FR3143943A1 - Procédé de réalisation de ligne électrique sur un substrat métallique et susbtrat obtenu par un tel procédé - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un procédé de réalisation d’une piste électriquement conductrice sur un substrat métallique, en particulier une pièce de structure ou d’habitacle d’un véhicule tel qu’un aéronef. Ce procédé comprend la formation (11) d’une couche diélectrique superficielle d’épaisseur au moins 30 µm sur une surface du substrat, par traitement du substrat par oxydation micro-arcs, puis le dépôt par projection (15) d’un matériau électriquement conducteur sur cette couche diélectrique superficielle afin de réaliser ladite piste électriquement conductrice. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

PROCÉDÉ DE RÉALISATION DE LIGNE ÉLECTRIQUE SUR UN SUBSTRAT MÉTALLIQUE ET SUSBTRAT OBTENU PAR UN TEL PROCÉDÉ

La présente invention s’inscrit dans le domaine de l’électrification des structures, mettant plus spécifiquement en œuvre les technologies de l’électronique imprimée.

Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de réalisation d’une piste électriquement conductrice sur la surface d’un substrat métallique, ainsi qu’un substrat métallique susceptible d’être obtenu par un tel procédé.

La présente invention trouve application dans tout domaine nécessitant l’installation de lignes électriques dans des structures pour y assurer le bon fonctionnement d’équipements, en particulier, mais non limitativement, dans le domaine du transport, et plus particulièrement du transport aérien.

Dans ce domaine en particulier, les nouvelles générations d’avions de ligne ont vu apparaitre l’électrification de fonctions qui étaient auparavant de type hydraulique, pneumatique ou mécanique. Le câblage électrique nécessaire à l’alimentation électrique des différents équipements est de ce fait devenu un des éléments primordiaux de l’architecture d’un avion. Un réseau important de câbles électriques, regroupés en harnais, doit ainsi être installé dans la cabine, dans les sièges, au plafond ou encore dans les cloisons de l’appareil. L’impact sur le processus de fabrication industriel est considérable et génère des coûts d’installation supplémentaires. Cette électrification massive a notamment conduit à une augmentation de la part du poste « câblage » sur le poids total et le volume interne de l’avion, dans le temps même où la mise en œuvre des matériaux composites visait au contraire à diminuer le poids général de la structure, et où le volume utile de la cabine se réduisait. En outre, au gré des demandes de personnalisation ou d’ajout d’options des compagnies aériennes, les avions peuvent voir leur besoin en câblage électrique modifiéa posteriori, générant là encore un coût conséquent pour la mise en œuvre des adaptations nécessaires.

Afin de diminuer le poids de l’installation électrique et le volume qu’elle occupe dans un véhicule, il a été proposé par l’art antérieur de recréer une architecture de câblage électrique par des revêtements de surface électriquement conducteurs appliqués, par les technologies de l’électronique imprimée, sur des pièces d’habitacle ou de structure du véhicule, en prenant en compte plusieurs contraintes liées à ce domaine d’application. D’une part, de telles pièces sont fréquemment formées en matériau métallique, si bien qu’il est nécessaire d’intercaler un revêtement électriquement isolant entre elles et les pistes électriquement conductrices devant être élaborées à leur surface. D’autre part, des intensités de courant moyennes à fortes, de plusieurs dizaines d’ampères, doivent pouvoir être véhiculées par ces pistes, ce qui requiert notamment qu’elles soient denses et épaisses et/ou présentent une surface importante. Leur élaboration en surface de la pièce nécessite par conséquent la mise en œuvre de techniques de dépôt relativement agressives pour cette dernière.

Pour atteindre ces objectifs, le document WO 2016/107918 propose par exemple de former des pistes électriquement conductrices sur un substrat métallique préalablement recouvert d’un revêtement isolant comprenant au moins un pli de fibres de verre dans une matrice durcie d’un polymère organique. Ce procédé met en œuvre deux étapes successives de dépôt d’un matériau métallique électriquement conducteur sur le revêtement isolant, plus particulièrement une première étape de projection à la flamme oxygaz pour constituer une couche d’accroche et de protection mécanique du revêtement isolant, et une deuxième étape de projection à froid pour former les pistes conductrices en elles-mêmes. Ce procédé est, d’une part, long à mettre en œuvre, et, d’autre part, l’adhésion des pistes conductrices sur le revêtement isolant reste peu satisfaisante, ce qui limite notamment l’épaisseur de matériau électriquement conducteur pouvant être obtenue et la densité du dépôt, et, par voie de conséquence, l’intensité de courant pouvant être véhiculée par les pistes.

La présente invention vise à remédier aux inconvénients des procédés proposés par l’art antérieur pour la réalisation de pistes électriquement conductrices en surface de substrats métalliques, notamment aux inconvénients exposés ci-avant, en proposant un tel procédé qui permette, en un nombre minimal d’étapes, de former sur de tels substrats des pistes électriquement conductrices de toutes dimensions, en particulier d’épaisseur importante, présentant une densité élevée et une bonne adhérence au substrat.

Des objectifs supplémentaires de l’invention sont que ce procédé soit simple à mettre en œuvre, au moyen du matériel couramment disponible dans les usines de traitement de surface des pièces, et le plus respectueux de l’environnement possible.

A cet effet, il est proposé selon la présente invention un procédé de réalisation d’une piste électriquement conductrice sur un substrat métallique, qui comprend des étapes successives de :
- formation sur une surface du substrat d’une couche diélectrique superficielle d’épaisseur au moins 30 µm par traitement du substrat par oxydation micro-arcs (OMA),
- et dépôt par projection d’un matériau électriquement conducteur sur la couche superficielle ainsi formée pour réaliser ladite piste électriquement conductrice.

