La défaillance d’un circuit est l’une des principales causes d’incendie. Selon les statistiques, plus de 35 % des accidents d’incendie dans le monde sont causés chaque année par des problèmes de câbles. Ces défaillances résultent souvent de l’utilisation de câbles non ignifuges, de conducteurs de câbles endommagés, de mauvaises connexions de câbles et du vieillissement de l’isolation des câbles. La résistance au feu est donc cruciale dans le choix des matériaux des câbles.
À l’heure actuelle, les câbles isolés résistants au feu les plus courants sur le marché sont principalement les câbles à isolation minérale (câbles MI, isolation en oxyde de magnésium) et les câbles résistants au feu enveloppés de ruban de mica. Les deux câbles présentent une bonne résistance aux températures élevées et des propriétés ignifuges, mais ils présentent également certaines limites dans les applications pratiques.
Bien que les câbles à isolation minérale (câbles MI) présentent d’excellentes performances, ils sont difficiles à poser en raison du processus d’installation complexe, des exigences élevées en matière de compétences professionnelles des ouvriers du bâtiment et des coûts élevés des matières premières, ce qui les rend difficiles à promouvoir et à appliquer à grande échelle. De plus, les câbles MI ont de mauvaises performances de flexion, ce qui augmente la complexité et le coût de l’installation.
En revanche, les câbles résistants au feu enveloppés de ruban de mica nécessitent plusieurs couches d’enroulement pendant le processus de production. En raison des limites du processus de fabrication, les bandes de mica sont sujettes à des défauts au niveau des joints, et le mica se carbonise facilement, devient cassant ou même se décolle à des températures élevées, affectant ainsi ses propriétés globales de résistance au feu. Dans le même temps, la résistance au feu des câbles enveloppés de ruban de mica dépend en grande partie de l’étanchéité et de l’uniformité de l’emballage, ce qui rend le contrôle qualité plus difficile.
Avec l’approfondissement continu de la recherche sur les câbles isolés résistants au feu, un matériau élastomère haute performance et résistant aux hautes températures a vu le jour : le silicone céramique. Il représente une innovation matérielle importante dans le domaine des câbles résistants au feu et offre une nouvelle solution pour améliorer la résistance au feu des câbles.
La naissance du câble céramique silicone : une révolution matérielle
Les câbles en caoutchouc traditionnels reposent sur l’ajout de retardateurs de flamme halogènes, mais le chlorure d’hydrogène (HCl) et la dioxine libérés lors de la combustion sont extrêmement toxiques. L’apparition du caoutchouc de silicone a changé cette situation. Mais le silicone céramique a non seulement la flexibilité et l’élasticité du silicone, mais plus important encore, lorsqu’il est exposé à des températures élevées supérieures à 500°C et à l’érosion des flammes, il subira une transformation céramique pour former une substance dure semblable à de la céramique, empêchant efficacement la propagation du feu. Plus important encore, plus le temps d’exposition et la température à la flamme sont longs, plus la couche céramique formée par le silicone céramisé devient solide, avec une résistance à la chaleur allant jusqu’à 1200-1500°C, protégeant ainsi mieux le conducteur contre les dommages.
Évolution des matériaux : synergie entre le caoutchouc silicone et les charges céramiques
Matrice en caoutchouc de silicone : La chaîne principale est une liaison Si-O (énergie de liaison 452 kJ/mol, bien supérieure à 346 kJ/mol de liaison C-C), ce qui lui confère une résistance à haute température (-60~250℃) et une résistance au vieillissement.
Charge céramique : Ajoutez de la poudre de vitrocéramique à l’échelle nanométrique (comme le système Al₂O₃-SiO₂), qui fond dans la porcelaine à haute température pour former une « deuxième couche de protection ».
