Présentation
La technologie des nanotubes de carbone pourrait conduire à une révolution dans le câblage
La manipulation des CNT sous forme de fils et de rubans signifie que les processus de fabrication des câbles doivent être perfectionnés pour optimiser le débit et améliorer les rendements.
La révolution du câblage
Alors que la technologie des nanotubes de carbone (CTN) a suscité un grand intérêt pour les applications médicales, un domaine qui fait l’objet de recherches chez TE Connectivity (TE) est celui des câbles électriques à haute performance. TE a activement développé les CNT pour les fils et les câbles, et notamment mis en place un travail de coopération avec les universités et les leaders de l’industrie, et dispose d’échantillons prototypes pour l’évaluation. Bien qu’il reste encore beaucoup de progrès à faire avant que l’usage des câbles en CNT ne devienne courant, nous pensons que la technologie est suffisamment avancée pour répondre à des applications de niche spécifiques telles que les satellites.
Les câbles utilisant des composants à base de nanotubes de carbone pourraient devenir une technologie de rupture, principalement en raison des économies de poids réalisées par rapport aux matériaux existants. En termes pratiques, ces économies se traduisent par des réductions de poids, de quelques dizaines à quelques milliers de kilogrammes, dans des plates-formes allant des satellites aux drones en passant par les avions militaires pilotés. Exemples :
- Satellites : les coûts de lancement pour mettre un satellite en orbite peuvent varier de 5 000 à 50 000 dollars pour 500 grammes de charge utile. Toute réduction de poids peut avoir une influence significative sur les coûts ou permettre d’ajouter du matériel scientifique et technique supplémentaire ou plus de carburant de manœuvre pour prolonger la durée de la mission.
- Drones : Un poids plus faible signifie un temps de vol plus long. Considérez que le drone de grande taille contient environ 385 kilogrammes de câble. L’utilisation d’un blindage CNT à la place d’un blindage métallique pourrait permettre d’économiser 136 kilogrammes. Un câble entièrement en CNT pourrait économiser 45 kilogrammes supplémentaires, ce qui réduirait le poids total de 385 à 204 kilogrammes.
- Aéronefs habités : les économies de poids se traduisent par un meilleur rendement énergétique, des charges utiles plus importantes ou une plus grande autonomie.
Les avantages du câble en CNT vont au-delà des applications aérospatiales. Les économies de poids peuvent également être importantes pour les véhicules terrestres , y compris pour l’équipement porté par les soldats.
Le rapport de longueur d’un seul nanotube de carbone, de seulement quelques nanomètres de diamètre mais de plusieurs millimètres de longueur, lui confère des propriétés remarquables à l’échelle nanométrique : résistance à la traction supérieure à celle de l’acier, conductivité supérieure à celle du cuivre, dissipation thermique supérieure à celle du diamant et résistance à la corrosion et à la fatigue. Le tableau ci-dessous présente les propriétés typiques d’un seul nanotube de carbone.
| Résistance mécanique | CNT | Acier | Aluminium |
|---|---|---|---|
| Module de Young (TPa) | 0,8 à 1,4 | 0.3 | 0.7 |
| Résistance à la traction (GPa) | 63 | 2 | 0.3 |
| Densité (g/cm3) | 1.4 | 8 | 2.7 |
Blindages en CNT
Les CNT sont fabriqués par traitement thermique et disposés en fils pour les conducteurs et en bandes, feuilles et fils pour les blindages.
Le regroupement de brins en CNT en fils ou en feuilles pour obtenir des tailles pratiques modifie les propriétés du matériau. Un nanotube de carbone unique a une conductivité supérieure de trente pour cent à celle du cuivre, mais un fil composé d’un réseau de CNT est plusieurs fois moins conducteur que le cuivre. La figure ci-dessous montre les efforts récents d’amélioration de la conductivité des fils en CNT depuis 2007.
Les câbles en CNT sont maintenant activement développés pour les applications MIL-STD-1553B et IEEE 1394 dans les domaines de l’aérospatiale et des satellites, avec une transition des prototypes à la production prévue dans les prochaines années. Les premiers câbles IEEE 1394 utiliseront un blindage en CNT, tandis que les câbles MIL -STD-1553B seront probablement les premiers à être entièrement fabriqués à l’aide de cette technologie.
Les blindages de type CNT associent une efficacité de blindage élevée à des économies de poids significatives. Un ruban en CNT à deux couches offre à peu près le même blindage qu’une tresse en cuivre à hautes fréquences (environ 50 dB à 4 GHz), mais pèse moins de 2 % de la tresse qu’il remplace.