Une pluralité de pistes électriquement conductrices peuvent être ainsi élaborées sur le substrat, selon toute architecture souhaitée, en fonction de l’utilisation prévue pour le substrat et des besoins en alimentation électrique de la structure dans laquelle il est destiné à être intégré. Il en résulte avantageusement un gain de volume et de poids au sein de cette structure, par rapport aux solutions utilisant des câbles électriques. Le gain en poids est d’autant plus élevé qu’il n’est alors nul besoin d’avoir recours aux organes classiquement utilisés pour le maintien de tels câbles, tels que des goulottes, colliers, supports, etc.

Ces pistes électriquement conductrices peuvent avantageusement être formées sur le substrat en usine, dans le cadre d’une fabrication en série, chacune de ces pistes pouvant ensuite être ou non utilisée pour véhiculer du courant électrique au sein de la structure, en fonction des spécificités requises pour le flux de courant électrique au sein de cette dernière. Une telle modularité permet en outre d’effectuer facilement des modifications ultérieures de l’architecture électrique opérante de la structure, par mise en service de pistes supplémentaires ou déconnexion de pistes précédemment utilisées.

La couche superficielle formée sur une surface du substrat par la technique d’oxydation micro-arcs est essentiellement constituée d’oxydes, en particulier d’oxydes du métal entrant dans la constitution du substrat. Cette couche superficielle de type céramique, d’épaisseur au moins 30 µm, présente avantageusement des propriétés diélectriques assurant une isolation électrique efficace entre le substrat et la piste électriquement conductrice. Elle présente en outre une résistance mécanique élevée. Il a été constaté par les présents inventeurs que cette résistance mécanique est suffisante pour que la couche superficielle ne se détériore pas lors de la mise en œuvre de l’étape ultérieure de projection du matériau électriquement conducteur pour la réalisation des pistes électriquement conductrices, y compris lorsque cette projection est réalisée à une forte pression telle que requise pour la formation de pistes épaisses et de haute densité permettant le passage de fortes puissances électriques. L’adhérence des pistes électriquement conductrices ainsi formées sur la couche superficielle céramique est en outre particulièrement bonne.

La couche superficielle formée sur le substrat conformément à l’invention joue en outre un rôle d’isolant thermique entre les pistes conductrices et le substrat.

Le procédé selon l’invention comporte un faible nombre d’étapes, toutes facilement réalisables dans le cadre d’une industrialisation à grande échelle, et au moyen d’équipements couramment disponibles dans les installations de traitement de surface des pièces.

Le procédé selon l’invention peut en outre répondre à l’une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-après, mises en œuvre isolément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.

Le substrat peut présenter toute forme et toutes dimensions, en fonction de l’usage auquel il est destiné.

Il est de type métallique, formé en métal oxydable ou en alliage comprenant majoritairement un métal oxydable.

On entend dans la présente description, par majoritairement, le fait que le métal représente plus de 90 % en poids de la composition de l’alliage.

Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, le substrat est formé en :
- un métal choisi parmi l’aluminium, le titane, le magnésium, le tantale, le niobium, le zirconium, le hafnium, le zinc, et l’un quelconque de leurs mélanges,
- ou en un alliage comprenant majoritairement un tel métal ou un tel mélange de métaux.

Le procédé selon l’invention peut comprendre une étape préalable de préparation de surface du substrat. Préférentiellement, lorsqu’une telle étape est réalisée, elle se limite à un dégraissage, par exemple à l’acétone. En particulier, le procédé selon l’invention est préférentiellement dépourvu d’étapes préalables de sablage, décapage, etc.

La couche diélectrique superficielle formée sur le substrat par oxydation micro-arcs présente de préférence une épaisseur comprise entre 30 et 200 µm, notamment comprise entre 80 et 200 µm, par exemple comprise entre 80 et 150 µm. Une telle épaisseur assure une bonne isolation électrique entre le substrat et les pistes conductrices. Il entre dans les compétences de l’homme du métier de choisir les paramètres opératoires à mettre en œuvre pour obtenir une épaisseur de la couche diélectrique superficielle dans de telles plages de valeurs. On entend dans la présente description, par épaisseur de la couche, son épaisseur moyenne sur toute la surface du substrat concernée, étant entendu que l’épaisseur réelle de la couche en chaque point donné de cette surface peut varier de quelques micromètres par rapport à cette valeur moyenne.

La couche diélectrique superficielle peut être formée sur une seule face, ou sur plusieurs faces, du substrat. Pour chaque face, elle peut être formée sur l’intégralité de la surface, ou sur une partie seulement, destinée à supporter les pistes électriquement conductrices.

La technique d’oxydation micro-arcs mise en œuvre selon l’invention est bien connue en elle-même. Schématiquement, elle consiste à immerger le substrat, ainsi qu’une contre-électrode, dans un milieu électrolytique, de préférence de type aqueux, et à l’anodiser avec une tension élevée afin d'atteindre la tension de claquage de la couche d'oxyde qui s’est formée à la surface du substrat dans les premiers instants du traitement. Des micro-arcs s'amorcent alors et se déplacent sur la surface immergée du substrat. Cette technique permet de créer à la surface de ce dernier une couche superficielle de type céramique ayant une structure et des propriétés physicochimiques particulières, composée d’oxydes des éléments constitutifs du substrat et incorporant des espèces chimiques initialement présentes dans le milieu électrolytique. Cette couche superficielle présente notamment une structure dense, dure à cœur et poreuse en surface, et des propriétés diélectriques. Sa résistivité électrique peut varier de 10 à plusieurs dizaines de GΩ.cm.

