Titre de l’invention : Vitrage à couche antistatique flottante

Les vitrages aéronautiques sont généralement constitués de matériaux électriquement isolants (verre, PMMA, PC...) qui tendent à se charger électriquement dans certains environnements par effets triboélectriques. Ces environnements sont par exemple les nuages de poussière d’éruptions volcaniques, la neige, les cristaux de glace. Les courants typiques qui peuvent être rencontrés sont de quelques centaines de uA/m ² de vitrage. Pour de tels courants, les écoulements dans l’épaisseur et à la surface des vitrages peuvent être négligés.

Il se constitue alors un potentiel de surface du vitrage différent de celui de la structure de l’avion qui est généralement munie de dissipateurs passifs.

En outre les vitrages aéronautiques sont généralement munis d’un système antigivre couvrant tout ou partie de la surface feuilletée du verre (organique ou minéral) exposé aux phénomènes de charges sur son autre face (feuille de verre extérieure, ou verre externe).

En conditions chargeantes il en résulte :

-un champ électrique intense dans l’épaisseur du verre externe (entre sa face chauffante et sa face chargée) pouvant induire une rupture diélectrique dans son épaisseur et sa ruine ;

-une énergie électrique importante stockée dans le condensateur formé par l’épaisseur du verre externe (diélectrique) et les deux électrodes que sont ses deux surfaces. Cette énergie peut alimenter des décharges de surface arborescentes entre la structure de l’avion en périphérie du vitrage et la surface du vitrage. Ces décharges provoquent :

-un rayonnement électromagnétique pouvant perturber l’électronique de l’avion ;

-des surtensions ou des surintensités en particulier sur les circuits de sonde de température en regard de la couche chauffante et permettant de réguler la température du vitrage pour prévenir le givrage ;

-un éblouissement des pilotes par le rayonnement lumineux des décharges.

L’établissement d’une décharge de surface nécessite un plasma suffisamment énergétique en pointe de décharge. En pratique pour un verre de 3 mm d’épaisseur et sous une pression atmosphérique de 1 bar, il faut un potentiel de surface d’au moins 25 kV pour que des décharges de surface s’établissent.

Pour toutes ces raisons on est parfois amené à ménager un système de décharge électrostatique qui peut : i -être constitué d’un traitement de surface du verre visant à lui conférer des propriétés dissipatives (électriques) et relié à la masse de l’avion ;

-équiper la surface externe du vitrage de pointes métalliques reliées à la masse avion permettant une décharge couronne précoce. Cette seconde solution n’est pas applicable au verre minéral car en pratique il est nécessaire de percer le verre externe pour faire cheminer un fil jusqu’à sa surface. Il est donc plus souvent employé sur les vitrages en plastique perçable. La première solution peut être appliquée aux verres minéraux par application d’un revêtement durable de type oxyde d’indium - étain (en anglais « Indium Tin Oxide » - ITO-) ou carbone de type diamant (en anglais « Carbon Like Diamond » - DLC) ou oxyde sous- stoechiométrique. Sur les verres organiques des couches conductrices peuvent également être appliquées mais elles sont généralement sensibles à la rayure. Pour toutes ces solutions, les charges électriques sont drainées à la masse avion via des fils électriques.

La gestion du cheminement des fils électriques vers la masse avion induit des complexités liées à des problématiques d’encombrement, et/ou de visibilité et/ou d’interface et/ou de durabilité de la connexion fil - couche dissipatrice. En particulier, les couches dissipatrices étant en surface des vitrages elles sont soumises aux environnements érodants. Une connexion électrique sur cette surface induit une surépaisseur accroissant l’exposition aux érosions et nécessitant une stratégie de protection désaffleurante (perturbation aérodynamique, bruits aérodynamiques, érosion et maintenance associée). Enfin, l’attachement de la foudre sur ces drains reliés à la masse avion dans sa partie interne peut induire :

-une dégradation structurelle du vitrage ;

-des rayonnements électromagnétiques à l’intérieur de la structure avion ;

-des échauffements et projections de métaux en fusion à l’intérieur de l’avion pouvant entraîner des incendies.