Toutefois, la résistivité élevée des blindages en CNT se traduit par des performances de blindage médiocres en dessous de 100 MHz, et une incapacité à fournir une protection contre la foudre. Pour les câbles à double tresse courants dans les applications aérospatiales, le remplacement de l’une des tresses par un ruban en CNT permet à la tresse restante de gérer la foudre et les bruits à basse fréquence, tandis que le blindage en CNT gère les fréquences plus élevées. Les gains de poids sont de 25 à 30 % pour les constructions de blindage hybrides.
Prêt pour le Prime Time ?
Alors que des progrès sont réalisés pour permettre l’utilisation des matériaux de type CNT dans les câbles, deux autres questions méritent d’être posées. La première est de savoir comment terminer les câbles en CNT. Les conducteurs en CNT sont compatibles avec les contacts existants et peuvent être terminés avec des techniques de sertissage standard, moyennant modification des réglages et des matrices des outils de sertissage. Les tests de résistance mécanique des sertissages suggèrent que les fils en CNT se rompent avant la rupture du sertissage. Les blindages peuvent être terminés sur les capots avec des bandes d’acier et d’autres techniques de compression. Les rubans et les fils sont également compatibles avec la soudure, grâce à l’utilisation d’alliages spéciaux.
Le deuxième problème est de passer des prototypes à la production. Les fils, feuilles et rubans en CNT sont disponibles en quantités commerciales , mais des défis subsistent dans la production en série des longues pièces nécessaires pour les câbles. Les capacités de production des fournisseurs de CNT augmentent rapidement, mais la chaîne d’approvisionnement actuelle est généralement soumise à de longs délais. De nombreuses applications actuelles, telles que les boîtiers en matériaux composites, utilisent des CTN mesurés en microns ou en millimètres. Par rapport à ces applications, l’échelle des câbles est complètement différente et nécessite des dizaines de mètres.
Comme TE travaille avec des partenaires commerciaux et universitaires pour améliorer la conductivité de l’agencement macroscopique des CNT, nous avons également fabriqué des kilomètres de CNT, de fil et de câble à des fins de tests et d’évaluations.
TE a construit une usine pilote de CNT capable de produire des centaines de kilomètres de fils et de câbles par an. La manipulation des CNT sous forme de fils et de rubans signifie que les processus de fabrication des câbles doivent être perfectionnés pour optimiser le débit et améliorer les rendements. TE a effectué les perfectionnements nécessaires et peut fournir de nombreux fils et câbles différents sur de longues longueurs.
Besoin d’aide pour votre projet aérospatial ?
Présentation
La technologie des nanotubes de carbone pourrait conduire à une révolution dans le câblage
La manipulation des CNT sous forme de fils et de rubans signifie que les processus de fabrication des câbles doivent être perfectionnés pour optimiser le débit et améliorer les rendements.
La révolution du câblage
Alors que la technologie des nanotubes de carbone (CTN) a suscité un grand intérêt pour les applications médicales, un domaine qui fait l’objet de recherches chez TE Connectivity (TE) est celui des câbles électriques à haute performance. TE a activement développé les CNT pour les fils et les câbles, et notamment mis en place un travail de coopération avec les universités et les leaders de l’industrie, et dispose d’échantillons prototypes pour l’évaluation. Bien qu’il reste encore beaucoup de progrès à faire avant que l’usage des câbles en CNT ne devienne courant, nous pensons que la technologie est suffisamment avancée pour répondre à des applications de niche spécifiques telles que les satellites.
Les câbles utilisant des composants à base de nanotubes de carbone pourraient devenir une technologie de rupture, principalement en raison des économies de poids réalisées par rapport aux matériaux existants. En termes pratiques, ces économies se traduisent par des réductions de poids, de quelques dizaines à quelques milliers de kilogrammes, dans des plates-formes allant des satellites aux drones en passant par les avions militaires pilotés. Exemples :
- Satellites : les coûts de lancement pour mettre un satellite en orbite peuvent varier de 5 000 à 50 000 dollars pour 500 grammes de charge utile. Toute réduction de poids peut avoir une influence significative sur les coûts ou permettre d’ajouter du matériel scientifique et technique supplémentaire ou plus de carburant de manœuvre pour prolonger la durée de la mission.
- Drones : Un poids plus faible signifie un temps de vol plus long. Considérez que le drone de grande taille contient environ 385 kilogrammes de câble. L’utilisation d’un blindage CNT à la place d’un blindage métallique pourrait permettre d’économiser 136 kilogrammes. Un câble entièrement en CNT pourrait économiser 45 kilogrammes supplémentaires, ce qui réduirait le poids total de 385 à 204 kilogrammes.
- Aéronefs habités : les économies de poids se traduisent par un meilleur rendement énergétique, des charges utiles plus importantes ou une plus grande autonomie.