L’étape de traitement par oxydation micro-arcs du procédé selon l’invention peut être réalisée au moyen de tout dispositif connu de l’homme du métier. Elle peut avantageusement être réalisée de manière respectueuse pour l’environnement, sans mettre en œuvre de substances nocives pour la santé humaine.

Il entre dans les compétences de l’homme du métier de choisir les paramètres opératoires du traitement par oxydation micro-arcs à mettre en œuvre pour obtenir sur le substrat une couche superficielle d’épaisseur dans la plage de valeurs visée.

La température du milieu électrolytique est préférentiellement d’environ 20°C, cette température permettant l’obtention d’une couche superficielle de la meilleure qualité.

Le courant appliqué au substrat peut être de type continu ou pulsé, le courant pulsé étant toutefois particulièrement préféré car permettant de former une couche superficielle plus dense et de plus grande résistivité. La fréquence du courant pulsé est de préférence comprise entre 100 et 1000 Hz, de préférence comprise entre 300 et 500 Hz, par exemple égale à 400 Hz. De telles valeurs de fréquence permettent d’obtenir une densité particulièrement élevée de la couche superficielle formée.

La densité du courant appliquée est quant à elle préférentiellement comprise entre 5 et 60 A/dm², de préférence entre 10 et 60 A/dm², par exemple sensiblement égale à 40 A/dm².

La durée du traitement par oxydation micro-arcs peut être comprise entre 15 et 120 minutes.

Ainsi, dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le traitement du substrat par oxydation micro-arcs comprend l’immersion du substrat dans un milieu électrolytique aqueux et l’application audit substrat d’un courant électrique pulsé bipolaire avec une densité de courant comprise entre 10 et 60 A/dm², de préférence pendant 15 à 120 minutes.

Le milieu électrolytique mis en œuvre dans cette étape est de préférence aqueux, et préférentiellement alcalin. Il peut notamment à cet effet contenir toute substance alcaline, telle que de l’hydroxyde de potassium, de préférence dans une concentration comprise entre 0,5 et 5 g/l, par exemple sensiblement égale à 1 g/l.

Le milieu électrolytique peut contenir un ou plusieurs sels, notamment choisis parmi les sels de silicium, tels que le silicate de sodium Na₂SiO₃, les sels d’aluminium, tels que l’aluminate de sodium NaAlO₂, et les sels de phosphore, tels que le phosphate de sodium Na₃PO₄, ou tout autre substance permettant d’améliorer des propriétés de la couche superficielle formée sur le substrat, à laquelle elle sera intégrée lors de la formation de cette dernière. Pour chacun des sels mis en œuvre, le contre-ion peut être tout contre-ion classique en lui-même pour la mise en œuvre de la technique d’oxydation micro-arcs. Il peut par exemple s’agir du sodium ou du potassium. La concentration de chaque sel dans le milieu électrolytique peut notamment être comprise entre 0,5 et 10 g/l.

La composition exacte de la couche superficielle formée sur le substrat à l’issue de l’étape de traitement par oxydation micro-arcs dépend du métal entrant dans la constitution du substrat et de la composition du milieu électrolytique mis en œuvre. Elle peut par exemple être majoritairement formée d’alumine, de dioxyde de titane, d’oxyde de magnésium, etc.

Comme indiqué ci-avant, cette couche superficielle présente des propriétés diélectriques assurant une isolation électrique entre le substrat et la piste électriquement conductrice qui sera formée dans une étape ultérieure du procédé, ainsi que des propriétés mécaniques et d’adhérence particulièrement bonnes, ce qui permet d’utiliser des conditions opératoires plus contraignantes, notamment en termes de vitesse et pression de projection, pour le dépôt ultérieur par projection du matériau électriquement conducteur. Il peut ainsi être obtenu de plus fortes densités du matériau électriquement conducteur à la surface du substrat.

Le procédé selon l’invention peut comprendre, après la mise en œuvre de l’étape de traitement du substrat par oxydation micro-arcs, une étape optionnelle de rinçage du substrat, par exemple à l’eau, de sorte à en éliminer les traces résiduelles de milieu électrolytique. Il peut également comprendre une étape de séchage du substrat, en particulier à l’air.

Il comprend en outre de préférence une étape de masquage d’une partie de la surface de la couche diélectrique superficielle, par exemple au moyen d’un masque métallique, de sorte à ne laisser accessibles que les parties de cette surface sur lesquelles la ou les pistes électriquement conductrices sont à réaliser.

On entend dans la présente description, par matériau électriquement conducteur, un matériau de résistivité électrique inférieure ou égale à 10^-6Ω.cm.

Le matériau électriquement conducteur déposé sur la couche diélectrique superficielle pour réaliser la piste électriquement conductrice peut être formé d’un unique métal électriquement conducteur, ou d’un mélange de métaux électriquement conducteurs. Il peut notamment être choisi parmi le cuivre, l’aluminium, l’étain, l’argent, et l’un quelconque de leurs mélanges.

L’étape de dépôt du matériau électriquement conducteur sur la couche diélectrique formée en surface du substrat peut être réalisée par toute méthode de projection classique en elle-même, mettant en œuvre un gaz vecteur qui sert à accélérer et transporter de fines particules du matériau, typiquement de taille comprise entre 5 et 100 µm, sur la surface à recouvrir. Selon les techniques particulières utilisées, le matériau à déposer peut se présenter sous forme de poudre, fil ou baguette.

