Protection des circuits électriques des avions plus composites et plus électriques : propriétés électriques des varistances élaborées par ''Spark Plasma Sintering''

Electric circuit protection for more composite and more electrical aicraft : electrical properties of varistors obtained by ''spark plasma sintering''

• Auteur / Autrice : Thomas Perel
• Direction : Vincent Bley, David Malec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Varistances

Foudre

Industrie aéronautique

Mots clés libres

Varistance

Foudre

Frittage SPS

ZnO

Aéronautique

Protection contre les surtensions

Résumé

Depuis plusieurs années, les avionneurs s'intéressent aux matériaux composites pour la fabrication de leurs avions ainsi qu'à l'électrification de fonctions en zones déportées, liée au concept de l'avion '' plus électrique ''. Les critères de performances de ces mutations technologiques sont nombreux (gains de masse, volume, coût d'exploitation, d'efficacité. . . ) mais sont source de problématiques nouvelles notamment en cas d'agression foudre. La protection des équipements suite à un choc de foudre sur la structure de l'avion doit donc s'effectuer par un composant ou système possédant une caractéristique courant-tension fortement non-linéaire et capable d'absorber de fortes densités énergétiques. Les varistances à base d'oxyde de zinc réunissent des propriétés qui en font de bonnes candidates. La technique de Frittage Flash ou '' Spark Plasma Sintering '' s'avère particulièrement intéressante pour la réalisation de celles-ci. En effet, cette technique de frittage est connue pour accroître les cinétiques de densification des matériaux. Ainsi un meilleur contrôle de leur microstructure laisse envisager des performances électriques maximisées pour une compacité maximale. Les objectifs de ce travail sont d'étudier l'influence de cette méthode de frittage sur les propriétés électriques du matériau ainsi que de montrer les avantages et inconvénients par rapport à une méthode de frittage conventionnel. Pour ce faire, une modélisation électrothermique basée sur la variation de la hauteur de barrière est proposée. D'autre part, les différentes voies d'encapsulation testées permettront d'effectuer quelques préconisations quant aux choix de celles-ci. Enfin, la diminution de la taille de grains du composant entraînant inévitablement une baisse de sa densité d'énergie maximale admissible, nous montrerons les limites des caractéristiques électriques obtenues sur des échantillons frittés par Spark Plasma Sintering.

Since several years, manufacturers are interested in composite materials for the fabrication of their aircrafts as well as the electrification on deported equipments related to the concept of ''more electric'' aircraft. The performance criteria of these technological changes are significant (weight gains, volume, operating cost, efficiency. . . ), but are sources of new problems especially in case of lightning strike. The protection of the equipments after a lightning strike on the aircraft structure must be performed by a system or a component having a highly non-linear current voltage characteristic and able to absorb high energy density. Thanks to their properties, Zinc oxide based varistors seems to be good candidates. Flash Sintering technique or ''Spark Plasma Sintering'' is a particularly interesting production technique. Indeed, this sintering technique is known to increase the kinetics of densification of materials. Thus, a better control of their microstructure suggests maximized electrical performances for a maximum compactness. The objectives of this work are to study the influence of the sintering method on the electrical properties of the material and to show the advantages and disadvantages compared to a conventional sintering method. For this, an electrothermal model based on the barrier height variation is proposed. On the other hand, different encapsulation ways are tested and some recommendations are proposed concerning theirs choice. Finally, as the decrease of the component grain inevitably leads to a decrease on the maximum permissible energy density, we show the limits of the electrical characteristics obtained on samples sintered by Spark Plasma Sintering.