Les composants structurels des câbles et fils électriques se divisent généralement en quatre parties principales : les conducteurs, les couches isolantes, les couches de blindage et les gaines, ainsi que les éléments de remplissage et les éléments de tension. Selon les exigences d’utilisation et les scénarios d’application, certains produits présentent des structures extrêmement simples, ne comportant qu’un seul composant : le fil. C’est le cas, par exemple, des câbles aériens nus, des caténaires et des barres omnibus en cuivre-aluminium. L’isolation électrique externe de ces produits est assurée par l’utilisation d’isolateurs et par le respect des distances de sécurité lors de l’installation et de la pose (isolation par air).
La grande majorité des fils et câbles présentent une section transversale identique (abstraction faite des erreurs de fabrication) et se présentent sous forme de longs rubans. Cette caractéristique est liée à leur utilisation pour la réalisation de circuits ou de bobines dans des systèmes ou des équipements. Par conséquent, pour étudier et analyser la composition structurelle des câbles, il suffit d'observer et d'analyser leur section transversale.
Vous trouverez ci-dessous une analyse détaillée de la composition et des matériaux de la structure du câble :
1. Composition de la structure du câble : Conducteur
Les fils conducteurs sont les composants principaux les plus fondamentaux et indispensables au fonctionnement des produits permettant la transmission de courant électrique ou d'ondes électromagnétiques. Le terme « fil » est l'abréviation de « conducteur ».
De quels matériaux sont constitués les conducteurs de câbles ? Les conducteurs sont généralement composés de métaux non ferreux à excellente conductivité électrique, tels que le cuivre et l’aluminium. Les câbles optiques utilisés dans les réseaux de communication optique, qui ont connu un développement rapide au cours des trente dernières années, utilisent des fibres optiques comme conducteurs.
2. Composition de la structure du câble : Couche isolante
La couche isolante est un composant qui recouvre le pourtour du fil et sert d'isolant électrique. Elle permet ainsi de garantir que le courant ou les ondes électromagnétiques, y compris la lumière, se propagent uniquement le long du fil et ne se dispersent pas vers l'extérieur. Le potentiel du conducteur (c'est-à-dire la différence de potentiel avec les objets environnants, autrement dit la tension) est isolé. Il est donc essentiel d'assurer à la fois le bon fonctionnement du câble et la sécurité des personnes et des biens extérieurs. Les fils et les couches isolantes sont les deux composants de base indispensables à la constitution des câbles (à l'exception des fils nus).
Quels sont les matériaux d'isolation des câbles ? Dans les fils et câbles actuels, les matériaux d'isolation se classent principalement en deux catégories : les plastiques et le caoutchouc. Les polymères sont prédominants et permettent de proposer une large gamme de fils et câbles adaptés à différents usages et exigences environnementales. Parmi les matériaux d'isolation courants pour fils et câbles, on trouve le polychlorure de vinyle (PVC).polyéthylène réticulé (XLPE), les fluoroplastiques, les composés de caoutchouc, les composés de caoutchouc éthylène-propylène et les matériaux d'isolation en caoutchouc silicone.
3. Composition de la structure du câble : Gaine
Lors de l'installation et de l'utilisation de câbles et fils électriques dans divers environnements, des composants assurant la protection de l'ensemble du produit, et notamment de la couche isolante (gaine), sont indispensables. Les matériaux isolants doivent présenter d'excellentes propriétés d'isolation électrique, ce qui exige une pureté extrêmement élevée et une teneur en impuretés extrêmement faible. Il est souvent impossible de prévoir leur capacité de protection contre les agressions extérieures. Par conséquent, diverses structures de protection doivent résister aux contraintes mécaniques externes (installation, lieu d'utilisation et utilisation), aux intempéries, aux produits chimiques et aux huiles, aux dommages biologiques et aux risques d'incendie. Les principales fonctions des gaines de câbles sont l'étanchéité, la résistance au feu, la protection contre la corrosion et l'ignifugation. De nombreux câbles, conçus spécifiquement pour des environnements extérieurs favorables (propres, secs et intérieurs à l'abri des contraintes mécaniques), ou ceux dont les matériaux isolants possèdent intrinsèquement une certaine résistance mécanique et aux intempéries, peuvent se passer de gaine de protection.
Quels sont les types de matériaux utilisés pour les gaines de câbles ? Les principaux matériaux comprennent le caoutchouc, le plastique, les revêtements, le silicone et divers produits fibreux. Les gaines en caoutchouc et en plastique se caractérisent par leur souplesse et leur légèreté, et sont largement utilisées dans les câbles mobiles. Cependant, leur perméabilité à l'eau limite leur utilisation aux câbles isolés par des polymères à haute résistance à l'humidité. Dès lors, certains utilisateurs s'interrogent sur le choix du plastique comme gaine de protection. Comparées aux gaines en plastique, les gaines en caoutchouc offrent une élasticité et une flexibilité supérieures, ainsi qu'une meilleure résistance au vieillissement, mais leur fabrication est plus complexe. Les gaines en plastique, quant à elles, présentent de meilleures propriétés mécaniques et une meilleure étanchéité, sont abondantes, peu coûteuses et faciles à transformer. C'est pourquoi elles sont plus répandues. Il convient également de noter l'existence des gaines métalliques. Celles-ci assurent non seulement une protection mécanique, mais aussi un blindage, comme expliqué ci-dessous. Elles possèdent également des propriétés telles que la résistance à la corrosion, la résistance à la compression et à la traction, ainsi que l'imperméabilité, ce qui empêche l'humidité et autres substances nocives de pénétrer à l'intérieur de l'isolant du câble. C'est pourquoi elles sont largement utilisées comme gaines pour les câbles d'alimentation isolés en papier imprégné d'huile, peu résistants à l'humidité.
