Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Beaucoup de matériaux qualifiés d’isolants, c'est-à-dire ne permettant pas le passage d’un courant électrique, sont élaborés par la technologie céramique ou par la technologie verrière.
Les céramiques sont des objets polycristallins dont les propriétés sont celles de leurs grains associés à leurs joints de grains. Les verres peuvent être décrits comme des liquides utilisés à une température où leur viscosité, très importante, permet de les assimiler à des solides.
Les origines des propriétés d’isolation électrique de ces matériaux sont multiples. Pour beaucoup d’entre eux, seule l’application d’isolation électrique est visée. Pour bien d’autres, la propriété d’isolation est un paramètre indispensable au développement de la fonction recherchée.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jean-Marie HAUSSONNE : Professeur des universités Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg LUSAC UR4253
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Jérôme BERNARD : Maître de conférences HDR Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg LUSAC UR4253
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David HOUIVET : Maître de conférences HDR Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg LUSAC UR4253
INTRODUCTION
La notion d’isolation électrique relève naturellement d’une fonction consistant à séparer dans des circuits électriques ou électroniques des conducteurs ou des composants portés à des potentiels électriques différents, que ce soit dans le domaine des très hautes tensions ou, à l’opposé, de tensions électriques très faibles. Les matériaux assurant cette fonction s’opposent donc au passage d’un courant électrique. Ils sont appelés « isolants ». Ils peuvent être constitués par exemple de gaz, de papiers, d’huiles ou de minéraux tels des micas. Beaucoup d’entre eux sont des porcelaines, des oxydes ou des nitrures élaborés par une technologie céramique ou encore des verres.
Le matériau, dans cette application d’isolation, n’a d’autre fonction que d’isoler électriquement des objets, conducteurs ou non, portés à des potentiels électriques différents. Il peut être également recherché d’exploiter les propriétés diélectriques associées aux propriétés d’isolation soit par exemple lors de la réalisation de condensateurs, ou encore pour assurer l’interconnexion entre divers composants rassemblés en un dispositif électronique travaillant à très haute fréquence.
Cette notion d’isolation électrique peut être considérée également de manière beaucoup plus large en incluant des applications où les matériaux peuvent être isolants ou conducteurs en fonction de la température ou du gradient de tension électrique qui leur est appliqué.
Les matériaux dont la propriété recherchée est, par exemple, la caractéristique magnétique ou la piézoélectricité, mais qui ne pourrait être exploitée sans qu’ils ne soient, par ailleurs, isolants seront, enfin, évoqués.
Un bref rappel permet au début du document de comprendre les différences fondamentales existant entre les verres et les céramiques :
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les verres sont des matériaux que l’on peut décrire comme des liquides dont la très forte viscosité à température ambiante permet de les assimiler à des solides amorphes ;
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les céramiques sont des matériaux présentant une structure cristalline, caractérisés par une microstructure formée de grains et de joints de grains.
Les différents mécanismes de conduction électrique dans le volume et à la surface des matériaux cristallins que sont les céramiques et des matériaux amorphes que sont les verres sont ensuite décrits. Enfin, des compositions permettant aux céramiques et aux verres d’être qualifiés de « matériaux isolants » sont succinctement présentées.
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MOTS-CLÉS
technologie céramique verre matériaux céramiques Isolants isolation électrique polycristallins
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6. Conclusion
Les céramiques et les verres sont des matériaux complexes, que ce soit en termes de structure ou de microstructure. Les céramiques sont des matériaux multiphasés dans lesquels un ordre « à longue distance » (plusieurs mailles cristallines) dans les trois dimensions prévaut. Le domaine de cohérence cristalline dans une céramique est ce l’on appelle le « grain » d’où la notion de matériau polycristallin. Dans les verres, un ordre ne peut être décrit qu’à très courte distance (quelques Å), ce qui interdit l’existence de propriétés liées à un réseau cristallin.