L’étape de dépôt du matériau électriquement conducteur peut en particulier être réalisée par une technique de projection thermique, selon laquelle le matériau est projeté à l’état fondu, sous forme de gouttelettes qui se solidifient en se déposant à la surface du substrat, l’accumulation des particules à la surface de ce dernier y créant le revêtement visé. L’apport d’énergie peut se faire de plusieurs façons, par exemple par flamme, arc électrique, plasma.

Dans des modes de réalisation préférés de l’invention, l’étape de dépôt du matériau électriquement conducteur est réalisée par la technique dite de projection à froid, des particules du matériau électriquement conducteur à l’état solide étant projetées à grande vitesse sur la couche diélectrique superficielle par un gaz sous forte pression. La pression et la vitesse de projection provoquent une déformation plastique du matériau projeté à son entrée en contact avec la surface à revêtir, la force d’impact réalisant alors le soudage à froid de ce matériau sur cette surface, et la cohésion des particules pour y former un revêtement dense. Préférentiellement, la pression de projection des particules sur le substrat, c’est-à-dire la pression du gaz utilisé pour la projection, est alors comprise entre 6 et 10 bars. Une pression dans une telle plage de valeurs est avantageusement suffisamment élevée pour permettre de former sur le substrat un dépôt dense du matériau électriquement conducteur, et présentant par voie de conséquence une bonne conductivité électrique, ceci dans d’importantes épaisseurs, ce dépôt présentant en outre une très bonne adhérence à la couche diélectrique superficielle ; sans pour autant provoquer de dégradation de la couche diélectrique présente en surface du substrat.

Ainsi, dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, le dépôt du matériau électriquement conducteur sur la couche diélectrique superficielle est réalisé par projection à froid, des particules du matériau électriquement conducteur étant projetées sur la couche diélectrique superficielle à une pression comprise entre 6 et 10 bars, de préférence comprise entre 6 et 8 bars pour diminuer plus encore le risque de dégradation de la couche diélectrique superficielle.

Lorsque le matériau électriquement conducteur est un mélange de métaux électriquement conducteurs, tels que ceux cités ci-avant, l’étape de projection à froid des particules peut comprendre la projection d’un mélange de différentes particules formées chacune d’un unique métal, et/ou la projection de particules formées chacune d’un mélange de métaux.

Les moyens matériels mis en œuvre à cet effet peuvent être de tout type classique en lui-même, comprenant en particulier une buse de projection se déplaçant au-dessus du substrat selon le parcours adéquat pour former la ou les pistes électriquement conductrices de configuration souhaitée.

Le gaz utilisé pour la projection à froid de particules du matériau électriquement conducteur sur la couche sur la couche superficielle diélectrique peut notamment être l’air, l’argon ou l’hélium, l’air étant particulièrement préféré dans le cadre de l’invention.

L’étape de projection à froid du matériau électriquement conducteur sur la couche diélectrique superficielle peut être réalisée selon l’un ou plusieurs, notamment l’ensemble, des paramètres opératoires suivants :
- température du gaz comprise entre 100 et 1100°C, de préférence comprise entre 200 et 600°C, par exemple sensiblement égale à 500°C,
- distance de projection, mesurée entre la buse de projection et la couche diélectrique superficielle, comprise entre 10 et 30 mm, par exemple sensiblement égale à 20 mm,
- et/ou vitesse de déplacement de la buse de projection au-dessus de la couche diélectrique superficielle comprise entre 5 et 100 mm/s, notamment comprise entre 5 et 60 mm/s, par exemple d’environ 30 mm/s.

De telles caractéristiques permettent d’obtenir un dépôt du matériau électriquement conducteur sur le substrat particulièrement dense et cohésif. La piste ainsi formée présente une bonne conductivité électrique, permettant le passage de courant électrique de toute intensité, y compris forte. Il a été observé par les présents inventeurs que les pistes électriquement conductrices formées conformément à l’invention présentent avantageusement une conductivité électrique supérieure ou sensiblement égale à 50 % de la conductivité électrique du matériau massif correspondant.

Une pluralité de pistes électriquement conductrices peuvent ainsi être formées sur le substrat, selon toutes formes et dimensions souhaitées. A titre d’exemple, ces pistes peuvent présenter toute épaisseur comprise entre 0,03 et 1 mm, toute largeur et toute longueur. Le procédé selon l’invention permet notamment de former sur le substrat des réseaux complexes de pistes électriquement conductrices.

Le procédé selon l’invention peut en outre comprendre une étape de fixation, aux extrémités des pistes électriquement conductrices formées conformément à l’invention, de connecteurs électriques, classiques en eux-mêmes, destinés à réaliser leur connexion électrique avec d’autres composants électriques d’une structure plus globale dans laquelle le substrat doit être intégré. Une telle fixation peut être réalisée par tout moyen connu de l’homme du métier, par exemple par mise en pression sur les pistes électriquement conductrices de connecteurs électriques munis d’un contact mécanique, ou fixation de tels connecteurs dans des perçages réalisés dans le substrat et la couche diélectrique superficielle, avant ou après la formation des pistes électriquement conductrices.

Le procédé selon l’invention comprend en outre de préférence une étape d’application d’un revêtement électriquement isolant sur les pistes électriquement conductrices qui ont été formées sur le substrat, de sorte à les isoler de l’environnement extérieur. Un tel revêtement électriquement isolant peut être formé en résine organique polymère, notamment en polyuréthane, polyépoxyde, etc., ou en matériau céramique. Il entre dans les compétences de l’homme du métier de savoir réaliser un tel revêtement électriquement isolant sur le substrat, plus spécifiquement sur les pistes électriquement conductrices formées à sa surface.