Définition et différence essentielle : de la protection passive contre l’incendie à la porcelaine active
Le câble en silicone céramique est un câble résistant au feu avec du caoutchouc de silicone comme matrice et une charge en céramique composite, qui est fritté dans un corps en céramique dans les flammes. La différence essentielle avec les câbles traditionnels est :
Protection passive contre l’incendie → Porcelainisation active : les câbles traditionnels s’appuient sur la couche d’enveloppe extérieure ignifuge (comme le ruban de mica), tandis que les câbles en silicone céramique obtiennent un renforcement structurel grâce à la propre réaction du matériau.
La protection de l’environnement a été améliorée : des produits contenant des halogènes et à forte toxicité de fumée aux produits sans halogène et à faible toxicité, conformes à la directive RoHS de l’UE.
Structure du câble en silicone céramique
Voici une structure en couches courante de câbles en silicone céramique (peut être ajustée dans différents scénarios) :
Chef d’orchestre
Le conducteur est généralement constitué de fil de cuivre étamé ou de conducteur en cuivre sans oxygène, et la structure torsadée est 1+6+12 (noyau de ligne électrique) ou 1+6 (noyau de ligne de terre) pour améliorer la flexibilité et la conductivité. Dans certaines conceptions, le conducteur est en alliage d’aluminium, à la fois léger et résistant à la corrosion.
Couche isolante
Isolation intérieure : Le conducteur est directement recouvert de polyéthylène réticulé (XLPE) ou de ruban de mica pour assurer une isolation électrique de base et une protection mécanique.
Couche de silicone céramique : comme couche ignifuge centrale, un matériau en caoutchouc de silicone céramique (tel qu’un composé de caoutchouc de silicone méthylvinylique) est généralement utilisé. Il est flexible à température ambiante et fritté à haute température (600-1300℃) pour former une coque en céramique pour isoler la source d’incendie et maintenir l’isolation. Dans certaines conceptions, la surface de cette couche est dentelée pour améliorer l’adhérence avec les couches adjacentes.
Couche de blindage
Une couche de blindage métallique (telle qu’un ruban de cuivre ou une couche tressée) est disposée à l’extérieur du noyau de la ligne électrique et du noyau de la ligne de terre, qui a à la fois des fonctions de blindage électromagnétique et de mise à la terre. Le caoutchouc de silicone céramique conducteur est utilisé comme couche de blindage dans certaines structures et contient un agent collant réactif pour améliorer l’adhérence à la couche isolante.
Structure de remplissage et d’isolation
Matériau de remplissage : L’espace entre les âmes du câble est rempli de fibres de verre sans alcali, de charges ignifuges ou de boue réfractaire pour améliorer la stabilité structurelle et la résistance au feu.
Cadre de positionnement : Un cadre de positionnement avec rainures en arc est placé entre plusieurs groupes de conducteurs, et la position est fixée par des trous de connexion prismatiques pour éviter le déplacement du noyau.
Couche de gaine
Gaine intérieure : La gaine intérieure en silicone céramique extrudée, associée au ruban sans halogène enroulé et au ruban en caoutchouc silicone céramique (enroulement alterné gauche/droite, taux de chevauchement > 15 %), forme une barrière coupe-feu composite.
Gaine extérieure : Un matériau à faible émission de fumée et sans halogène (LSZH) ou une gaine thermoplastique résistante aux hautes températures (comme la polyoléfine réticulée) est utilisé, en tenant compte des exigences de résistance à l’usure, de résistance à la corrosion et de protection de l’environnement.
Technologie de base : mécanisme de céramisation à haute température
Le silicone céramique peut être utilisé comme couche d’isolation de câble. Il peut former une couche protectrice dure en cas d’incendie et protéger efficacement le conducteur. Il s’agit d’une orientation clé de recherche et d’application dans l’industrie des câbles résistants au feu. Le cœur réside dans le mécanisme de céramisation à haute température.
Ablation sur porcelaine : de la structure moléculaire aux propriétés macroscopiques
Sous l’action de la flamme, le silicone céramisé subit les processus dynamiques suivants :
État à température ambiante : Le caoutchouc de silicone a une structure élastomère, la charge est uniformément dispersée, la résistivité volumique est ≥10¹⁵Ω·cm et le rayon de courbure est ≤6D (par exemple, un câble d’un diamètre de 10 mm peut être plié à 60 mm).
