Connecteurs PAEK et verre-métal

Alors que la méthode classique de connecteurs à joint d'étanchéité verre-métal (GTMS) représente une barrière hermétique et un isolant électrique efficaces pour de nombreuses applications dans le domaine médical, automobile, aérospatial, militaire ou géophysique à faible pression, il a été démontré que des thermoplastiques avancés, mis au point au cours des trois dernières décennies, sont une solution plus avantageuse pour les environnements opérationnels les plus extrêmes.

Dans la catégorie des thermoplastiques PAEK (polyaryléthercétone), un ensemble évolutif de nouveaux composés PEEK (polyétheréthercétone) et PEK (polyéthercétone) offre la stabilité thermique, la résistance mécanique, la faible usure, la résistance chimique, la résistance d'isolement, ainsi que la densité de broches requises pour les applications de connecteurs électriques les plus exigeantes (par exemple, les moteurs des avions ou les opérations de forage de pétrole et gaz HPHT, ou haute pression et haute température).

Connecteurs PEAK

Scellement du verre

Depuis le 17e siècle, les joints verre-métal offrent des barrières hermétiques et ont été imaginés pour offrir à la fois un scellement hermétique et une isolation électrique. Dans un connecteur rendu étanche par un joint verre-métal, le verre est fondu afin de renfermer non seulement la broche en métal, mais aussi le module qui permet une isolation conductrice entre le boîtier et les broches. Une couche d'oxyde visible est formée sur les composants en métal, ce qui permet l'écoulement et l'adhésion du verre. La résistance mécanique du joint d'étanchéité est limitée par la couche d'oxyde. Une étape supplémentaire est requise lors du processus de fabrication afin de retirer la couche d'oxyde depuis les autres surfaces du connecteur, qui risquent une contamination.

Le verre est un bon isolant électrique. Sa conductivité thermique est faible, ainsi que sa capacité de résistance à une pression et température opérationnelles elevées. Toutefois, les limites associées aux joints d'étanchéité verre-métal deviennent évidentes une fois des tests réalisés selon des paramètres opérationnels extrêmes. Ces limites sont doubles :

  • Propriétés matérielles du verre - Le verre est rigide et fragile, ce qui le rend susceptible d'être fissuré en cas de contraintes mécaniques de haute pression, de chocs et de vibrations, en particulier lors d'un cycle thermique extrême.
  • Contraintes du processus de fabrication - La difficulté de faire fondre du verre, ainsi que sa viscosité une fois fondu, imposent des contraintes quant au type de métal qui peut être utilisé.

Mise en correspondance du verre et du métal

Les joints verre-métal sont formés par le biais d'un processus de fusion à haute température, qui dépasse souvent 900 °C, suivi d'un refroidissement rapide. La création d'un joint d'étanchéité solide et résilient nécessite la mise en correspondance du coefficient de dilatation thermique (CTE) entre le verre et les matériaux métalliques. Le CTE est la mesure dans laquelle un matériau se dilate ou se contracte lorsqu'il est soumis à des changements de température. Lors du processus de chauffage et de refroidissement, les vitesses des changements de volume des deux matériaux doivent rester synchronisées. Dans le cas contraire, des contraintes thermiques se produisent alors qu'un matériau se dilate plus rapidement que le ou les autres.

En raison de la rigidité et de la fragilité inhérentes du verre, il est essentiel de bien gérer toute incohérence de CTE pour éviter les tensions et contraintes sur le joint qui peuvent entraîner des vides, une séparation entre le métal et le verre, ou bien une dégradation de l'intégrité structurelle du verre. Non seulement le joint verre-métal doit survivre au processus de fusion lors de la fabrication, mais il doit également supporter les milliers de cycles thermiques lors des véritables conditions de fonctionnement.

Ce critère de correspondance du CTE du métal et du verre limite le choix de matériau métallique. Le Kovar a été largement employé pour envelopper les joints verre-métal en raison de son coefficient de dilatation thermique de 5,5 x 10-6/K de 20 à 200 °C et de 4,9 x 10-6/K à 400 °C, ce qui est très proche du CTE du verre borosilicate. De même, les broches de traversée composées d'alliages de nickel et d'acier inoxydable sont choisies en raison de leurs propriétés thermophysiques. Toutefois, ces matériaux impliquent d'importants compromis en matière de conductivité électrique, le principal objectif d'un connecteur électrique.

Le PEEK et PEK remédient aux lacunes du verre

L'introduction de connecteurs électriques PEEK et PEK permet de remédier aux problèmes inhérents aux connecteurs verre-métal. Il n'est pas nécessaire de faire correspondre le CTE des matériaux thermoplastiques à celui du métal, ce qui permet d'optimiser les propriétés électriques des broches de traversée en métal. En éliminant la contrainte de la mise en correspondance des coefficients de dilatation thermique, les matériaux conducteurs peuvent être choisis en fonction des besoins de l'application, plutôt que de la méthode de fabrication.