Un autre aspect de l’invention concerne un substrat métallique susceptible d’être obtenu par un procédé selon l’invention, et comportant, sur une partie au moins de sa surface, en particulier sur au moins tout ou partie de la surface d’une de ses faces, une couche diélectrique superficielle obtenue par traitement du substrat par oxydation micro-arcs, d’épaisseur au moins 30 µm, et au moins une piste en matériau électriquement conducteur, de préférence une pluralité de pistes en matériau électriquement conducteur, sur cette couche diélectrique superficielle.

La couche diélectrique superficielle obtenue par traitement du substrat par oxydation micro-arcs, de préférence selon les paramètres opératoires particuliers décrits ci-avant, est principalement formée d’oxydes du métal ou des métaux entrant dans la constitution du matériau formant le substrat. Son épaisseur peut être vérifiée par analyse du substrat par microscopie, de préférence réalisée sur une coupe transversale de ce dernier, la couche diélectrique superficielle étant identifiable par sa morphologie particulière, notamment sa couleur et sa porosité, différentes de celles du reste du substrat du fait de sa nature chimique différente. Son taux volumique de porosité est notamment compris entre 1 et 5 %, et sa densité est égale à 50 % à 90 % de la densité du matériau formant le substrat. Sa résistivité électrique, mesurable par mesure de résistance d’isolation ou de tension de claquage, de manière classique en elle-même, est en outre supérieure ou égale à 10 GΩ.cm.

La ou les pistes électriquement conductrices sont mécaniquement liées à cette couche superficielle. Elles sont de préférence telles qu’obtenues par la technique de projection à froid, selon les paramètres opératoires décrits ci-avant.

Le substrat selon l’invention peut répondre à l’une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-avant en référence au procédé selon l’invention, et qui concernent le substrat qui y est mis en œuvre.

En particulier, il peut être formé en :
- un métal choisi parmi l’aluminium, le titane, le magnésium, le tantale, le niobium, le zirconium, le hafnium, le zinc, et l’un quelconque de leurs mélanges,
- ou en un alliage comprenant majoritairement un tel métal ou un tel mélange de métaux.

L’épaisseur de la couche diélectrique superficielle peut être comprise entre 30 et 200 µm, notamment comprise entre 80 et 200 µm.

Le substrat selon l’invention peut comprendre plusieurs pistes électriquement conductrices, toutes déposées sur la couche diélectrique superficielle, ces pistes pouvant présenter toutes formes, dimensions, et agencements les unes par rapport aux autres, et pouvant être formées dans le même matériau électriquement conducteur, ou dans des matériaux électriquement conducteurs différents. Chacun des matériaux électriquement conducteur mis en œuvre est de préférence choisi parmi le cuivre, l’aluminium, l’étain, l’argent, et l’un quelconque de leurs mélanges. Les différentes pistes électriquement conductrices sont préférentiellement réalisées sur une même face du substrat.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, chaque piste électriquement conductrice s’étend sensiblement depuis un premier bord du substrat jusqu’à un deuxième bord du substrat, facilitant, à ses deux extrémités, sa connexion électrique à des composants électriques externes au substrat. Une telle connexion électrique peut notamment être assurée par des connecteurs électriques que peut comporter le substrat selon l’invention, en connexion électrique avec la piste électriquement conductrice, notamment fixés sur le substrat à chacune des extrémités de la piste électriquement conductrice.

Chaque piste électriquement conductrice présente de préférence une épaisseur comprise entre 0,03 et 1 mm.

Le substrat selon l’invention peut en outre comprendre, sur au moins une partie de sa surface, un revêtement supérieur électriquement isolant recouvrant au moins les pistes électriquement conductrices, formé en résine organique polymère ou en matériau céramique.

Le substrat selon l’invention peut être utilisé dans tous les secteurs d’activité dans lesquels un courant électrique doit être conduit, au sein d’une structure, d’un composant à un autre. Il est notamment adapté à une mise en œuvre dans les domaines de l’aéronautique et du spatial, dans lesquels le gain de poids, de volume et de modularité qu’il confère, par rapport aux solutions antérieures par câblage électrique, est particulièrement avantageux.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le substrat consiste en une pièce de structure ou d’habitacle d’un véhicule. Ce véhicule peut notamment être du type aéronautique, automobile, ferroviaire ou spatial. On inclut dans la présente, dans la catégorie des véhicules spatiaux, les satellites. Le substrat selon l’invention peut par exemple consister en une pièce de structure ou d’habitacle d’un aéronef. Il peut autrement consister en une pièce de toute construction utilisant des pièces métalliques, par exemple d’un mât d’éolienne.

Selon un autre aspect, la présente invention concerne un véhicule, notamment un aéronef, comportant une pluralité de composants électriques et, en tant que pièce constitutive, notamment pièce de structure ou d’habitacle, un substrat selon l’invention, assemblé à d’autres pièces constitutives du véhicule conformément à sa fonction habituelle. Au sein du véhicule, une première extrémité de la piste électriquement conductrice portée par le substrat est électriquement connectée à un premier composant électrique du véhicule et une deuxième extrémité de cette piste électriquement conductrice est électriquement connectée à un deuxième composant électrique du véhicule. Ces composants électriques peuvent être de tout type selon la configuration du véhicule, et notamment être d’autres pistes électriquement conductrices, par exemple portées par d’autres substrats conformes à l’invention, des équipements à alimentation électrique, des sources d’alimentation électrique, etc. Les moyens de connexion électrique de la piste électriquement conductrice aux composants électriques du véhicule peuvent être de tout type classiques en eux-mêmes.

Dans des modes de réalisation tout à fait avantageux de l’invention, le véhicule comprend une pluralité de substrats selon l’invention, agencés de manière à assurer la conduction électrique entre les différents composant électriques du véhicule.

Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lumière des exemples de mise en œuvre ci-après, fournis à simple titre illustratif et nullement limitatifs de l’invention, avec l’appui des figures 1 à 6, dans lesquelles :

La illustre de manière schématique les différentes étapes d’un procédé conforme à l’invention de réalisation d’une piste électriquement conductrice sur la surface d’un substrat métallique.

La représente de manière schématique, en vue en coupe, un substrat métallique comprenant une couche diélectrique superficielle tel qu’obtenu à l’issue de l’étape d’oxydation micro-arcs du procédé de la .

La représente de manière schématique, en vue en coupe, un substrat métallique comprenant une couche diélectrique superficielle sur laquelle est déposée une piste électriquement conductrice, tel qu’obtenu à l’issue du procédé de la .

La représente montre une vue générale schématique du substrat tel qu’obtenu à l’issue de la mise en œuvre du procédé de la .

La montre une image obtenue par microscopie électronique à balayage d’un substrat en aluminium ayant été soumis à un procédé conforme à l’invention, le matériau électriquement conducteur déposé pour former une piste électriquement conductrice étant le cuivre.

La montre une image obtenue par microscopie électronique à balayage d’un substrat en aluminium ayant été soumis à un procédé conforme à l’invention, le matériau électriquement conducteur déposé pour former une piste électriquement conductrice étant l’aluminium.

Les différentes étapes du procédé selon l’invention, pour la réalisation d’une piste électriquement conductrice sur un substrat métallique, en particulier formé en un métal valve ou un de ses alliages, sont illustrées sur la .

En première étape, cette étape pouvant être optionnelle, le procédé peut comprendre le dégraissage 10 de la surface du substrat. Ce dégraissage peut être réalisé de toute manière classique en elle-même, par exemple à l’acétone, à température ambiante. Le procédé peut également comprendre d’autres étapes de préparation de surface du substrat, classiques en elles-mêmes.

Le procédé comprend ensuite une étape 11 de traitement du substrat par oxydation micro-arcs, pour former, sur au moins une partie de la surface du substrat, notamment sur l’intégralité de la surface d’une de ses faces, plus particulièrement la face destinée à supporter les pistes électriquement conductrices, une couche diélectrique superficielle formée d’oxydes, et en particulier d’oxyde du métal entrant dans la constitution du substrat.

L’étape 16 de traitement du substrat par oxydation micro-arcs peut être réalisée au moyen de tout dispositif classique en lui-même, selon des paramètres opératoires permettant de former en surface du substrat une couche diélectrique superficielle d’épaisseur au moins 30 µm, de préférence au moins 80 µm.

Un exemple de tel dispositif, classique en lui-même, est décrit ci-après. Ce dispositif comprend une cuve contenant un milieu électrolytique aqueux, de préférence alcalin. Ce milieu électrolytique aqueux peut contenir un ou plusieurs sels, notamment de silicate, d’aluminate et/ou de phosphate, dans des concentrations comprises, pour chacun, entre 0,5 et 10 g/l. Le substrat métallique est immergé dans ce milieu électrolytique aqueux, afin d’y constituer une anode. Une contre-électrode, formant cathode, de forme complémentaire de celle de la face du substrat à traiter est également disposée dans le milieu électrolytique aqueux, en vis-à-vis de cette face. Le dispositif comporte en outre un générateur de courant électrique, associé à des moyens de contrôle du signal électrique généré classiques en eux-mêmes, et un circuit électrique reliant ce générateur de courant électrique au substrat et à la contre-électrode. Il peut également comprendre un circuit de régulation de la température du milieu électrolytique aqueux. Préférentiellement, cette température est la température ambiante, c’est-à-dire environ 20°C. Un courant, de préférence bipolaire pulsé, est appliqué au substrat de sorte à provoquer le phénomène d’oxydation micro-arcs recherché.

A l’issue de cette étape de traitement par oxydation micro-arcs, le substrat peut être soumis à une étape de rinçage 12, notamment à l’eau distillée, puis éventuellement à une étape de séchage 13, notamment à l’air.

A l’issue de ces étapes, on obtient le substrat 20 représenté de manière schématique sur la . Cette figure, de même que les figures 3 et 4, ne sont pas à l’échelle, et certains des éléments qui y sont représentés sont volontairement grossis par rapport à d’autres, pour en faciliter la représentation. Sur une de ses faces 203, ayant été disposée en vis-à-vis de la contre-électrode dans le milieu électrolytique, le substrat 20 comporte une couche superficielle 21 de type céramique, formée d’oxyde(s) métallique(s), et dont la composition exacte varie en fonction du métal ou alliage de métal formant le substrat 20, et de la composition particulière du milieu électrolytique. La couche superficielle 21 peut notamment contenir des éléments issus des sels contenus dans le milieu électrolytique. Cette couche superficielle 21 peut contenir des pores fermés 22 ou ouverts 23. Le taux volumique de porosité peut notamment être inférieur à 5 %, ce taux pouvant être déterminé par analyse d’image de microscopie électronique. Dans la configuration particulière représentée sur les figures, la couche superficielle recouvre l’intégralité de la face 203 du substrat 20.

Le procédé selon l’invention comprend ensuite de préférence une étape 14 de masquage d’une partie de la surface de la face 203 du substrat 20 portant la couche superficielle 21, afin de ne laisser accessible que la surface destinée à porter la ou les pistes électriquement conductrices. A cet effet, il peut notamment mettre en œuvre un masque métallique, qui peut par exemple être fixé sur le substrat par vissage ou clampage.

