Transcript Fils Céramiques : disponibilités et limites

Fils Céramiques :
disponibilités et limites
LSEE Béthune
Gabriel Vélu, Daniel Roger, Stéphane Duchesne, Sonia Ait-Amar
Serghei Savin, Dorin Cosonac, Sylvain Babizc, Vadim Iosef
Contexte :
Conducteurs pour machines à hautes températures
• Matériaux candidats
gamme de T°
– Polyimide + fibre de verre
– Fils d’aluminium anodisés
– Fils Cu nickelés, isolés céramique
– Fils guipés Mica + fibre de verre
250°C
400°C
500°C
800°C
Fils isolés céramique:
• Fils céramiques identifiés sur le marché :
5 fournisseurs répertoriés :
 Ceramawire (USA)




CGP (Fr)
Karl Shupp (CH)
California Fine Wire Company
Fujikura (Jp)
Testé
Testé
non testé (idem CGP)
non testé
pas dispo en Europe.
Fils « émaillés » HT°
Commercialisés
Insulation
NC
Ceramics
PbO, TiO2,
SiO2, MgO2
Reference
CERAFIL 500
Kulgrid 28
Nickel 205
KD 500
PbO, SiO2,
Bi2O3, ZnO
Cercal
Al2O3, SiO3
Alcal
NC
Anodisation
CEW
DGCEW
-
Conductor
Temperature
Diameter
Nickel Clad -90°C +500°C 0.10 mm Copper
(peak +1000°C) 1.00 mm
27% Nickel
0.102 mm Clad Copper -267°C +537°C 1.02 mm
(peak +815°C)
0.071 mm Ni
0.511 mm
Nickel-plated -90°C +500°C 0.10 mm Copper
(peak +600°C) 1.00 mm
Nickel Clad
+590°C (peak
Copper and
+700°C)
others types
Platinum, Gold +700°C (peak
and others
+870°C)
Nickel-plated
+500°C
Copper
Al Pur
+ 400°C
< 0.254
mm
NC
-
thermal
Voltage
conductivity
rating/Test Manufacturer
(W/m.°C)
voltage
CGP –
(U0/U)
Compagnie
100V(dc)
Générale des
200 V(ac)
Plastiques
150 VDC (<
Ø
0.203mm) Ceramawire
200 VDC
(others)
(U0/U)
Karl Schupp
100V(dc)
AG
200 V(ac)
600 VDC
2 to 4
Increase
due to
insulation
20µm
California
Fine Wire
Company
/400 - 800
Fujikura Ltd.
V
250 V
40µm max
Anofol
6 to 10 Typiquement
5 à 10 µm
Etat de surface
• Imagerie en électron rétrodiffusés :
Fissures et composition inhomogène
Eléments présents :
Ti, Ca, Si, Al, Mg
composition inhomogène
Ti, Ca, Pb, Si, Al, Mg, Co, Mn.
Microscopie (BSE)
Microscopie optique
Epaisseur couche
polyimide : 28µm
CEW
Ø 1 mm
Epaisseur couche
céramique : 21µm
Epaisseur
couche
fibre-de-verre :
115µm
DGCEW
Ø 1 mm
Epaisseur
couche
polyimide :
20µm
Epaisseur
couche
céramique :
40µm
Microscopie d’Aluminium
Particularités du fil céramiques
Rayon de courbure : 15 fois le diamètre du fil !
 Impossibilité d’utiliser des échantillons de paires torsadées
 Essais sur un cylindre métallique de différents diamètres
Contact fils cylindre assuré par une force de traction (masse
ajoutée au cylindre)
 Mesure entre fils et cylindre (1 seule épaisseur d’isolant)
Dans la norme CEI 60212
Dans la pratique
Caractérisation électriques
Fil ceramawire sur cylindre  = 50mm
180
12
160
10
140
120
8
100
Cp, pF
PDIV, V
6
80
Rp, MΩ
60
4
40
Cp
20
PDIV
2
Rp
0
0
0
50
100
150
200
Temperature, °C
Humidité (T> 100°C)
Pertes diélectriques augmentent avec la température
250
300
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
60
50
40
30
20
10
0
Rp
Cp or PDIV
Fil cérafil (Ø:1mm) sur un cylindre de 12mm
-10
-20
Cp (pF)
0
50
PDIV (V)
Rp (MΩ)
-30
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Temperature, °C
Même résultats avec un test sur cylindre de 10 mm de diamètre.
Sensibilité à l’humidité (T> 100°C)
Pertes diélectriques augmentent avec la température de <0.1% @ RT to 1.4% @ 500°C and
3.2% @ 600°C
Fils CEW et DGCEW
27
25
CEW
Cp (pF)
23
21
DGCEW
19
17
15
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Température (°C)
1400
1200
PDIV (V)
1000
CEW 1
DGCEW 2
800
600
400
200
0
0
100
200
300
Température (°C)
400
500
Fils CEW et DGCEW
Fil enroulé sur tube de 12 mm
60
Cp (pF)
58
CEW 1
DGCEW 2
56
54
52
50
48
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
PDIV (V)
Température (°C)
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
CEW 1
DGCEW 2
0
100
200
300
400
500
fil aluminium anodisé (Ø:1mm)
300
5
4,8
4,6
4,4
200
4,2
150
4
3,8
100
3,6
3,4
50
Cp(pF)
PDIV (V)
3,2
Rp (MΩ)
0
3
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Temperature (°C)
Bonne stabilité thermique
Pertes diélectriques : de 0.12% @ RT to 0.16% @ 350°C
Rp
PDIV or Cp
250
Caractérisation du ruban d’aluminium
350
Temperature [°C]
300
250
200
PDIV [V]
PDEV [V]
150
100
50
0
0
100
200
300
400
Voltage [V]
500
600
Caractérisation du ruban d’aluminium
600
Breakdown [V]
Voltage [V]
580
560
540
520
500
480
6
16
20
Bend radius[mm]
25
40
Conclusion
 Il existe plusieurs type de fils isolé céramique
 Tous ne sont pas optimisés pour la conception de
moteurs
 Les fils isolés céramique seule ont des propriétés
relativement faible pour nos applications
 Une surcouche PI paraît très prometteuse (+ PI ou
qualité du dépôt de céramique ou combinaison des 2
??)
 Pour une température inférieure à 400°C l’Al
anodisé est aussi un candidat intéressant, même si
pour le moment, sa forme semble être assez
limitée.