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CA 02308787 2000-05-04
BREVET D'INVENTION
Surface réfléchissant les ondes électromagnétiques
et procédé pour sa réalisation.
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La présente invention concerne les surfaces réfléchissant les on-
des électromagnétiques, telles que les réflecteurs d'antenne, les blindages
électromagnétiques, les guides d'ondes, etc ... ainsi qu'un procédé pour
la réalisation de ces surfaces.
On connaît déjà des surfaces réfléchissant les ondes électroma-
gnétiques --ci-après dénommées surfaces réfléchissantes--, qui sont réali-
sées par des feuilles de métal mises en forme, par exemple par emboutis-
sage, leur conférant une structure autoporteuse. Cependant, de telles sur-
faces présentent une masse importante, de sorte que leurs dimensions
sont généralement limitées. De plus, du fait de leur masse, elles ne peu-
vent être montées à bord d'engins spatiaux.
Aussi, pour remédier à ces inconvénients de masse et de limita-
tion de dimensions, on a déjà proposé de réaliser des surfaces réfléchis-
santes en métallisant, par toute méthode connue (projection, galvanoplas-
tie, dépôt sous vide, peinture conductrice, etc ...) des supports en une
matière composite fibres de carbone - matrice de résine polymérisée. On
peut ainsi obtenir des surfaces réfléchissantes de masse acceptable et de
dimensions désirées. Cependant, ces surfaces réfléchissantes présentent
des inconvénients. Tout d'abord, on constate que les portions rectilignes
des fibres de carbone desdits supports introduisent une polarisation para-
site indésirable dans le rayonnement électromagnétique réfléchi par lesdi-
tes surfaces. Ceci est dû au fait que les fibres de carbone réfléchissent en
partie le rayonnement électromagnétique incident, alors que la résine po-
lymérisée de la matrice, disposée entre lesdites fibres, est relativement
transparente audit rayonnement.
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De plus, il peut se produire des décharges électriques parasites
locales entre les extrémités en regard de fibres de carbone rompues --ces
fibres étant conductrices-- ce qui engendre des parasites dans ledit
rayonnement réfléchi.
Enfin, la métallisation desdits supports composites présente en
général un état de surface tellement lisse que le rayonnement thermique
reçu par un tel réflecteur est concentré au foyer de ce dernier. Aussi,
lorsque la source du réflecteur se trouve au foyer, il est nécessaire de
protéger thermiquement ladite source, par exemple en recouvrant la sur-
face active du réflecteur par une peinture diffusante.
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients
des surfaces réfléchissantes à support composite, tout en permettant
d'obtenir des surfaces réfléchissantes de légèreté comparable.
A cette fin, selon l'invention, la surface rigide réfléchissant les
ondes électromagnétiques, notamment pour réflecteur d'antenne, blin-
dage électromagnétique et guide d'ondes, est remarquable en ce qu'elle
est constituée d'un entrelacs de fils électriquement conducteurs qui sont
constitués superficiellement d'un alliage métallique stable de diffusion
assurant la solidarisation desdits fils entre eux et la rigidité de ladite sur-
face.
Ainsi, grâce à la présente invention, on élimine les fibres de car-
bone et leurs inconvénients (polarisation parasite et décharges de rup-
ture). Par ailleurs, puisque, dans ledit entrelacs, les fils conducteurs se
croisent en formant des microfacettes, la surface, lorsqu'elle se présente
sous la forme d'un réflecteur d'antenne, ne focalise plus l'énergie calorifi-
que au seul foyer ; au contraire, cette énergie thermique passe par une
tache focale. Il en résulte que la source est soumise à un flux thermique
plus faible et que la protection thermique de la source et du réflecteur
peut être moins complexe. Il n'est plus nécessaire de recouvrir la surface
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active du réflecteur de peinture diffusante, ce qui évite les distorsions
engendrées par celle-ci.