Le procédé selon l’invention comprend ensuite une étape 15 de projection, sur la surface non masquée de la face 203 du substrat 21, d’un matériau électriquement conducteur, notamment choisi parmi le cuivre, l’aluminium, l’étain ou l’argent. La technique mise en œuvre est de préférence celle de la projection à froid, au moyen d’un dispositif et selon des paramètres opératoires classiques en eux-mêmes, la pression de projection des particules du matériau électriquement conducteur étant comprise entre 6 et 8 bars.

A l’issue de cette étape, et après retrait du masque, on obtient le substrat montré de manière schématique sur la en vue en coupe, et sur la en vue générale. Une piste du matériau électriquement conducteur 24 est formée sur la couche superficielle 21. Cette couche, dont l’épaisseur peut varier entre 0,03 et 1 mm, est particulièrement dense et présente une très bonne adhérence à la couche superficielle 21. Cette adhérence peut être confirmée par toute méthode classique en elle-même, par exemple par un essai de résistance à la rayure ou par la technique de traction par pion collé. Avantageusement, la force d’adhérence est supérieure à 15 N. Bien entendu, il peut être formé selon l’invention, sur la couche superficielle 21, de la même manière, autant de pistes électriquement conductrices que souhaité.

Préférentiellement, comme montré sur la , la piste électriquement conductrice 24 s’étend, sur la face 203 du substrat dont elle est solidaire, sensiblement d’un premier bord 201 à un deuxième bord 202 du substrat 20. Lorsque le substrat 20 est assemblé dans une structure plus globale, la piste électriquement conductrice 24 peut ainsi aisément être électriquement connectée à d’autres composants électriques de la structure au niveau de ses extrémités 241 et 242 respectivement correspondantes.

A cet effet, le procédé selon l’invention comprend de préférence une étape de fixation d’un connecteur électrique à chaque extrémité de la piste électriquement conductrice 24, réalisée de toute manière classique en elle-même.

Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape de dépôt d’un revêtement électriquement isolant sur la surface sur substrat 20, de sorte à recouvrir la/les piste(s) électriquement conductrice(s) 24 afin de les protéger de l’environnement extérieur (revêtement non représenté sur les figures 3 et 4). Ce revêtement peut être formé en résine organique polymère, par exemple en polyuréthane ou polyépoxyde, ou en matériau céramique.

Des exemples particuliers de mise en œuvre du procédé selon l’invention sont décrits ci-après.

1/Exemple 1– Réalisation d’une piste de cuivre sur un substrat d’aluminium

Un substrat sous forme d’une plaque rectangulaire de dimensions 12 x 8 cm, d’épaisseur 1 mm, en alliage d’aluminium 2024T3, est soumis aux premières étapes successives suivantes conformément à l’invention :
- dégraissage à l’acétone ;
- traitement par oxydation micro-arcs. A cet effet, le substrat est plongé dans un milieu électrolytique aqueux à une température de 20°C +/- 2°C, contenant 10 g/l de silicate de sodium Na₂SiO₃et 1 g/l d’hydroxyde de potassium KOH. Une plaque d’acier oxydable également plongée dans le bain est utilisée comme contre-électrode. Un courant bipolaire pulsé est appliqué au substrat au moyen d’un générateur appliquant une densité de courant de 40 A/dm²à une fréquence de 400 Hz pendant 60 min ;
- rinçage à l’eau distillée ;
- et séchage à l’air.

On obtient à l’issue de ces étapes, sur la surface du substrat qui était disposée dans le bain en vis-à-vis de la contre-électrode, une couche superficielle principalement formée d’oxydes d’aluminium. L’épaisseur moyenne de cette couche superficielle, mesurée par Microscopie électronique à balayage (MEB) est de 90 µm.

La résistivité de cette couche superficielle est mesurée par un diélectrimètre, au moyen d’électrodes en inox de 35 mm de diamètre. On obtient une valeur de résistivité électrique de 15 GΩ.cm.

Le substrat est ensuite placé verticalement sur un support et sa surface comportant la couche superficielle d’oxydes d’aluminium est masquée au moyen d’un masque métallique comprenant une fente de 10 mm de large et 10 cm de long.

Des particules de cuivre sont projetées sur la surface du substrat laissée libre par le masque, au niveau de la fente, par la technique de projection à froid. A cet effet, les paramètres opératoires suivants sont utilisés :
- pression de projection : 6,5 bars,
- gaz : air,
- température du gaz : 500 °C,
- distance de projection : 20 mm,
- vitesse de déplacement de la buse de projection : 30 mm/s.

A l’issue de ces étapes, après retrait du masque, on obtient sur le substrat, sur la couche superficielle d’oxydes d’aluminium, une piste de cuivre de dimensions 10 mm x 10 cm.

Un revêtement 25 de polymère, plus spécifiquement de polyuréthane est ensuite déposé par aspersion sur la surface du substrat, afin de protéger la piste de cuivre 24 de l’environnement extérieur.

Une image en coupe transversale du substrat 20 acquise par microscopie à balayage électronique (MEB) est montrée sur la . On y observe la piste de cuivre 24, d’épaisseur environ 100 µm, sur la couche superficielle à base d’oxydes d’aluminium 21, ainsi que le revêtement supérieur de polymère 25.

La conductivité électrique de la piste de cuivre est mesurée au moyen d’un multimètre associé à 4 électrodes, positionnées par paires aux deux extrémités opposées de la piste. La conductivité électrique de la piste est ainsi mesurée à une valeur de 3.10⁷S/m. Cette conductivité est avantageusement supérieure à 50 % de la conductivité électrique du cuivre massif, qui s’élève quant à elle à 5,96.10⁷S/m.

