique du connecteur est améliorée et le maintien du contact électrique connecteur-élément électriquement conducteur allongé est assuré. 3050066 9 La figure 1 représente de manière schématique une structure, en coupe transversale, d'un câble électrique selon l'invention. La figure 1 montre un câble électrique (1) conforme à l'invention comprenant un élément électriquement conducteur allongé comprenant une 5 âme en aluminium ou en alliage d'aluminium (2) et une couche de cuivre ou d'alliage de cuivre (3) entourant ladite âme en aluminium ou en alliage d'aluminium (2) ; et une couche polymère (4) entourant ledit élément électriquement conducteur allongé (2, 3). D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 10 apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif. EXEMPLES Exemple 1 : fabrication d'éléments électriquement conducteurs 15 allongés conformes à l'invention et non conformes à l'invention Dans cet exemple, trois éléments électriquement conducteurs allongés A, B et C ont été comparés avec différentes teneurs volumiques en cuivre : - un élément électriquement conducteur allongé A : toron comprenant 7 fils de 0,302 mm de diamètre, soit une section transversale totale de 0,5 20 mm2. - un élément électriquement conducteur allongé B : toron comprenant 7 fils de 0,674 mm de diamètre, soit une section transversale totale de 2,5 mm2, et - un élément électriquement conducteur allongé C: fil unitaire de 1,45 25 mm de diamètre, soit une section transversale totale de 1,65 mm2. Les teneurs volumiques en cuivre de chacun des éléments électriquement conducteurs allongés A, B et C étaient: - pour les éléments électriquement conducteurs allongés comparatifs (i.e. non conformes à l'invention) de : 0% (aluminium pur) (conducteurs A-0, 3050066 10 B-0, C-0), 10% (conducteurs A-10, B-10, C-10), 30% (conducteurs A-30, B-30, C-30) ou 100% (conducteurs A-100, B-100, C-100), et - pour les éléments électriquement conducteurs allongés conformes à l'invention) de : 45% (conducteurs A-45, B-45, C-45), 60% (conducteurs A5 60, B-60, C-60) ou 80% (conducteur C-80). Les différents conducteurs ont été préparés selon les étapes suivantes : i) une étape de tréfilage à température ambiante, de manière à obtenir des fils d'aluminium (aluminium commercialisé sous la référence A11350), des 10 fils d'aluminium revêtus de 10% en volume de cuivre par rapport au volume total aluminium + cuivre (aluminium + cuivre commercialisé sous la référence CCA10), ou des fils de cuivre (cuivre électrolytique commercialisé sous la référence ETP1) ; ii) une étape de dépôt de cuivre sur les fils de CCA10 de l'étape i), par 15 électrodéposition pour atteindre le % volumique de cuivre désiré, ladite électrodéposition étant réalisée en utilisant : - un bain de cuivrage à base d'acide méthane sulfonique commercialisé sous la référence Copper Gleam RG10 qui est un bain de cuivrage, - une densité de courant de 30 A/dm2 avec une tension inférieure à 5 volts, 20 - une température du bain entre 45 et 55°C, et - une vitesse de dépôt de l'ordre de 6 pm/min ; iii) une étape de recuit des fils de CCA10 revêtus de cuivre à une température de 250°C, pendant 2 heures ; iv) une étape de toronnage pour les conducteurs de type A et B ; 25 v) une étape de découpage des torons ou des fils en échantillons de 15 cm de longueur ; vi) une étape de gainage des échantillons avec une gaine thermorétractable en polyoléfine présentant une température de réticulation à 105°C ; et 3050066 11 vii) une étape de sertissage de cosses standard cuivre étamé à oeillet (connecteurs) aux extrémités des échantillons. La figure 2 montre l'élément électriquement conducteur allongé B-45 conforme à l'invention (figure 2a) et par comparaison l'élément électriquement 5 conducteur allongé B-10 non conforme à l'invention (figure 2b). La figure 3 montre une coupe micrographique transversale de l'élément électriquement conducteur allongé B-45 conforme à l'invention (figure 3a) et par comparaison une coupe micrographique transversale de l'élément électriquement conducteur allongé B-10 non conforme à l'invention 10 (figure 2b), lorsque ceux-ci ont subi une exposition au brouillard salin pendant 48h, 88h, 176h et 360h. La figure 4 montre la tenue mécanique des cosses par essai de traction (en Newton N) en fonction du temps d'exposition au brouillard salin (en heures) pour les conducteurs A-0 (courbe avec les ronds), A-10 (courbe avec 15 les carrés), A-30 (courbe avec les triangles), A-45 (courbe avec les losanges), A-60 (courbe avec les croix) et A-100 (courbe avec les pointillés). D'après la figure 4, on peut conclure que la tenue mécanique des cosses est nettement améliorée pour les câbles conformes à l'invention (teneur volumique de cuivre supérieure à 30% du volume du conducteur) 20 même après 360 heures de brouillard salin. Ainsi, même si une certaine corrosion est observée (cf. figure 3), la tenue mécanique des cosses est garantie dans le temps, ce qui n'est pas le cas de celle des câbles comparatifs qui chute dès 60 heures d'exposition (cf. conducteur A-30). 25 REVENDICATIONS1. Elément électriquement conducteur allongé comprenant une âme en aluminium ou en alliage d'aluminium et une couche de cuivre ou d'alliage de cuivre entourant ladite âme en aluminium ou en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que la couche de cuivre ou d'alliage de cuivre représente un volume supérieur à 30% du volume de l'élément électriquement conducteur allongé. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de cuivre représente de 40 à 80% en volume, du volume de l'élément 10 électriquement conducteur allongé. 3. Elément selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche de cuivre ou d'alliage de cuivre est la couche la plus externe de l'élément électriquement conducteur allongé. 4. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il a un diamètre extérieur allant de 0,01 à 30 mm. 5. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de cuivre ou d'alliage de cuivre est directement en contact avec l'âme en aluminium ou en alliage d'aluminium. 6. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que la teneur en aluminium de l'alliage d'aluminium est d'au moins 95,00% en masse. 7. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en cuivre de l'alliage de cuivre est d'au moins 95,00% en masse. 25 8. Câble électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément électriquement conducteur allongé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 7 et au moins une couche polymère entourant ledit élément électriquement conducteur allongé. 9. Câble électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la 30 couche polymère est une couche électriquement isolante. 3050066 13 10. Câble électrique selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la couche polymère comprend un matériau polymère choisi parmi les polymères réticulés et non réticulés, les polymères du type inorganique et du type organique. 5 11. Dispositif comprenant un câble électrique tel que défini à l'une quelconque des revendications 8 à 10 et au moins un connecteur métallique, caractérisé en ce que le connecteur métallique est connecté à au moins un élément électriquement conducteur allongé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 7.10