Les avantages du câble en CNT vont au-delà des applications aérospatiales. Les économies de poids peuvent également être importantes pour les véhicules terrestres , y compris pour l’équipement porté par les soldats.
Le rapport de longueur d’un seul nanotube de carbone, de seulement quelques nanomètres de diamètre mais de plusieurs millimètres de longueur, lui confère des propriétés remarquables à l’échelle nanométrique : résistance à la traction supérieure à celle de l’acier, conductivité supérieure à celle du cuivre, dissipation thermique supérieure à celle du diamant et résistance à la corrosion et à la fatigue. Le tableau ci-dessous présente les propriétés typiques d’un seul nanotube de carbone.
| Résistance mécanique | CNT | Acier | Aluminium |
|---|---|---|---|
| Module de Young (TPa) | 0,8 à 1,4 | 0.3 | 0.7 |
| Résistance à la traction (GPa) | 63 | 2 | 0.3 |
| Densité (g/cm3) | 1.4 | 8 | 2.7 |
Blindages en CNT
Les CNT sont fabriqués par traitement thermique et disposés en fils pour les conducteurs et en bandes, feuilles et fils pour les blindages.
Le regroupement de brins en CNT en fils ou en feuilles pour obtenir des tailles pratiques modifie les propriétés du matériau. Un nanotube de carbone unique a une conductivité supérieure de trente pour cent à celle du cuivre, mais un fil composé d’un réseau de CNT est plusieurs fois moins conducteur que le cuivre. La figure ci-dessous montre les efforts récents d’amélioration de la conductivité des fils en CNT depuis 2007.
Les câbles en CNT sont maintenant activement développés pour les applications MIL-STD-1553B et IEEE 1394 dans les domaines de l’aérospatiale et des satellites, avec une transition des prototypes à la production prévue dans les prochaines années. Les premiers câbles IEEE 1394 utiliseront un blindage en CNT, tandis que les câbles MIL -STD-1553B seront probablement les premiers à être entièrement fabriqués à l’aide de cette technologie.
Les blindages de type CNT associent une efficacité de blindage élevée à des économies de poids significatives. Un ruban en CNT à deux couches offre à peu près le même blindage qu’une tresse en cuivre à hautes fréquences (environ 50 dB à 4 GHz), mais pèse moins de 2 % de la tresse qu’il remplace.
Toutefois, la résistivité élevée des blindages en CNT se traduit par des performances de blindage médiocres en dessous de 100 MHz, et une incapacité à fournir une protection contre la foudre. Pour les câbles à double tresse courants dans les applications aérospatiales, le remplacement de l’une des tresses par un ruban en CNT permet à la tresse restante de gérer la foudre et les bruits à basse fréquence, tandis que le blindage en CNT gère les fréquences plus élevées. Les gains de poids sont de 25 à 30 % pour les constructions de blindage hybrides.
Prêt pour le Prime Time ?
Alors que des progrès sont réalisés pour permettre l’utilisation des matériaux de type CNT dans les câbles, deux autres questions méritent d’être posées. La première est de savoir comment terminer les câbles en CNT. Les conducteurs en CNT sont compatibles avec les contacts existants et peuvent être terminés avec des techniques de sertissage standard, moyennant modification des réglages et des matrices des outils de sertissage. Les tests de résistance mécanique des sertissages suggèrent que les fils en CNT se rompent avant la rupture du sertissage. Les blindages peuvent être terminés sur les capots avec des bandes d’acier et d’autres techniques de compression. Les rubans et les fils sont également compatibles avec la soudure, grâce à l’utilisation d’alliages spéciaux.
Le deuxième problème est de passer des prototypes à la production. Les fils, feuilles et rubans en CNT sont disponibles en quantités commerciales , mais des défis subsistent dans la production en série des longues pièces nécessaires pour les câbles. Les capacités de production des fournisseurs de CNT augmentent rapidement, mais la chaîne d’approvisionnement actuelle est généralement soumise à de longs délais. De nombreuses applications actuelles, telles que les boîtiers en matériaux composites, utilisent des CTN mesurés en microns ou en millimètres. Par rapport à ces applications, l’échelle des câbles est complètement différente et nécessite des dizaines de mètres.
Comme TE travaille avec des partenaires commerciaux et universitaires pour améliorer la conductivité de l’agencement macroscopique des CNT, nous avons également fabriqué des kilomètres de CNT, de fil et de câble à des fins de tests et d’évaluations.
TE a construit une usine pilote de CNT capable de produire des centaines de kilomètres de fils et de câbles par an. La manipulation des CNT sous forme de fils et de rubans signifie que les processus de fabrication des câbles doivent être perfectionnés pour optimiser le débit et améliorer les rendements. TE a effectué les perfectionnements nécessaires et peut fournir de nombreux fils et câbles différents sur de longues longueurs.
