Procédé de fabrication d'une pellicule diélectrique et pellicule diélectrique obtenue par ce procédé. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pellicule diélec trique, et une pellicule diélectrique obtenue par ce, procédé.
Cette pellicule diélectrique est en particu lier utilisable dans des condensateurs électri ques, du type dans lequel des parties appe lées armatures , qui sont habituellement cons tituées par une feuille d'étain, d'aluminium eu d'un autre métal, sont séparées par une faible épaisseur de diélectrique. Comme di électrique, on a habituellement employé des feuilles de mica ou de papier imprégné de cire, de paraffine ou des matériaux cérami ques. Récemment cependant, les matériaux plastiques ont été employés de faon limitée. Les condensateurs du type spécifié ci-dessus peuvent être plans ou en étages ou encore être enroulés.
On sait que les propriétés électriques de pellicules et de feuilles minces constituées par des matières organiques polymérisées (habi tuellement connues sous le nom de matières plastiques ) peuvent être améliorées en incor porant aux pellicules des matériaux miné raux. Ces matériaux qui sont désignés ci-des sous sous le nom de matériaux de remplis sage peuvent être des matériaux minéraux naturels ou des corps céramiques plus ou moins finement divisés.
Il a déjà été proposé d'augmenter la constante diélectrique des oléfines polymérisées en leur incorporant des particules inorganiques finement pulvérisées et présentant une constante diélectrique éle vée, de manière à augmenter la constante di électrique du mélange d'au moins 10% sans augmenter son facteur de puissance au-dessus de 0,0025.
Des exemples sont donnés pour di verses matières sous forme de pellicules, telles que les polystyrènes, désignés sous le nom de matières de base , et pour divers matériaux de remplissage, tels que le bioxyde de titane sous la. forme de rutile, ainsi que pour divers rapports entre les volumes de la matière de base et du matériau de remplissage, donnant une augmentation maximum de la constante diélectrique de 60,5 %.
Plusieurs recherches ont, été faites au sujet de la manière de se comporter des matières plastiques avec des matériaux de remplissage incorporés, et les résultats de certaines de ces recherches ont été publiés dans Wissen- schaftliche Ver8ffentlichun-en aus den Sie- menswerken vol. 18 (1939), pages 84 à 96, et clans le Journal of Applied Physics vol. XI (1940), pages 681 à 692.
La constante diélectrique C d'un mélange d'une matière plastique donnée, par exemple un polystyrène, avec un minéral, par exemple le bioxyde de titane, est représentée dans ces publications par une courbe logarithmique et varie entre la constante diélectrique Cl de la matière plastique pure et la constante diélec trique C. du minéral pur. Avec des coordon nées semi-logarithmiques, cette courbe serait une droite. Il y a des écarts par rapport à cette droite, mais ces écarts sont de faible importance.
Ces constantes diélectriques sont liées entre elles par l'expression: Log C = A Log C, + B Log Cz dans laquelle A et B sont les pourcentages respectifs de volume des constituants.
Il résulte de ce qui précède que l'amélio;- ration de la constante diélectrique n'est pas d'un ordre très élevé si on ajoute des quan tités pas trop élevées de minéral. Il n'est gé néralement pas pratiquement possible d'obte nir un mélange d'une matière plastique et.
d'un. minéral sous forme d'une poudre très fine lorsque le volume du minéral dépasse de plus de 25 % celui de la matière plastique; si on emploie de la poudre de rutile pur, la constante diélejetrique du mélange obtenu avec ce remplissage est inférieure au double <B>de</B> celle de la matière plastique pure.
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pellicule diélec trique à partir d'une matière plastique orga nique, grâces auquel la constante diélectrique de cette pellicule est augmentée dans des pro portions bien plus élevées - au moins de 200 % et même dans plusieurs cas de 1000 0/0 ou plus.
Des recherches ont montré qu'avec la même matière plastique et le même matériau de remplissage, la constante diélectrique du mélange obtenu dépend dans de, grandes pro portions de sa formation en feuilles compara tivement épaisses ou en pellicules minces.
.Ainsi, en employant un matériau de remplis sage présentant une grosseur de grains déter minée, la constante diélectrique est augmen tée quand l'épaisseur de la pellicule ou de la feuille diminue. Finalement, la constante di électrique devient beaucoup plus élevée que la valeur à laquelle on pourrait s'attendre d'après les théories habituelles des mélanges,
telles par exemple que celle indiquée par la courbe et par l'expression mentionnées ci- dessus. On a ainsi découvert que le rapport entre l'épaisseur du film. et la grosseur des grains du matériau de remplissage exerce une grande influence sur la constante diélectri- que d'une pellicule de mélange.