Pour obtenir la surface réfléchissante rigide conforme à la pré-
sente invention, on peut :
- réaliser un entrelacs souple de fils électriquement conducteurs dont la
superficie est métallique et revêtue d'un métal d'apport, ledit métal
d'apport ayant un point de fusion inférieur à celui du métal superficiel
desdits fils et ledit métal d'apport et ledit métal superficiel étant aptes
à diffuser réciproquement l'un dans l'autre lorsqu'ils sont portés à une
température au moins égale au point de fusion dudit métal d'apport
pour former un alliage métallique stable de diffusion, dont la tempéra-
ture de fusion est supérieure au point de fusion dudit métal d'apport et
croît en direction du point de fusion dudit métal superficiel avec l'in-
tensité de ladite diffusion ;
- conformer ledit entrelacs souple à la forme souhaitée pour ladite sur-
face rigide réfléchissant les ondes électromagnétiques ; et
- élever la température dudit entrelacs souple, ainsi conformé, au-delà du
point de fusion dudit métal d'apport pour obtenir la formation dudit al-
liage métallique de diffusion, entraînant la solidarisation desdits fils en-
tre eux et la rigidification dudit entrelacs, qui forme alors ladite surface
rigide.
Cet entrelacs souple peut être réalisé de différentes manières, par
exemple par tricotage, guipage, tressage, nappage, tissage ou bien en-
core par la mise en oeuvre des méthodes de fabrication de produits fi-
breux non tissés. Toutefois, l'entrelacs sous forme d'un tricot s'est révélé
particulièrement avantageux, notamment en ce qui concerne la diffusion
du flux thermique reçu par ladite surface réfléchissante.
Les fils électriquement conducteurs peuvent être constitués d'une
âme métallique recouverte dudit métal d'apport. Dans ce cas, le métal
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superficiel est donc celui de l'âme. Cependant, en variante, les fils élec-
triquement conducteurs peuvent être constitués d'une pluralité de cou-
ches coaxiales, dont au moins certaines sont réalisées en une matière
--électriquement conductrice ou éventuellement isolante-- différente dudit
métal superficiel.
Parmi les métaux utilisés pour la réalisation des fils électriquement
conducteurs, on peut citer les métaux bons conducteurs de l'électricité,
tels que l'or, l'argent, le cuivre, etc ... ou bien encore les alliages à
faible
coefficient de dilatation thermique, tels que certains ferro-nickel, ou bien
encore d'autres métaux ou alliages métalliques.
Les métaux d'apport sont choisis parmi les métaux ou des alliages
à bas point de fusion, tels que l'étain ou l'indium, susceptibles de former
un alliage stable par diffusion avec le métal superficiel.
D'excellents résultats ont été obtenus, en choisissant le cuivre
comme métal superficiel et l'indium comme métal d'apport.
La section des fils électriquement conducteurs peut être circulaire,
avec un diamètre compris de préférence entre 6 et 20 microns, ou bien
aplatie, avec une épaisseur comprise également de préférence entre 6 et
microns et une largeur comprise de préférence entre 0,2 et 1,5 mm.
20 Dans ces cas, l'épaisseur du revêtement du métal d'apport peut être
comprise entre 10 Angstrôm et 1 micron.
De préférence, afin de communiquer à ladite surface une épais-
seur souhaitée, on prévoit d'appliquer une pression uniforme sur l'entre-
lacs souple conformé, pendant l'élévation de température.
La surface conforme à la présente invention peut être uniforme,
sans trous. Dans ce cas, on prévoit un entrelacs relativement serré et
l'application de ladite pression uniforme permet d'obturer les éventuels
jours de l'entrelacs. En variante, ladite surface peut comporter des trous,
prévus au moment de la réalisation dudit entrelacs.
