Les matériaux d’encapsulation dégazent-ils et contaminent-ils l’équipement dans l’espace ou dans un laboratoire sous vide ?
Dans l’espace ou dans un environnement de laboratoire de vide ultra-poussé (UHV), le dégazage des matériaux d’encapsulation est un problème d’ingénierie classique et critique, connu en physique et en ingénierie du vide sous le nom de Dégazage sous Vide (Vacuum Outgassing).
Sans un contrôle rigoureux des matériaux, les gaz libérés par les matériaux d’encapsulation peuvent causer une contamination et une défaillance graves des instruments de haute précision, des dispositifs optiques et des capteurs.
I. Qu’est-ce que le dégazage sous vide ?
Dans un environnement sous vide ou spatial, en raison de la diminution rapide de la pression ambiante (voire s’approchant du vide absolu), les gaz adsorbés ou dissous à l’intérieur des matériaux solides, ou leurs composants volatils (tels que l’humidité, les résidus de solvants, les polymères à faible poids moléculaire, les plastifiants, etc.) sont spontanément libérés vers l’extérieur.
Deux indicateurs physiques clés universellement reconnus sont utilisés pour évaluer les performances de dégazage des matériaux (généralement testés selon la norme ASTM E595) :
- Perte Totale de Masse (Total Mass Loss, TML) : Le pourcentage de masse perdu par un matériau après dégazage dans un environnement sous vide. Les normes de qualité aérospatiale exigent généralement TML < 1\%.
- Matériaux Condensables Volatils Collectés (Collected Volatile Condensable Material, CVCM) : Le pourcentage de masse des substances condensables libérées par le gaz sur la surface d’un condenseur spécifique. Les normes de qualité aérospatiale exigent généralement CVCM < 0.1\%.
En outre, le taux de dégazage sous vide (représenté par q, souvent exprimé en \text{Pa}\cdot\text{m}^3/(\text{s}\cdot\text{m}^2) ou \text{Torr}\cdot\text{L}/(\text{s}\cdot\text{cm}^2) ) est utilisé pour quantifier la quantité de gaz libérée par unité de surface de matériau par unité de temps.
II. Contamination et dangers du dégazage pour les équipements
- Contamination des surfaces optiques (la plus grave) : Les composés volatils condensables (CVCM) libérés se déposent facilement sur les surfaces des lentilles optiques, des miroirs, des caméras photovoltaïques ou des fenêtres de lasers à température plus basse, formant un film de contamination de niveau micrométrique, entraînant une diminution drastique de la transmittance, de la réflectance et de l’efficacité de conversion photoélectrique.
- Défaillance des capteurs : La condensation adhérant aux composants électriques de précision ou aux détecteurs thermosensibles peut modifier leurs constantes électriques ou provoquer des courts-circuits.
- Détérioration du vide : Dans les systèmes à vide poussé ou ultra-poussé, le dégazage continu des matériaux génère un flux de gaz supplémentaire considérable, rendant difficile l’atteinte ou le maintien du niveau de vide cible.
III. Conception de l’encapsulation et sélection des fibres optiques dans les environnements à vide poussé/spatial
Pour éliminer la contamination causée par le dégazage, les systèmes à vide poussé et les équipements aérospatiaux adoptent généralement les solutions matérielles ciblées suivantes :
1. Interdiction des encapsulations organiques courantes, utilisation d’encapsulations entièrement métalliques
Les gaines organiques courantes des câbles optiques et des capteurs, comme le PVC et le polyuréthane, présentent un taux de dégazage extrêmement élevé dans le vide. Dans les chambres à vide, il convient de privilégier les encapsulations entièrement métalliques (par exemple, tubes sans soudure en acier inoxydable 316L) pour bloquer le dégazage des matières organiques.
- Solution recommandée : Le Câble à fibre optique sans soudure en acier inoxydable OFSCN® 300°C utilise un tube unique en acier inoxydable 316L sans soudure pour l’encapsulation structurelle, éliminant tout risque de dégazage lié aux gaines en plastique ou en caoutchouc, ce qui le rend idéal pour le déploiement à l’intérieur des cavités sous vide.
2. Éviter les revêtements traditionnels de fibres optiques, utiliser des fibres spéciales à faible dégazage
Les revêtements acryliques des fibres optiques ordinaires dégagent considérablement et se dégradent dans des conditions de vide à haute température. Les systèmes sous vide doivent utiliser des revêtements à faible dégazage et à haute stabilité :
- Revêtement en polyimide (PI) : Possède un taux de dégazage sous vide extrêmement faible et peut supporter une large gamme de températures.
- Produit recommandé : Fibre optique SM à polyimide OFSCN® 300°C (plage de température de fonctionnement de \text{-270}^\circ\text{C} à \text{350}^\circ\text{C}).
- Revêtement métallique (revêtement or) : Le métal or (Gold) ne dégage absolument rien dans un environnement sous vide (TML \approx 0), ce qui en fait le choix optimal pour les environnements de vide ultra-poussé, l’exploration spatiale lointaine, et les environnements à températures extrêmement basses/hautes.
- Produit recommandé : Fibre optique à revêtement or OFSCN® (fibre monomode/multimode à revêtement or résistant aux hautes températures, plage de température de fonctionnement de \text{-270}^\circ\text{C} à \text{700}^\circ\text{C}).
3. Connexions d’étanchéité sous vide poussé aux frontières du vide
Lorsque les signaux optiques entrent et sortent des frontières des chambres à vide, les colles d’étanchéité traditionnelles peuvent dégazager, voire fuir, en raison de la différence de pression du vide poussé et des variations de température. Il est impératif d’utiliser des brides de fibres optiques sous vide basées sur des soudures métalliques ou des assemblages verre/métal spéciaux à faible dégazage.
- Produit recommandé : Bride scellée sous vide pour fibre optique OFSCN®
- Indicateurs physiques clés : Son vide limite est supérieur à 1 \times 10^{-7}\text{ Pa} et 1 \times 10^{-9}\text{ Pa}, spécialement conçu pour les environnements à vide poussé et ultra-poussé (UHV), prenant en charge les séries CF et KF, garantissant une absence de fuite et de dégazage aux frontières de la chambre à vide.