Combustion à 350~1000℃ :
Étape 1 (350~600℃) : Le caoutchouc de silicone se décompose pour produire du SiO₂ et du CO₂, et la charge commence à fondre.
Étape 2 (600-1000°C) : La charge fondue forme un squelette céramique continu et le gaz CO₂ s’échappe pour former une structure poreuse (porosité 3050%), ce qui augmente les performances d’isolation thermique de 3 fois.
Perspective de la science des matériaux : le triomphe de la synergie
Ce procédé de céramique repose sur l’effet synergique des chaînes moléculaires de caoutchouc de silicone et des charges céramiques :
Chaîne moléculaire en caoutchouc de silicone : offre une flexibilité et une isolation initiales.
Charge céramique : la phase vitreuse Al₂O₃-SiO₂ s’écoule à haute température pour remplir les pores et augmenter la densité de la couche céramique.
Formation de pores gazeux : Le CO₂ produit par décomposition forme une structure à cellules fermées avec une conductivité thermique aussi faible que 0,12 W/(m·K) (proche de l’amiante), améliorant considérablement les performances d’isolation thermique.
Indicateurs clés de performance :
Temps de résistance au feu : Maintenir l’alimentation sous tension pendant ≥ 180 minutes dans une flamme à 950 °C (le niveau le plus élevé de la norme IEC 60331).
Résistance aux projections : Conforme à la norme BS 6387 CWZ (triple test de combustion + projection + vibration).
Densité de fumée : transmission lumineuse ≥ 80 % (le câble PVC traditionnel n’en a que 20 %).
Vérification expérimentale :
Test réalisé par l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université Tsinghua : le MEB montre que l’épaisseur de la couche de céramique après combustion est uniforme (1 à 2 mm) et qu’il n’y a pas de fissures.
Rapport TÜV Rheinland : après une ablation à 1200℃/3h, le câble peut encore résister à un test de tension de tenue de 1000V.
Comparaison des câbles résistants au feu
Pour mieux comprendre les avantages du câble en silicone céramisable, nous le comparons aux câbles résistants au feu existants, tels que le câble à isolation minérale (MI) et le câble résistant au feu à ruban de mica :
| Critères | Câble à isolation minérale (MI) | Câble résistant au feu à ruban de mica | Câble en silicone céramisable |
|---|---|---|---|
| Avantages | 1) Excellente capacité de protection contre les surcharges ; 2) Excellente résistance à la corrosion et aux explosions. | 1) Excellente résistance à haute température et au feu ; 2) Ne dégage pas de fumées toxiques en cas d’incendie. | 1) Haute résistance mécanique et excellente résistance aux chocs thermiques ; 2) Sans halogène, faible émission de fumée, faible toxicité, autoextinguible et respectueux de l’environnement ; 3) Facile à usiner et à installer. |
| Performance au feu | Excellente | Excellente | Excellente |
| Isolation thermique | Insuffisante ; l’isolation peut réagir chimiquement avec l’humidité de l’air. | Insuffisante ; la chute du ruban de mica réduit l’efficacité de l’isolation. | Excellente ; forme une couche céramique rigide maintenant l’isolation intacte. |
| Résistance à l’installation | Élevée | Élevée | Faible |
| Problèmes courants à l’installation | 1) Résistance d’isolement parfois non conforme ; 2) Courts-circuits possibles lors des essais de fonctionnement ; 3) Perte d’esthétique après retouches. | 1) Défauts aux jonctions des rubans de mica, risques de décollement affectant la résistance au feu. | / |
| Coût du cycle de vie | Élevé (coûts de matériaux, d’installation et de maintenance importants) | Moyen (coûts de matériaux et d’installation modérés, mais entretien à prévoir) | Faible (coût des matériaux raisonnable, installation facile, haute fiabilité à long terme) |
Performances techniques
| Critères | Câble en silicone céramisable | Câble à ruban de mica | Câble à isolation minérale (MI) |
|---|---|---|---|
| Temps de résistance au feu (950 °C) | ≥180 minutes | ≤90 minutes (carbonisation et chute du mica) | ≥240 minutes (mais déformation possible) |
| Densité de fumée (%) | ≤15 | ≥50 | 0 (mais coût très élevé du fourreau en cuivre) |
| Coût d’installation | Faible (grande flexibilité, pose aisée) | Moyen (nécessité d’un enroulement renforcé) | Élevé (nécessité de connecteurs spéciaux) |
| Durée de vie | 30 ans (excellente résistance au vieillissement) | 15 à 20 ans (détérioration progressive du mica) | 50 ans (mais coûts de maintenance élevés) |
Dans l’ensemble, le câble en silicone céramisable représente une solution résistante au feu fiable, économique et durable pour les projets exigeant une grande sécurité incendie.