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Dans un mode de réalisation préféré, la surface obtenue par l'en-
trelacs rigidifié est renforcée par un renfort accolé contre l'une des faces
dudit entrelacs et solidarisé de celle-ci. Ainsi, l'entrelacs rigidifié ne
forme
alors que la partie réfléchissante active de ladite surface. Un tel renfort
5 peut présenter une structure composite fibres - matrice polymérisée. Il est
alors avantageux que la solidarisation de la surface et du renfort soit ob-
tenue par collage à l'aide de la résine de ladite matrice, le renfort étant
formé sur ladite surface. Il faut bien entendu, à cet effet, que la tempéra-
ture de polymérisation de la résine soit inférieure à la température de fu-
sion de l'alliage métallique stable de diffusion.
On voit ainsi que, grâce à l'invention, on obtient une surface ré-
fléchissant les ondes électromagnétiques par brasage par diffusion des
fils électriquement conducteurs de l'entrelacs.
Par la mise en oeuvre de la présente invention, on a obtenu, entre
autres, des réflecteurs d'antenne pouvant fonctionner à des fréquences
comprises entre 18 GHz et plus de 45 GHz.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment
l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques
désignent des éléments semblables.
La figure 1 montre, en plan, un exemple d'entrelacs de fils électri-
quement conducteurs utilisé dans la mise en oeuvre de la présente inven-
tion.
La figure 2 montre, également en plan, une variante de l'entrelacs
de la figure 1.
Les figures 3 et 4 sont des coupes respectivement suivant les li-
gnes III-III et IV-IV des figures 1 et 2.
Les figures 5 et 6 illustrent, en coupe, des variantes de réalisation
des fils conducteurs utilisés pour former l'entrelacs des figures 1 et 2.
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Les figures 7A à 7F illustrent différentes phases du procédé de
réalisation d'un réflecteur d'antenne conforme à la présente invention.
Sur la figure 1, on a représenté un entrelacs 1 de fils électrique-
ment conducteurs 2 et 3 entrecroisés. Sur cette figure 1, à des fins de
simplification de dessin, l'entrelacs 1 est représenté sous la forme d'un
tissage à fils de chaîne 2 et à fils de trame 3, bien que l'entrelacs 1 pour-
rait être avantageusement constitué de mailles tricotées.
On remarquera que, dans l'entrelacs 1 de la figure 1, les fils élec-
triquement conducteurs 2 et 3 ménagent entre eux des vides 4.
Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, chaque fil 2 et 3
comporte une âme 5, par exemple de cuivre, revêtue superficiellement
d'un revêtement 6 en un métal à bas point de fusion, tel que l'indium. Le
diamètre d des fils 2 et 3 peut être compris de préférence entre 6 et 20
microns, tandis que l'épaisseur e du revêtement 6 peut être comprise en-
tre 10 Angstrôm et 1 micron.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'entrelacs 7 est sem-
blable à l'entrelacs 1 de la figure 1 à la différence près que les fils con-
ducteurs de trames et de chaînes 2 et 3 sont tissés de façon plus serrée
de façon à pratiquement éliminer les vides 4.
On sait que lorsqu'ils sont chauffés à une température au moins
égale au point de fusion de l'indium, l'indium et le cuivre diffusent l'un
dans l'autre pour former un alliage de diffusion stable dont le point de
fusion est compris entre celui de l'indium et celui du cuivre et est d'au-
tant plus élevé que température à laquelle sont soumis le cuivre et l'in-
dium est plus élevée.
On conçoit donc aisément que, si les entrelacs 1 et 7 sont soumis
à une élévation de température, au-delà du point de fusion de l'indium, en
étant soumis à une pression uniforme, les fils conducteurs 2 et 3 au con-
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tact les uns des autres vont être l'objet de la formation superficielle d'un
alliage stable de diffusion indium-cuivre.
La figure 3 illustre le contact des fils 2 et 3 à un de leurs points
de croisement, tandis que la figure 4 illustre le contact de deux fils 2 et 3
parallèles.
Après formation de cet alliage stable, les fils 2 et 3 des entrelacs
1 et 7 sont solidarisés les uns des autres, ce qui rigidifie lesdits
entrelacs.