2/Exemple 2– Réalisation d’une piste d’aluminium sur un substrat d’aluminium

Le substrat soumis à cette expérience est identique à celui de l’exemple 1. Il est soumis aux mêmes premières étapes que décrit dans l’exemple 1, de dégraissage, traitement par oxydation micro-arcs, rinçage et séchage, selon les mêmes paramètres opératoires.

Le substrat comportant la couche superficielle d’oxydes d’aluminium est ensuite placé verticalement sur un support et sa surface comportant la couche superficielle d’oxydes d’aluminium est masquée au moyen d’un masque métallique comprenant une fente de 10 mm de large et 10 cm de long.

Des particules d’aluminium sont projetées sur la surface du substrat laissée libre par le masque, au niveau de la fente, par la technique de projection à froid. A cet effet, les paramètres opératoires suivants sont utilisés :
- pression de projection : 7 bars,
- gaz : air,
- température du gaz : 380 °C,
- distance de projection : 20 mm,
- vitesse de déplacement de la buse de projection : 30 mm/s.

A l’issue de ces étapes, après retrait du masque, on obtient sur le substrat, sur la couche superficielle d’oxydes d’aluminium, une piste d’aluminium de dimensions 10 mm x 10 cm. Une image en coupe transversale du substrat acquise par microscopie à balayage électronique (MEB) est montrée sur la . On y observe la piste d’aluminium 24, de couleur claire, d’épaisseur environ 200 µm, sur la couche superficielle à base d’oxydes d’aluminium 21. On observe sur cette image que le dépôt formé par les particules d’aluminium présente une bonne densité, témoignant de sa haute conductivité électrique.

La conductivité électrique de la piste d’aluminium est mesurée au moyen d’un multimètre associé à 4 électrodes, positionnées par paires aux deux extrémités opposées de la piste. La conductivité électrique de la piste est ainsi mesurée à une valeur de 1,7.10⁷S/m. Cette conductivité est avantageusement sensiblement égale à 50 % de la conductivité électrique de l’aluminium massif, qui s’élève quant à elle à 3,5.10⁷S/m.

Claims (13)

1. Procédé de réalisation d’une piste électriquement conductrice (24) sur un substrat métallique (20), caractérisé en ce qu’il comprend des étapes successives de :
   - formation (11) sur une surface (201) dudit substrat (20) d’une couche diélectrique superficielle (21) d’épaisseur au moins 30 µm par traitement dudit substrat (20) par oxydation micro-arcs,
   - et dépôt par projection (15) d’un matériau électriquement conducteur sur ladite couche diélectrique superficielle (21) pour réaliser ladite piste électriquement conductrice (24).
2. Procédé selon la revendication 1, selon lequel ledit substrat (20) est formé en un métal choisi parmi l’aluminium, le titane, le magnésium, le tantale, le niobium, le zirconium, le hafnium, le zinc, et l’un quelconque de leurs mélanges, ou en un alliage comprenant majoritairement un tel métal ou un tel mélange.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, selon lequel ladite couche diélectrique superficielle (24) présente une épaisseur comprise entre 80 µm et 200 µm.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, selon lequel le traitement dudit substrat (20) par oxydation micro-arcs (11) est comprend l’immersion dudit substrat (20) dans un milieu électrolytique aqueux et l’application audit substrat (20) d’un courant électrique pulsé bipolaire avec une densité de courant comprise entre 10 et 60 A/dm², de préférence pendant 15 à 120 minutes.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, selon lequel ledit matériau électriquement conducteur déposé sur ladite couche diélectrique superficielle (21) est choisi parmi le cuivre, l’aluminium, l’étain, l’argent, et l’un quelconque de leurs mélanges.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, selon lequel le dépôt dudit matériau électriquement conducteur sur ladite couche diélectrique superficielle est réalisé par projection à froid (15), des particules dudit matériau électriquement conducteur étant projetées sur ladite couche diélectrique superficielle (21) à une pression comprise entre 6 et 10 bars.
7. Substrat métallique (20), comportant, sur une partie au moins de sa surface, une couche diélectrique superficielle (21) obtenue par traitement dudit substrat par oxydation micro-arcs, d’épaisseur au moins 30 µm, et au moins une piste en matériau électriquement conducteur (24) sur ladite couche diélectrique superficielle (21).
8. Substrat selon la revendication 7, dans lequel ladite piste électriquement conductrice (24) s’étend sensiblement depuis un premier bord (201) dudit substrat (20) jusqu’à un deuxième bord (202) dudit substrat (20).
9. Substrat selon la revendication 7 ou 8, dans lequel l’épaisseur de ladite couche diélectrique superficielle (21) est comprise entre 80 et 200 µm.
10. Substrat selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel ledit substrat (20) est formé en un métal choisi parmi l’aluminium, le titane, le magnésium, le tantale, le niobium, le zirconium, le hafnium, le zinc, et l’un quelconque de leurs mélanges, ou en un alliage comprenant majoritairement un tel métal ou un tel mélange.
11. Substrat selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel ledit matériau électriquement conducteur est choisi parmi le cuivre, l’aluminium, l’étain, l’argent, et l’un quelconque de leurs mélanges.
12. Substrat selon l’une quelconque des revendications 7 à 11, consistant en une pièce de structure ou d’habitacle d’un véhicule, en particulier d’un aéronef.
13. Véhicule comportant un substrat (20) selon l’une quelconque des revendications 7 à 12, dans lequel une première extrémité (241) de ladite piste électriquement conductrice (24) est électriquement connectée à un premier composant électrique dudit véhicule et une deuxième extrémité (242) de ladite piste électriquement conductrice (24) est électriquement connectée à un deuxième composant électrique dudit véhicule.