Grâce à sa facilité d’installation, ses excellentes performances d’isolation en cas d’incendie et son faible coût de cycle de vie, il constitue une alternative innovante aux câbles traditionnels.
Caractéristiques du silicone céramique
En tant que nouveau type de matériau de câble résistant au feu, les caractéristiques uniques du silicone céramique sont la pierre angulaire de ses excellentes performances.
Formation d’un corps céramique autoportant dans une flamme
Les matériaux en caoutchouc conventionnels contenant des charges inorganiques se dégradent ou brûlent lorsqu’ils sont exposés aux flammes, les produits de dégradation ou de combustion se volatilisant, laissant derrière eux des résidus inorganiques ou des cendres de faible résistance. Ces résidus ne sont généralement pas cohésifs ou autoporteurs et peuvent même se briser en particules ou en poussière, manquant ainsi d’efficacité ignifuge.
Cependant, lorsqu’un caoutchouc céramisable spécialement formulé est exposé à une flamme, il peut se céramiser à des températures allant de 350 à 800 °C ou même plus, selon le type de caoutchouc et la formulation utilisée, se frittant en un corps céramique poreux autoportant. À des températures comprises entre 650 et 1000°C, le silicone céramique peut conserver son intégrité structurelle pendant un certain temps (0,5 à 2 heures ou plus), jouant ainsi une fonction efficace de « protection passive contre l’incendie » et permettant de gagner un temps précieux pour la sécurité incendie. Ce processus de céramique constitue la différence la plus fondamentale entre le silicone céramique et les matériaux en caoutchouc traditionnels.
Bonne résistance et excellente résistance aux chocs thermiques
Le corps fritté en silicone céramisé a une dureté élevée et produit un son semblable à celui de la céramique lorsqu’il est frappé, indiquant qu’il a une bonne résistance mécanique. Bonne résistance à la flexion et à la compression. La résistance à la flexion des échantillons de silicone céramisé est bien supérieure à celle du silicone conventionnel et augmente considérablement avec l’augmentation de la température.
De plus, le silicone céramisable présente une excellente résistance aux chocs thermiques. Dans une simulation du processus d’extinction d’incendie, lorsque de l’eau a été pulvérisée sur l’échantillon à haute température, le corps fritté en silicium céramisé ne s’est pas fissuré, ce qui indique qu’il peut maintenir son intégrité structurelle sous des changements rapides de température. Cette résistance aux chocs thermiques est essentielle à la fiabilité du câble en cas d’incendie, car les scènes d’incendie sont souvent accompagnées de pulvérisations d’eau d’extinction.
Sans halogène, faible dégagement de fumée, faible toxicité, auto-extinguible, respectueux de l’environnement
Contrairement aux matériaux de câbles traditionnels contenant des retardateurs de flamme halogénés, le silicone céramique peut obtenir un effet ignifuge auto-extinguible sans ajouter d’additifs halogénés. Il répond à la classification d’inflammabilité UL94V-0 et possède un indice d’oxygène allant jusqu’à 38. Après quelques minutes de contact avec la source d’incendie, les émissions de fumée s’arrêteront presque complètement et aucune grande quantité de fumée ne sera générée pendant le processus de combustion ultérieur.