Ce qui distingue les verres des céramiques est donc que :
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ces dernières sont des matériaux formés de grains caractérisés chacun par sa structure cristalline, séparés par des joints de grains. Ces grains n’ont pas forcément tous les mêmes propriétés physiques (électriques, mécaniques, etc.). Les proportions respectives de ces phases et la manière dont elles sont dispersées permettent donc de moduler les propriétés des céramiques. La caractéristique d’isolation a donc pour origine la nature cristalline des grains (théorie des bandes). Elle tient également de la présence des joints de grains : ces joints de grains, pouvant inclure éventuellement des phases cristallines ou amorphes et permettre l’existence d’effets d’interface, peuvent influer également sur le caractère isolant de ces matériaux ;
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à l’opposé, les verres sont, par définition, des matériaux amorphes, sans grains ni joints de grains, assimilables à un liquide dont la très forte viscosité les rend semblables à des solides. Ils comportent des cations formateurs de réseau (le plus souvent Si) et des cations modificateurs de réseau (Na, K, etc.). Ces modificateurs de réseau vont permettre de moduler les propriétés des verres, en particulier la propriété de résistivité électrique. En effet, la mobilité des ions modificateurs sous l’influence d’un champ électrique induit l’existence d’une conductivité de type ionique et donc rend le verre plus ou moins isolant.
Outre les applications relevant exclusivement de la propriété d’isolation, associée éventuellement à une faible constante diélectrique ou à une forte conductibilité thermique, beaucoup d’autres fonctions peuvent...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HAUSSONNE (J.-M.), CARRY (C.), BOWEN (P.), BARTON (J.) - Céramiques et verres, principes et techniques d’élaboration (traité des matériaux volume 16) - . Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (PPUR) (2005).
-
(2) - GERL (M.), ISSI (J.-P.) - Physique des matériaux (traité des matériaux volume 8) - . Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (PPUR), juil. 1997.
-
(3) - C. BUCHANAN (R.C.) - Properties of ceramic insulators dans ceramic materials for electronics - . Édité par BUCHANAN (R.C.) et DEKKER (M.), the American Ceramic Society, p. 1-77 (1990).
-
(4) - WILSON (A.H.) - Theory of metals - . Cambridge University Press, Cambridge (1958).
-
(5) - HOUIVET (D.), BERNARD (J.) - Powder mixing and grinding processes for ceramics (in Encyclopedia of materials: technical ceramics and glasses) - . Elsevier (2021).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Conditions normales à observer avant et pendant les essais de matériaux isolants électriques solides - EN 60212 -
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Matériaux isolants électriques. Propriétés d’endurance thermique. Partie 1 : Méthodes de vieillissement et évaluation des résultats d’essai Partie 2 : Détermination des propriétés d’endurance thermique de matériaux isolants électriques – Choix de critères d’essai Partie 3 : Instructions pour le calcul des caractéristiques d’endurance thermique Partie 4-1 : Étuves de vieillissement – Étuves à une chambre Partie 4-2 : Études de vieillissement – Étuves de précision pour des utilisations pouvant atteindre 300 °C Partie 4-3 : Étuves de vieillissement – étuves à chambres multiples Partie 5 : Détermination de l’indice d’endurance thermique relatif (RTE) d’un matériau isolant Partie 6 : Détermination des indices d’endurance thermique (TI et RTE) d’un matériau isolant en utilisant la méthode de « trame de durées fixes (fixed time frame) » Part 7-1 : Accelerated determination of relative thermal endurance using analytical test methods (RTE<(Index)A>) – Instructions for calculations based on activation energy Part 7-2 : Results of the round robin tests to validate procedures of IEC TS 60216-7-1 by non-isothermal kinetic analysis of thermogravimetric data - EN 60216 -
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Rigidité diélectrique des matériaux isolants – Méthodes d’essai. Partie 1 : Essais aux fréquences industrielles Partie 2 : Exigences complémentaires pour les essais à tension continue Partie 3 : Exigences...
ANNEXES
Directive REACH : règlement (CE) n° 1907/2006 du Parlement européen et du Conseil du 18 décembre 2006 concernant l’enregistrement, l’évaluation et l’autorisation des substances chimiques, ainsi que les restrictions applicables à ces substances (REACH), instituant une agence européenne des produits chimiques, modifiant la directive 1999/45/CE et abrogeant le règlement (CEE) n° 793/93 du Conseil et le règlement (CE) n° 1488/94 de la Commission ainsi que la directive 76/769/CEE du Conseil et les directives 91/155/CEE, 93/67/CEE, 93/105/CE et 2000/21/CE de la Commission.
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