L’invention a été réalisée en se demandant si les problèmes ci-dessus ne peuvent pas être éradiqués en laissant la couche antistatique flottante, c’est-à-dire non reliée électriquement à la masse de la structure de montage (notamment carlingue d’avion). Il faut alors concevoir le système pour favoriser des décharges ne dégradant pas la performance de l’avion. Il a pu être répondu favorablement à ces interrogations par l’invention qui, en conséquence, a pour objet un vitrage feuilleté comprenant une première feuille de verre et au moins une feuille de verre structurale collées deux à deux par une couche adhésive intercalaire, la surface principale libre de la première feuille de verre étant destinée à être en contact avec l’atmosphère extérieure, la première feuille de verre étant en retrait par rapport à ladite au moins une feuille de verre structurale, et ayant une épaisseur comprise entre 0,5 et 5 mm, les chants de la première feuille de verre et de la première couche adhésive intercalaire, et la partie libre de la surface principale de la feuille de verre structurale, en débord de la première feuille de verre, formant une cavité d’accueil d’un reteneur de fixation par pincement du vitrage feuilleté à une structure de montage de la masse de laquelle le reteneur est électriquement solidaire, ladite surface libre de la première feuille de verre supportant une couche antistatique non électriquement solidaire de la masse de la structure de montage, et de conductivité électrique inférieure à 10 MOhm par carré, caractérisé en ce qu’un point au moins de la couche antistatique est situé à 10 mm au plus du reteneur, ou la couche antistatique est intégralement située à plus de 10 mm du reteneur et la surface principale de la première feuille de verre interne à la structure du vitrage feuilleté supporte une électrode électriquement solidaire de la masse de la structure de montage.

Quand deux électrodes planes sont en vis-à-vis, à partir d’un champ électrique seuil (champ de claquage), une décharge peut s’amorcer et quasi instantanément génère un arc. La phase de décharge correspond à l’établissement d’un champ électrique suffisant pour qu’une première ionisation (rayonnement ionisant par exemple) engendre une avalanche d’ionisations. Les électrons sont en effet accélérés par les effets du champ électrique et peuvent alors par bombardement électronique des gaz engendrer d’autres ionisations. D’autres mécanismes sont mis enjeu (excitation des espèces moléculaires, rayonnements UV, photo-ionisation, émission électronique sous impact d’ion et d’électron, attachement électronique. ..).

L’arc résulte de la création d’un chemin conducteur dans l’air par échauffement de l’air par le passage du courant. Dans des configurations de type plan/pointe, ou pointe/pointe, le champ électrique n’est pas homogène et se retrouve plus intense à proximité des pointes. Seul un volume à proximité des pointes est alors capable d’entraîner des avalanches d’ionisation. La décharge reste localisée à proximité des pointes. On parle alors de décharge couronne ou décharge partielle. Malgré son caractère partiel cette décharge est capable d’écouler un courant de l’ordre du mA/cm pour les géométries linéaires, c’est-à-dire un courant élevé au regard des courants chargeants sur vitrage aéronautique, de l’ordre de quelques centaines de uA/m ² en conditions fortement chargeantes.

Le champ électrique généré par des éléments chargés peut générer des plasmas atmosphériques. Les espèces ionisées (ions et électrons) sont alors transportées par les champs électriques et en particulier des charges peuvent être transportées vers des surfaces isolantes telles le verre. En cas d’initiation de décharges partielles, les champs électriques se retrouvent modifiés par les charges d’espace dans l’air (séparation des espèces chargées différemment et mobilité différente des espèces) et sur les surfaces isolantes. La mobilité des charges de surface étant très inférieure à celle des charges en phase atmosphérique ce sont ces dernières qui ont le plus d’influence sur les potentiels. Ainsi pour des décharges peu intenses, les potentiels des isolants vont s’établir de façon à ce qu’aucun courant net ne soit collecté.

Pour des raisons pratiques il est extrêmement compliqué d’assurer une continuité entre la couche antistatique et le reteneur. Il existe donc un espace diélectrique à la surface du vitrage entre le bord de la couche antistatique et le reteneur métallique. En environnement chargeant des potentiels différents s’établissent entre le reteneur, la surface de la couche antistatique et les diélectriques isolants. Il en résulte des champs électriques intenses notamment par effet de pointe en bord de structure métallique et en bord de couche antistatique (très mince). Il en résulte l’amorçage de décharges partielles générant un plasma chargeant la surface des diélectriques.