4. Composition de la structure du câble : Couche de blindage
La couche de blindage est un composant essentiel des câbles pour assurer l'isolation électromagnétique. Elle empêche non seulement les signaux électromagnétiques internes de fuir et de perturber les instruments, compteurs ou autres lignes externes, mais elle bloque également les ondes électromagnétiques externes qui pourraient pénétrer dans le système de câbles par couplage. Structurellement, la couche de blindage est placée non seulement à l'extérieur du câble, mais aussi entre les paires ou groupes de conducteurs dans les câbles multiconducteurs, formant ainsi des « écrans d'isolation électromagnétique » à plusieurs niveaux. Ces dernières années, face aux exigences croissantes en matière de câbles de communication haute fréquence et de résistance aux interférences, les matériaux de blindage ont évolué, passant des rubans traditionnels en papier métallisé et en papier semi-conducteur à des matériaux composites plus avancés.rubans adhésifs en mylar et feuille d'aluminiumLes structures de blindage courantes comprennent des couches internes en polymères conducteurs ou en rubans semi-conducteurs, ainsi que des couches externes telles que l'enroulement longitudinal de ruban de cuivre et le tressage en cuivre. Ce dernier utilise généralement du cuivre étamé pour une meilleure résistance à la corrosion. Pour des applications spécifiques, comme les câbles à fréquence variable utilisant un blindage composite ruban de cuivre + fil de cuivre, les câbles de données employant un enroulement longitudinal de feuille d'aluminium et une conception profilée, et les câbles médicaux nécessitant un blindage par tresses de cuivre argenté à haute couverture, on utilise des matériaux spécifiques. Avec l'avènement de la 5G, la structure de blindage hybride, combinant ruban composite aluminium-plastique et tressage de fil de cuivre étamé, est devenue la solution dominante pour les câbles haute fréquence. L'expérience montre que la couche de blindage est passée d'un élément accessoire à un composant essentiel du câble. Le choix des matériaux doit prendre en compte les caractéristiques de fréquence, la résistance à la flexion et le coût afin de répondre aux exigences de compatibilité électromagnétique des différentes applications.
5. Composition de la structure du câble : Structure remplie
De nombreux câbles sont multiconducteurs. Par exemple, la plupart des câbles d'alimentation basse tension sont à quatre ou cinq conducteurs (adaptés aux systèmes triphasés), et les câbles téléphoniques urbains existent en 800, 1200, 2400 et jusqu'à 3600 paires. Après le câblage de ces conducteurs isolés (individuellement ou par groupes), deux problèmes apparaissent : une forme non circulaire et des espaces importants entre les conducteurs. Il est donc nécessaire d'ajouter une structure de remplissage lors du câblage. Cette structure permet d'obtenir un diamètre extérieur relativement rond, facilitant ainsi l'enroulement et l'extrusion de la gaine, et de stabiliser la structure du câble tout en renforçant sa structure interne. Lors de l'utilisation (étirage, compression et flexion pendant la fabrication et la pose), les contraintes sont réparties uniformément, préservant ainsi la structure interne du câble. Par conséquent, bien que la structure de remplissage soit un élément auxiliaire, elle est indispensable et fait l'objet de réglementations précises concernant le choix des matériaux et la conception de sa forme.
Matériaux de remplissage pour câbles : Généralement, les matériaux de remplissage pour câbles comprennent du ruban de polypropylène, de la corde non tissée en PP, de la corde de chanvre ou des matériaux relativement peu coûteux fabriqués à partir de caoutchouc recyclé. Pour être utilisé comme matériau de remplissage, il doit présenter les caractéristiques suivantes : ne pas altérer l’isolation du câble, ne pas être hygroscopique, ne pas se rétracter et ne pas être corrosif.
6. Composition de la structure du câble : Éléments de traction
Les câbles et fils traditionnels s'appuient sur la gaine de blindage pour résister aux forces de traction externes ou dues à leur propre poids. Les structures typiques sont le blindage en ruban d'acier et le blindage en fil d'acier (par exemple, pour les câbles sous-marins, on utilise des fils d'acier épais de 8 mm de diamètre, torsadés pour former la couche de blindage). Cependant, afin de protéger les fibres optiques des faibles forces de traction et d'éviter toute déformation mineure susceptible d'affecter les performances de transmission, la structure des câbles à fibres optiques est dotée d'un gainage primaire et secondaire, ainsi que d'éléments de résistance à la traction dédiés. De plus, si le câble d'écouteurs d'un téléphone portable est constitué d'un fin filament de cuivre enroulé autour de fibres synthétiques et recouvert d'une couche isolante, ces fibres synthétiques constituent l'élément de résistance à la traction. En conclusion, dans les produits spéciaux, petits et flexibles développés ces dernières années, conçus pour supporter de multiples flexions et torsions, les éléments de résistance à la traction jouent un rôle primordial.
Quels matériaux sont utilisés pour les composants de traction des câbles : bandes d’acier, fils d’acier et feuilles d’acier inoxydable ?
Date de publication : 25 avril 2025