Selon le procédé objet de l'invention, on incorpore un. matériau de remplissage inor ganique sous forme granulaire et présentant un coefficient diélectrique élevé à une ma, tière plastique organique, et on forme, à par tir du mélange ainsi obtenu, une pellicule présentant une épaisseur comprise entre 1,2 et 4 fois la dimension maximum des granules dudit matériau de remplissage,
la proportion de ce matériau étant telle que le coefficient diélectrique de la pellicule soit d'au moins 200 % supérieur à celui d'une pellicule de même matière plastique, exempte de matériau de remplissage. De tels matériaux de remplis sage ont naturellement une constante diélec trique élevée.
Il est évident que la constante diélectri que est grandement améliorée dans le cas osa la dimension des granules est égale à l'épais seur .de la pellicule, pour les raisons sui vantes: La capacité d'un condensateur dont le di électrique est constitué par un mélange :d'un diélectrique présentant une constante diélec trique élevée et d'un autre diélectrique pré sentant une faible constante diélectrique est comprise entre les deux valeurs limites sui vantes (1) La capacité d'un condensateur dont le diélectrique présente une constante diélectri que élevée relié en parallèle avec un conden sateur dont le diélectrique présente une fai ble constante diélectrique.
(2) La capacité d'un condensateur dont le diélectrique présente une constante diélectri que élevée relié en série avec un condensa teur dont le diélectrique présente une faible constante diélectrique.
La capacité totale pour ces deux cas est donnée par la formule suivante: <I>(1)</I> C=C1+C@
EMI0002.0064
C'1 et C. étant les capacités respectives des condensateurs partiels, Les essais mentionnés ci-dessus montrent qu'en fait, la capacité d'un condensateur, dont le diélectrique est constitué par une pellicule diélectrique contenant un pourcentage pas trop élevé d'une matière finement pulvérisée mélangée avec elle, est encore comparative ment voisine de la capacité que l'on obtien drait si les deux condensateurs partiels étaient reliés en série.
Quand les granules présentent une dimen sion égale à l'épaisseur de la pellicule, la constante diélectrique doit être considérable ment plus élevée, comme déjà mentionné, puisque la capacité obtenue équivaut prati quement à celle des condensateurs en paral lèle. Cependant, on obtient déjà de très bons résultats avec des granules dont. la dimension est seulement égale à la moitié de l'épaisseur de la, pellicule, ou même à moins.
Pour obtenir une pellicule présentant une surface lisse, il n'est naturellement pratique ment pas possible d'employer des granules d'une dimension égale à l'épaisseur de la pel licule, mais cette dimension dont être légère ment inférieure. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec des pellicules dont, l'épais seur est comprise entre 1,2 et 2 fois la. dimen sion maximum des granules. Cependant, on peut déjà obtenir de bons résultats avec des pellicules dont l'épaisseur est jusqu'à 4 fois plus grande que cette dimension maximum.
La constante diélectrique de telles pelli cules est beaucoup plus élevée et parfois plu sieurs fois plus élevée que les valeurs four nies pour les mélanges par l'expression loga rithmique ci-dessus. Par exemple, des pelli cules de 0,125 mm constituées par environ 7 0 /o en volume de polystyrène et 30 % en volume d'oxyde de titane sous la forme de rutile peuvent être préparées de la manière suivante:
1.a poudre de rutile est chauffée à 1450" C, rebroyée et passée d'abord au tamis de 4000, puis au tamis de 10 000.
Comme le poids spécifique réel de cette poudre est de quatre fois environ celui du polystyrène, la. proportion en poids entre les poudres de polystyrène et de rutile doit être de 70 à 720 si l'on désire obtenir une propor tion volumétrique de 70 à 30. A titre d'essai, deux masses de coulage ont été préparées: l'une, contenant 70 parties en poids de poly styrène et 120 parties en poids de poudre de rutile passée au tamis de 1.0 000, et l'autre contenant également 70 parties en poids de polystyrène et 120 parties en poids de rutile, ee dernier ayant. été passé aii tamis de 4000, mais pas au tamis de 10 000.
Des pellicules de 0,125 mm d'épaisseur ont alors été coulées avec chacune de ces masses et on a pu cons tater que la pellicule contenant le rutile le plus fin avait une constante diélectrique de 1-5. environ et que la pellicule contenant le rutila le plus grossier avait une constante di électrique de 25 environ. Selon l'expression ci-dessus, si on avait. employé une poudre très fine, la constante diélectrique aurait été de 6 à 7 seulement.
On peut également utiliser un matériau de remplissage constitué par un mélange de poudres dont les granules ont des dimensions différentes, la dimension maximum des gra nules étant déterminée par rapport à l'épais seur de la pellicule comme on l'a dit plus haut. L'effet dû à l'adjonction d'une poudre à plus petits granules à une poudre à plus gros granules est de remplir les interstices entre les plus gros granules et 'augmenter ainsi le poids spécifique de la poudre.
La poudre de remplissage peut être cons tituée par un mélange d'une série de poudres constituées par des granules de dimension décroissante, la dimension des granules de chaque poudre étant déterminée par les di mensions des intervalles laissés libres entre les granules de dimension immédiatement su périeure de cette série de poudres.