En régime d’équilibre, la surface des diélectriques se retrouve à des potentiels intermédiaires entre structure métallique et couche antistatique. Les effets de pointes se retrouvent alors écrantés par les charges d’espace sur les diélectriques. Il en résulte une extinction des décharges partielles. On a alors possibilité d’atteindre dans l’intervalle d’air entre le reteneur et la couche antistatique des lignes de potentielle relativement parallèles entre elles et perpendiculaires à la surface du vitrage, caractéristiques des décharges plan/plan et donc les critères de décharge sont régis par la loi de Paschen. Ces décharges ont une transition immédiate en arc. Les courants d’arc étant très élevés, les charges de la couche antistatique ne peuvent alimenter l’arc par conduction dans cette dernière mais uniquement par déplacement de la tête d’arc sur la surface de la couche antistatique. Il s’agit du mécanisme de décharge de surface déjà décrit. Pour éviter ces décharges il faut s’assurer que le potentiel du verre soit inférieur au potentiel nécessaire à l’établissement de décharges de surface (typiquement 25 kV pour un verre de 3 mm). Les champs de claquage décrits par la loi de Paschen sont de 30 kV/cm à pression atmosphérique (pire cas). Pour permettre des décharges partielles il faut alors que le bord de couche se situe à moins de 8 mm du reteneur en au moins un point.

Ainsi, selon la première alternative de l’invention, la couche antistatique flottante de conductivité électrique inférieure à 10 MOhm par carré positionnée sur un verre de 0,5 à 5 mm se situe en au moins un point à moins de 10 mm d’un élément électriquement solidaire de la masse avion.

Conformément à la seconde alternative de l’invention, on génère une singularité de champ électrique au voisinage du bord de couche antistatique flottante au moyen d’une électrode solidaire de la masse avion présente dans le feuilleté, idéalement sur la surface interne du verre externe. Dans cette seconde alternative ou configuration, le champ électrique est plus influencé par le potentiel de l’électrode du feuilleté que par le reteneur.

Là encore l’amorçage de décharges engendre un dépôt de charges à la surface du verre de telle façon que le champ électrique à la surface du verre lui est parallèle dans la zone active de la décharge. Dans ce cas l’influence de l’électrode de masse permet de créer un effet de pointe en bord de couche.

Si le bord de couche antistatique est suffisamment éloigné du bord du reteneur, on peut alors générer une décharge couronne qui ne s’attache pas au reteneur de vitrage, évitant ainsi tout phénomène de dégradation de ce dernier.

Une telle configuration est connue sous le nom de décharge à barrière diélectrique et peut typiquement amorcer des décharges partielles pour 3 mm de verre à partir d’une différence de potentiel entre la couche antistatique et l’électrode de masse de 6 kV pour un verre de 3 mm d’épaisseur. Il s’agit donc d’un mode de décharge plus doux que celui de la première alternative de l’invention.

Selon l’invention, une feuille de verre désigne aussi bien une feuille de verre minéral du type sodocalcique, aluminosilicate, borosilicate, flotté, éventuellement trempé thermiquement ou renforcé chimiquement, qu’une feuille de matériau polymère transparent tel que poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), polycarbonate (PC), poly(téréphtalate d’éthylène) (PET), polyuréthane (PU)... La première feuille de verre est une feuille de surfaçage relativement fine, au contraire de la ou des feuille(s) structurale(s), désignant des feuilles aptes à garantir les propriétés mécaniques requises pour le vitrage feuilleté, en particulier dans le cas où celui-ci doit délimiter un volume pressurisé tel qu’un avion. Lorsque le bloc structural ne comprend qu’une feuille de verre, on considère que celle-ci est structurale à condition que son module élastique soit au moins égal à 1500 MPa par exemple. La ou les feuille(s) de verre structurale(s) est(sont) par exemple en verre minéral d’épaisseur comprise entre 1,6 et 10 mm, ou en matériau polymère de type PMMA d’épaisseur comprise entre 3 et 30, de préférence au plus 20 mm.

Une couche adhésive intercalaire est constituée d’un polymère thermoplastique, principalement polyvinylbutyral (PVB), polyuréthane thermoplastique (TPU), copolymère éthylène - acétate de vinyle (EVA), résine de coulée, résine ionomère. L’épaisseur de la première couche adhésive intercalaire collant la première feuille de verre à la première feuille structurale est comprise entre 3 et 10, de préférence 4 et 8 mm, tandis que l’épaisseur de la ou des couche(s) adhésive(s) intercalaire(s) suivante(s) collant des feuilles structurales deux à deux est comprise entre 0,5 et 4 mm, de préférence au plus égale à 2 mm. De préférence, la couche antistatique est en oxyde dopé tel qu’oxyde d’indium - étain (ITO) ou oxyde d’aluminium - zinc (AZO), en oxyde non stoechiométrique tel que SnCh, ou en carbone de type diamant (en anglais Diamond Like Carbon - DLC -), d’épaisseur comprise entre 5 nm et 1 iim, de préférence entre 10 et 50 nm. La couche antistatique peut être déposée sur le verre par un moyen PVD (de l’anglais « Physical Vapour Deposition »), par exemple par pulvérisation cathodique assistée par champ magnétique - magnétron sous pression réduite, ou par voie liquide, par exemple sol - gel.