Par exemple, le cuivre au béryllium (BeCu) peut être utilisé. Ce dernier offre une plus faible résistance électrique par rapport à l'inconel et à l'acier inoxydable. Une meilleure conductivité signifie un meilleur passage du courant, tout en générant moins de chaleur. Une puissance et une transmission de signal plus fiable sont ainsi obtenues.

Lorsque la conductivité électrique est supérieure, il est possible d'utiliser des broches de diamètre inférieur. Il est alors possible d'atteindre une densité de broches bien plus élevée, mais aussi d'avoir plus de souplesse quant à la conception des motifs de broches. Le résultat : un connecteur globalement plus petit. Par rapport au processus de fusion de verre, les procédés de moulage par injection de matières plastiques sont également plus adaptées à la fabrication de très petites pièces. En plus de broches et d'un connecteur globalement plus petits, un matériau thermoplastique plus léger permet de réduire de manière considérable la masse par rapport aux connecteurs GTMS. Dans le cadre d'applications du secteur aérospatial, sous-marin et de l'énergie, la masse et les dimensions du composant sont essentielles à la performance globale du sous-système.

connecteur peek rotatif

Une importante différence entre le PEEK et le verre réside dans la géométrie du joint d'étanchéité interne, où le matériau isolant renferme chaque broche en métal. Les connecteurs PEEK sont fabriqués par un processus de moulage par injection, le PEEK étant surmoulé sur la broche. Grâce à cette méthode, le joint d'étanchéité s'étend le sur toute la longueur de la broche en métal. Le lien est donc plus résistant et rigide que les joints en verre. Les contraintes internes des joints en verre ou des dilatations thermiques irrégulières du contact en métal peuvent entraîner des fissures sur la surface d'étanchéité, provoquant la défaillance précoce de la pièce. La plus faible température de transition vitreuse du PEEK permet une légère déformation en cas de charge de pression ou de vibrations. En surmoulant les contacts en métal, le connecteur tolère une légère perte d'alignement de contact. Il est moins sensible à la manipulation lors de l'installation et aux dommages dus aux chocs mécaniques. Les broches pliées peuvent être réalignées sans avoir besoin de jeter la pièce.

Les applications les plus exigeantes

Dans les applications où la fiabilité et la constance des performances sont essentielles, par exemple, les moteurs d'avions et les opérations de forage de fond de trou profond, les connecteurs électriques PEEK et PEK offrent plusieurs avantages clés :

  • Puissance et transmission de signal fiables - Comptabilité avec broche en métal optimal, par exemple, du cuivre au béryllium
  • Applications - Jusqu'à 232 °C (450 °F) et jusqu'à 35 000 psi, et avec un thermoplastique PEEK réticulé avancé spécialisé, jusqu'à 260 °C (500 °F) et 45 000 psi. Résilience aux cycles rapides et extrêmes de pression et de température
  • Résilience chimique - Sulfure d'hydrogène, méthanol, fluides de forage, produits de puits, etc.
  • Résistance mécanique - Résilience aux chocs et aux vibrations sans perte de continuité
  • Durabilité - Moins sensible aux dommages dus à une mauvaise manipulation

connecteurs électriques et énergie sous-marine

Les thermoplastiques sont plus performants que le verre

Le PEEK et le PEK surpassent les limites du verre afin d'offrir une performance supérieure, même dans les conditions opérationnelles les plus exigeantes. Les propriétés matérielles des thermoplastiques surpassent la rigidité et la fragilité du verre, offrant ainsi une bien meilleure résilience aux contraintes mécaniques de la pression, des chocs et des vibrations. Le processus de fabrication des connecteurs thermoplastiques permet d'utiliser des métaux avec une faible résistance électrique, pour de bien meilleures puissances et performances de transmission de signal.

Les ingénieurs et les chercheurs continuent à développer des matériaux élastomériques et thermoplastiques innovants pour améliorer la fiabilité et la performance. En plus du PEEK non chargé, les connecteurs électriques sont disponibles en PEK non chargé pour de meilleures propriétés thermophysiques, ainsi que dans des grades de PEEK et PEK chargés pour une résistance mécanique accrue. Quant aux conditions extrêmes, le PEEK réticulé, par exemple Arlon 3000XT, peut être employé dans des températures allant jusqu'à 500 °F et des pressions de 45 000 psi. Il a été démontré qu'il était 30 % plus résistant que d'autres matériaux utilisés dans l'exploration pétrolière ou gazière.

Cet article est tiré du nouvel eBook « Connector Supplier », 2022 Rugged Interconnects for Harsh Environments.