De cette façon, le ponds spécifique apparent (poids brut) de la poudre peut être augmenté jus- qu'à près de 90'% du poids spécifique du ma- tériau solide,
au lieu de 60 % de ce poids spé- cifique, qui est une valeur moyenne pour une poudre granulée normale, en raison des intervalles intergranulaires qu'elle présente.
En pratique, pour fabriquer de telles pel licules, on choisit un matériau de remplissage inorganique présentant les qualités électri ques désirées, c'est-à-dire une constante di électrique élevée et, de préférence, un faible facteur de puissance. Pour obtenir une pelli eule présentant un faible facteur de puis sance, il est désirable que la matière plastique organique utilisée présente également un faible facteur de puissance.
Une telle matière peut, par exemple, être du polystyrène, du polyiso- butylène, du polyéthylène, ou un mélange de polystyrène avec l'une de ces dernières ma tières plastiques ou avec les deux.
Les matières plastiques cellulosiques telles que l'acétate de cellulose peuvent être em ployées pour la pellicule quand l'obtention d'un faible facteur de puissance n'est pas im portante.
Lorsque la pellicule est constituée par un mélange de matières plastiques, ce mélange peut être colloïdal ou moléculaire. Dans cer tains cas, il peut aussi être désirable d'incorporer au mélange une petite quantité d'Zme autre matière propre à améliorer les propriétés physiques ou chimiques de la pellicule, telle par exemple que le phtalate dibutylique, agis sant comme plastifiant pour améliorer les propriétés mécaniques, ou que la pyridine, agissant comme insecticide et protégeant ainsi la pellicule contre les insectes dans les régions tropicales,
ou telle encore qu'une matière di minuant l'inflammabilité de la pellicule, par exemple l'un des esters chlorés de l'acide phtalique. Le matériau de remplissage inor ganique peut être un minéral naturel qui peut, si nécessaire, être purifié avant emploi, tel par exemple que le bioxyde de titane (Ti 0J, de formation cristalline convenable, celle-ci pouvant être obtenue par un traite ment thermiques préalable.
Le matériau de remplissage peut aussi être un composé obtenu chimiquement, tel par exemple que le bioxyde de titane (Ti Oz,) obtenu chimiquement, de formation cristal line convenable, qui, comme dans le cas du minéral naturel, peut être obtenue par un traitement thermique. D'autres exemples de matériaux de rem plissage convenables, constitués soit par des minéraux naturels, soit par des produits obte nus chimiquement, sont le titanate de baryum et le titanate de strontium,
de formation cris talline convenable obtenue par un traitement thermique. On peut aussi utiliser une matière céramique granulée comme matériau de rem plissage.
L'invention a également pour objet une pellicule diélectrique obtenue par le procédé défini ci-dessus. Cette pellicule est constituée par une matière plastique organique à la quelle est incorporé un matériau de remplis sage inorganique sous forme granulaire et pré sentant un coefficient diélectrique élevé, l'épaisseur de cette pellicule étant comprise entre 1,2 et 4 fois la dimension maximum des granules du matériau de remplissage et la proportion de ce dernier étant telle que le coefficient diélectrique de la pellicule soit d'au moins 200 'I/o supérieur à celui d'une pel licule de même matière plastique,
exempte de matériau de remplissage.
Une telle pellicule peut être métallisée sur ses deux faces, ces métallisations constituant les armatures d'un condensateur dont la pel- lieule forme le diélectrique. Elle peut aussi être métallisée sur une seule de ses faces, cette métallisation constituant une des armatures d'iui condensateur dont l'autre armature- est, constituée par une plaque ou par une feuille métallique adjacente à l'autre face de la pel licule.
Cette pellicule constitue alors tout ou partie du diélectrique du condensateur, et on peut faire varier la capacité de celui-ci en déplaçant la plaque ou la feuille par rapport à la pellicule. De tels condensateurs variables peuvent être utilisés comme condensateurs de réglage, par exemple dans des postes émet teurs ou récepteurs de radio.
Quand la pellicule est métallisée, cette mé tallisation peut être obtenue par électrodépo- sition, par déposition cathodique, par appli cation du métal au pistolet, ou encore en appliquant la couche métallique chimique ment à -une température inférieure au point de fusion ou de décomposition de la pellicule diélectrique. Le métal peut être un métal pré- cieux ou du tungstène.
Des condensateurs peuvent également être constitués par des feuilles ou plaqurb métalli ques appliquées sur les deux faces d'une pel licule diélectrique. Des condensateurs blocs, tels que ceux employés dans la technique des télécommunications, sont constitués par plu sieurs plaques et par plusieurs pellicules di électriques alternées, empilées les unes sur le;-; autres de la manière bien connue.
On peut également fabriquer un condensateur enroulé en roulant une pellicule diélectrique, éven tuellement métallisée, sur l'une de ses faces cu sur les deux avec deux feuilles de, métal juxtaposées, éventuellement avec une seule feuille de métal ou sans feuille respectivement.