De préférence, la couche antistatique a une conductivité électrique au moins égale à 100 Ohm par carré, de préférence 10 kOhm par carré, et au plus égale à 100 kOhm par carré.

De préférence, l’électrode est plus proche du reteneur que la couche antistatique, d’une distance de préférence au moins égale à l’épaisseur de la première feuille de verre, le bord de l’électrode distal par rapport au reteneur est plus proche de ce dernier que le bord proximal de la couche antistatique d’une distance au plus égale à l’épaisseur de la première feuille de verre, à plus éloigné d’une distance au plus égale aux dimensions caractéristiques des surfaces principales de la première feuille de verre, et la longueur de l’électrode dans la direction normale au reteneur est au moins égale à l’épaisseur de la première feuille de verre.

De préférence, le bord proximal de la couche antistatique par rapport au reteneur est droit et parallèle à ce dernier, ou présente des effets de pointe pour favoriser l’amorçage de décharges électriques.

Dans ce dernier cas, le bord proximal de la couche antistatique par rapport au reteneur comprend des pointes de préférence sous formes de triangles, de rectangles plus longs que larges, de rectangles aux coins arrondis ou de rectangles terminés de triangles, les côtés des rectangles ou triangles étant rectilignes ou courbes de manière à former des bords concaves ou convexes, et les pointes étant intégralement en vis-à-vis de l’électrode si elle existe. Les pointes peuvent être obtenues par ablation sélective de couche antistatique, par exemple au moyen d’un laser, par une méthode mécanique ou chimique. Elles peuvent être obtenues par masquage à l’étape de dépôt.

De préférence, l’électrode constitue la couche chauffante antigivre ou est une électrode additionnelle telle qu’en oxyde d’indium - étain (ITO) ou équivalent. Si l’électrode feuilletée est la couche chauffante elle-même, on s’assurera alors que dans les phases non chauffantes, cette dernière reste au potentiel de la structure de montage.

L’invention a également pour objet l’utilisation d’un vitrage feuilleté décrit ci-dessus comme vitrage de cockpit d’avion, notamment pare-brise, notamment d’avion commercial moyen et long courrier, avion d’affaire, de tourisme. L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit des dessins annexés dans lesquels

[Fig. 1] est une vue schématique en coupe d’un vitrage de l’état de la technique ; [Fig. 2] est une vue schématique en coupe d’un vitrage selon la première alternative de l’invention ;

[Fig. 3] est une vue schématique en coupe d’un vitrage selon la seconde alternative de l’invention ;

[Fig. 4] est une représentation partielle schématique d’un vitrage selon la seconde alternative de l’invention ;

[Fig. 5] et [Fig. 6] sont deux vues schématiques de face de l’extérieur de vitrages conformes à l’invention.

En référence à la Figure 1, un pare-brise d’avion commercial représentatif de l’état de la technique est constitué d’une feuille fine extérieure 2 de verre collée à une feuille de verre structurale 3 relativement épaisse par l’intermédiaire d’une couche 4 relativement épaisse de TPU. La feuille de verre 3 constitue le bloc structural du feuilleté avec la feuille de verre structurale 3 ’ relativement épaisse, à laquelle elle est collée par une couche 6 assez fine de PVB. Le vitrage feuilleté est en appui sur un reteneur intérieur 1 ’, qui peut être la structure avion, avec interposition d’une cale 7. Le vitrage est fixé à la structure de montage par le reteneur 1, reteneur extérieur constitué d’un presse-glace qui, en étant boulonné à la structure avion, exerce une pression sur le bord du bloc structural 3, 6, 3’ par l’intermédiaire du joint silicone 5.