Bien entendu, si pendant l'élévation de température, les entrelacs
1 et 7 sont conformés à des formes désirées pour l'entrelacs rigidifié, la
rigidification fixera la forme définitive desdits entrelacs.
Sur les figures 3 et 4, on a supposé que les fils 2 et 3 présen-
taient une section circulaire. Comme on peut le voir en variante sur la fi-
gure 5, lesdits fils pourraient présenter une section oblongue. Dans ce
cas, l'épaisseur ~ de ladite section peut être comprise entre 6 et 20 mi-
crons et la largeur L peut être comprise entre 0,2 et 1,5 mm, l'épaisseur 1
étant la même que précédemment. Par ailleurs, au lieu de ne comporter
qu'une âme 5 et un revêtement superficiel 6, les fils 2 et 3 pourraient
présenter une structure à plusieurs couches superposées. Sur la figure 6,
on a représenté une variante de réalisation desdits fils 2 et 3 dans
laquelle une couche intermédiaire 8 est interposée entre l'âme 5 et le re-
vêtement superficiel 6. Bien entendu, dans ce cas, la couche 8 doit être
en un métal apte à former un alliage de diffusion stable avec le revête-
ment 6.
Sur les figures 7A à 7F, on a représenté un moule 10 correspon-
dant à la forme convexe d'un réflecteur d'antenne. Pour obtenir ledit ré-
flecteur d'antenne, on effectue les opérations suivantes :
- sur le moule 10, on applique un entrelacs 1, 7 de fils électriquement
conducteurs 2 et 3, en tendant ledit entrelacs (figure 7A) ;
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- puis on fixe périphériquement ledit entrelacs 1, 7 ainsi appliqué sur le
moule 10 par tout moyen 11 désiré, par exemple un cordon de mastic
(voir figure 7B) ;
- sur l'entrelacs 1, 7 ainsi fixé sur le moule 10, on applique une peau de
matage 12 --préalablement réalisée sur le moule 10-- que l'on fixe par
tout moyen approprié 13, par exemple également un cordon de mastic
(figures 7B et 7C) ;
- l'ensemble du moule 10, de l'entrelacs 1, 7 et de la peau de matage
12 est alors introduit dans un autoclave 14, dans lequel ledit ensemble
est soumis à une élévation de température, au-delà du point de fusion
de l'indium, tout en lui appliquant une pression uniforme P1, par exem-
ple par l'intermédiaire d'une vessie à vide (non représentée), agissant
sur la peau de matage 12 ;
- dans ces conditions, de la façon décrite ci-dessus, il se forme superfi-
ciellement un alliage métallique de diffusion cuivre-indium à la surface
des fils électriquement conducteurs 2 et 3 de sorte que l'entrelacs 1, 7
se rigidifie à la forme du moule 10 ;
- après démarouflage (figure 7D), il est alors possible de napper, sur la
face convexe de l'entrelacs 1, 7, un renfort 15 de matière composite
fibres - matrice polymérisable (voir la figure 7E)
- après nappage du renfort composite 15, celui-ci est polymérisé dans un
autoclave 16 avec application d'une pression P2 ;
- pendant la polymérisation du renfort 15, la résine solidarise l'entrelacs
1, 7 dudit renfort 15 et l'on obtient ainsi une surface réfléchissant les
ondes électromagnétiques, constituée dudit entrelacs 1, 7 et de son
renfort arrière 15.
L'élévation de température dans l'étuve 14 conduisant au brasage
par diffusion de l'entrelacs 1, 7 peut être de 0,1 C par minute, depuis la
température ambiante jusqu'à la température désirée pour la diffusion,
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compatible avec la température de la polymérisation ultérieure de la résine
du renfort 15.
L'entrelacs 1, 7 est maintenu à cette température de diffusion dé-
sirée pendant une durée adaptée au brasage par diffusion, après quoi le
refroidissement peut être naturel.
