Pastilles de contacts électriques

 Propriétés générales des matériaux de contact 

Les matériaux de contacts doivent :
– Présenter des températures de fusion adéquates ;
– Avoir des conductivités électrique et thermique élevées ;
– Etre suffisamment inertes vis-à-vis de l’atmosphère dans laquelle ils seront placés pour éviter la formation de films isolants ;
– Présenter des propriétés mécaniques suffisantes pour supporter les forces appliquées lors de l’écrasement des contacts.

Changements d’états

Les changements d’état de la matrice et du renfort conditionnent pour une bonne part les performances des contacts en présence d’arc.

Les paramètres à prendre en compte sont les températures de fusion et d’ébullition de la matrice ainsi que les chaleurs latentes correspondantes, la température de vaporisation du renfort et sa chaleur latente, ainsi que les réactions éventuelles de changement de phase. Ces chaleurs latentes jouent le rôle de puits thermique en absorbant une partie de l’énergie de l’arc électrique. Les oxydes présentant des températures basses de changement d’état sont donc favorisés. Cependant, une température trop basse de changement d’état entraîne des problèmes de stabilité de l’oxyde lors de l’élaboration des pastilles de contact électrique. Elle favorise de plus le soudage et l’érosion par l’arc à cause de l’apparition en surface d’une couche de métal liquide. Une température trop haute favorise les réamorçages d’arc électrique.

Conductivité électrique kel

La conductivité électrique caractérise l’aptitude d’un corps ou d’une solution à laisser passer le courant électrique. Elle est exprimée en S.m-1. Le pourcentage IACS34 (International Annealed Copper Standard) est défini par le rapport entre la conductivité du matériau et celle d’un étalon de cuivre choisi comme référence 100%:

C = ( kel / 1.724) x 100 (2.1)

Avec kel : conductivité électrique (en S.m-1)
L’inverse de la conductivité, la résistivité ρ, est exprimée en Ohm.m .

Influence des conductivités sur le choix des matériaux de contact

Un contacteur ou un disjoncteur doit laisser passer le courant en position fermée. Il s’échauffe alors par effet Joule. Cet effet doit être contrôlé : les normes préconisent une augmentation de température inférieure à 70°C entre les bornes de connexion des contacteurs lors du passage du courant. Les contacts doivent donc être de bons conducteurs électriques et thermiques.

On constate que les meilleurs alliages sont à base de cuivre ou à base d’argent. Ceci explique l’emploi massif de ces deux éléments dans les lignes conductrices des disjoncteurs et des contacteurs. L’argent a une conductivité électrique supérieure de 8% à celle du cuivre : malgré son coût plus élevé, il est préférentiellement utilisé pour les pastilles de contact d’intensité importante. Il a de plus une bonne résistance à l’oxydation. L’or est rarement utilisé en raison de son prix élevé. Il est cependant totalement inoxydable. Quand l’atmosphère, particulièrement oxydante, interdit l’utilisation d’un autre élément, on réalise un dépôt de quelques microns d’or par galvanoplastie. Ce dépôt ne permet le passage que des courants faibles, comme ceux utilisés dans la connectique bas niveau. Le matériau le plus utilisé pour les forts courant est l’argent.

Conductivité électrique dans les alliages ou pseudo-alliages 

La résistivité d’un métal dopé ρ s’écrit :
ρ = ρdopant + ρΤ (2.7)

Avec ρdopant : résistivité du dopant dans le métal considéré,
ρΤ : résistivité du métal pur à la température.

Un alliage peut être considéré comme un métal dopé avec un second métal. Par exemple, pour un alliage dont le métal de base a une résistivité électrique inférieure au métal d’apport (comme dans le cas des contacts électriques à base d’argent), la résistivité de la solution solide est supérieure à celle de l’alliage. Les atomes du second métal freinent les électrons, d’autant plus s’ils sont répartis de manière homogène : la détermination de ρdopant est délicate car elle dépend de la répartition du dopant. Ainsi, la conductivité d’un cermet (céramique dans un métal) doit être comprise entre celle de la matrice seule et celle donnée par l’équation 2.6 dans le cas d’une répartition homogène de la céramique.

Conductivité thermique λ

La conductivité thermique λ est la quantité de chaleur échangée par conduction à travers un corps par unité de temps, de surface, d’épaisseur et de température.

Elle est définie par la relation de FOURIER si elle est considérée comme indépendante de la température :

φ.n = −λ⋅ grad(T) (2.8)

Avec φ : densité de flux de chaleur ;
T : température ;
n : vecteur normal.

La conductivité thermique λ est définie au niveau microscopique par l’énergie moyenne des particules permettant la conduction :
λ = C v lm / 3 (2.9)

Avec C : capacité thermique du système de particules considéré ;
v : leur vitesse moyenne ;
lm : leur libre parcours moyen.

La loi donnant les valeurs les plus proches de celles de SLADE (utilisé comme source expérimentale) est la loi des mélanges modifiée dotée d’un paramètre β avec β = 88,1%. Des relations, ont été proposées pour évaluer la conductivité d’un massif poreux. Elles comportent un facteur de forme ou une description phénoménologique de ce problème. Ces relations sont bien adaptées à un solide poreux ou à un renfort ayant une conductivité thermique négligeable. Or λr / λm vaut environ 1/10 pour l’oxyde d’étain, ce qui limite leur usage. Les conductivités de l’argent et du cuivre en fonction de la température sont disponibles dans la littérature. Nous n’avons pas trouvé d’étude de l’évolution avec la température de la conductivité thermique et de la capacité calorifique du SnO2 tel qu’il est utilisé dans les matériaux de contacts. La seule étude que nous avons trouvée concerne une application du SnO2 comme substrat pour les capteurs de gaz. Ce matériau est dopé avec MnO2 pour faciliter le frittage et les tailles de grains sont du même ordre que celles du SnO2 de notre matériau. La conductivité thermique à l’ambiante trouvée par ces auteurs est comparable à celle donnée par les Handbooks pour le SnO2. Cependant, nous avons fait un calcul dans lequel le SnO2 présentait une conduction thermique 50% plus importante que celle que nous avons utilisée. Du fait de la faible fraction de SnO2 dans le matériau et du rapport des conductivités, la conductivité de l’Ag-SnO2 12%W n’augmente dans ce cas que de moins d’1%. L’effet du dopage avec MnO2 est donc considéré comme du second ordre sur l’évolution avec la température de la conductivité thermique de l’Ag-SnO2. Il pourrait être intéressant par la suite de disposer d’une étude de l’évolution de la conductivité thermique de l’Ag-SnO2 utilisé pour les contacts électriques.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1. Disjoncteurs et contacteurs
Chapitre 2. Pastilles de contacts électriques
Chapitre 3. Etude de l’endommagement
Chapitre 4. Caractérisation thermomécanique de l’argent oxyde d’étain
Chapitre 5. Evolution du champ de températures dans un contact soumis à un arc électrique
Chapitre 6. Simulation thermomécanique d’une pastille de contact électrique en Ag-SnO2
Conclusion générale
Bibliographie de la thèse

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