De plus, le silicone céramique est un matériau respectueux de l’environnement qui produit principalement des substances non toxiques telles que le dioxyde de carbone, l’eau et la silice lorsqu’il est brûlé, réduisant considérablement le risque d’empoisonnement en cas d’incendie. Cela en fait un choix idéal pour les applications avec des exigences environnementales élevées.
Bonnes performances électriques
Le silicone céramisable à formule optimisée présente d’excellentes propriétés électriques : avant frittage, sa résistivité volumique n’est généralement pas inférieure à 10¹⁵ Ω·cm, garantissant de bonnes performances d’isolation du câble dans des conditions de travail normales. Même si la résistivité diminue avec l’augmentation de la température de frittage, sa résistivité volumique peut toujours être maintenue au-dessus de 10⁷ Ω·cm après une combustion à 1000 °C pendant 30 minutes, garantissant ainsi la capacité du câble à continuer à fournir de l’énergie ou à transmettre des signaux pendant un incendie. La résistivité volumique du silicone traditionnel avant et après frittage n’est pas inférieure à 10¹⁵ et 10⁷Ω·cm respectivement.
Facile à traiter
Le processus de préparation et de production du matériau en silicone céramique est similaire à celui du silicone traditionnel et peut être traité à l’aide d’équipements de traitement du caoutchouc standard (extrudeuses, vulcanisateurs, machines de moulage par injection, etc.). Cela élimine la nécessité pour les fabricants de câbles d’effectuer des mises à niveau ou des modifications d’équipement à grande échelle, simplifiant ainsi le processus de production de câbles résistants au feu et réduisant les coûts de production.
Application du câble en silicone céramique résistant au feu
L’application principale du silicone céramisable est celle des câbles moyenne et basse tension résistants au feu, qui sont utilisés pour assurer la circulation sûre du courant en cas d’incendie et assurer le fonctionnement continu des équipements critiques. L’industrie du câble a montré un grand intérêt pour le développement et l’application de ce nouveau type de matériau isolant résistant au feu et estime qu’il offre de vastes perspectives d’application.
Les composés de silicone céramisables peuvent être produits sur le même équipement que les silicones conventionnels, sans nécessiter de machines supplémentaires. Le matériau présente d’excellentes propriétés d’extrusion et de moulage et peut être utilisé pour fabriquer des câbles à l’aide d’équipements d’extrusion et de vulcanisation de silicone conventionnels, ce qui réduit considérablement les coûts de production et améliore l’efficacité de la production.
De plus, le silicone céramisable peut toujours conserver son élasticité d’origine à température ambiante et ne deviendra pas cassant ou ne se décollera pas comme le ruban de mica lorsqu’il est cuit, et il peut résister aux tests de pulvérisation et de vibration, garantissant que le câble peut maintenir de bonnes performances dans divers environnements difficiles. Étant donné que de nombreux incendies graves dans les bâtiments civils ces dernières années ont été liés à des câbles, il existe une forte demande de câbles dans les bâtiments civils résistants au feu. On s’attend à ce que les câbles en silicone céramique moyenne et basse tension connaissent un développement significatif à l’avenir et deviennent un élément important du marché des câbles résistants au feu.
Résumé et perspectives
Les câbles en silicone céramique deviennent un nouveau choix dans l’industrie du câble en raison de leur excellente résistance au feu, de leurs caractéristiques de protection de l’environnement et de leur traitement facile. Avec l’avancement continu de la technologie et l’expansion continue des domaines d’application, les câbles en silicone céramique joueront sûrement un rôle plus important dans les futurs domaines de la transmission d’énergie et de la sécurité, et contribueront à construire une société plus sûre et plus fiable.