Une connexion électrique est établie entre la couche antistatique 8 et la masse avion non représentée. Cette connexion peut être obtenue par collage au moyen d’une colle conductrice 11, d’un premier élément conducteur de connexion 10 et d’un fil de cheminement 10’ vers un raccordement à la masse avion. Selon les cas, 10 et 10’ peuvent être un unique câble ou préférentiellement un élément fin de type clinquant métallique pour 10 et un câble 10’ par exemple brasés l’un à l’autre. Un tel assemblage nécessite une protection 12 à l’environnement érodant et aux pénétrations d’humidité. La face interne à la structure feuilletée de la première feuille de verre 2 ou feuille de verre extérieure supporte une couche chauffante 9 antigivre en ITO, reliée à la masse de la structure avion par l’intermédiaire des sources électriques. Cette configuration présente les inconvénients décrits précédemment.

La Ligure 2 décrit la première alternative de l’invention. Ici, la couche antistatique 8 est flottante, ou en d’autres termes, n’est pas reliée électriquement à la masse de la structure avion. La couche antistatique 8 est distante d’au plus 10 mm du reteneur 1 (ou presse-glace). Sont représentés une décharge couronne 20 en bord de couche antistatique 8, une décharge couronne 21 au bord du reteneur 1, ainsi qu’un arc électrique 22 entre couche antistatique 8 et reteneur 1. La transition des décharges couronnes 20 et 21 à l’arc électrique 22 peut exceptionnellement se produire mais de façon instable et sans entraîner de décharge de surface. La Figure 3 décrit la seconde alternative de l’invention, selon laquelle la couche antistatique

8 est intégralement située à plus de 10 mm du reteneur 1 et la couche chauffante ou électrode

9 est électriquement solidaire de la masse de la structure de montage, de sorte que les décharges électriques se font préférentiellement au niveau du bord de la couche antistatique grâce à l’amplification de champ électrique générée par la proximité de l’électrode 9. Les charges électriques sont alors mises dans l’air et peuvent être toutes ou en partie recollectées par l’avion mais sans phénomène de décharge. La décharge couronne 21 et l’arc électrique 22 de la Figure 2 ne se produisent plus, contrairement à la décharge couronne 20 qui est maintenue.

En référence à la Figure 4, on représente les positions relatives de la couche antistatique 8, de l’électrode feuilletée 9 et du reteneur 1 ou presse-glace, selon la seconde alternative de l’invention. Ces positions relatives peuvent être définies par le fait que u est positif, de façon préférentielle supérieur à une épaisseur e de verre externe 2 ; v compris entre -e et toute valeur positive inférieure à la taille caractéristique du verre extérieur 2 (longueur L et largeur 1 de ses surfaces principales) ; u+v > e ; et D > 10mm.

Le bord de couche antistatique 8 peut être globalement droit ou texturé de façon à former des pointes ou doigts orientés vers le reteneur 1 (première alternative de l’invention), et/ou intégralement en vis-à-vis de l’électrode feuilletée (seconde alternative de l’invention). Sur les Erreur ! Source du renvoi introuvable, et Erreur ! Source du renvoi introuvable, sont représentés le reteneur 1 et deux configurations de couche antistatique 8 présentant un bord à pointes, configurations représentatives à la fois de la première alternative de l’invention (D <

10 mm), et de la seconde (D > 10 mm). Typiquement on choisira e’ inférieur ou égal à l’épaisseur du verre extérieur 2, d supérieur ou égal à l’épaisseur du verre extérieur 2 et L supérieur à l’épaisseur du verre extérieur 2. La zone de décharge est constituée d’une couche de même nature que la couche antistatique 8 et dont les bords sont formés par masquage lors du dépôt, ablation après dépôt par exemple par laser, ou dépôt additionnel d’éléments conducteurs par collage ou sérigraphie par exemple. La solution proposée est à comparer à un vitrage non muni de solution antistatique d’une part et à un vitrage équipé d’une couche antistatique déchargée par un drain d’autre part. Vis-à-vis des solutions sans couche antistatique la solution de l’invention permet de supprimer les décharges éblouissantes et rayonnantes (perturbations électromagnétiques, visuelles et sonores).

La mise en œuvre d’un drain conducteur entre la surface externe d’un vitrage et la structure interne de l’avion présente les limites suivantes : complexité de mise en œuvre d’une liaison électrique fiable entre une couche non métallique et un drain métallique (collage, dilatations différentielles, sensibilité à l’humidité. ..) ; protubérance (impact aérodynamique, dont bruits) ; risque de rupture du vitrage ou incendie interne à l’avion en cas d’attachement de la foudre sur le drain.

Ces limitations sont résolues par la présente invention.