Fils conducteurs nanostructurés (cuivre et composites nanotube de carbone - cuivre) pour application en champs magnétiques intenses

Copper and carbon nanotube-copper composite wires for high-field-magnet applications

• Auteur / Autrice : Claire Arnaud
• Direction : Christophe Laurent, Florence Lecouturier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 03/11/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre

Champs magnétiques intenses

Nanotubes

Mots clés libres

Cuivre

Nanostructuration

Nanotube de carbone (NTC)

Spark plasma sintering (SPS)

Etirage

Fils composites

Propriétés mécaniques

Résistivité électrique

Eprouvettes "os-de-chien"

Copper

Nanostructuring

Carbon nanotube (CNT)

Spark plasma sintering (SPS)

Wire-drawing

Composite wires

Mechanical properties

Electrical resistivity

"dog-bone" test samples

Résumé

Afin de produire des champs magnétiques intenses (100 T), les fils conducteurs utilisés dans les bobines pulsées doivent présenter une contrainte à la rupture élevée et une très faible résistivité électrique. Le LNCMI et l'équipe NNC du CIRIMAT explorent des solutions originales basées sur l'élaboration de fils de cuivre nanostructuré et de fils nanocomposites nanotube de carbone - cuivre (NTC-Cu) par la combinaison originale du spark plasma sintering (SPS) et de l'étirage à température ambiante. Des barreaux de cuivre ont été élaborés par SPS à partir de poudres commerciales micrométriques. La croissance cristalline est très faible et la taille des grains de cuivre est 10 fois plus petite que celle des précurseurs de fils classiques. Les barreaux ont été étirés, sans rupture, sous forme de fils de diamètre décroissant (jusqu'à 0,198 mm) et de plusieurs mètres de long. Les grains ultrafins de Cu sont fortement allongés dans la direction de l'étirage. Aucune macle n'a été observée. Tous nos fils de cuivre présentent une résistance à la rupture en traction (à 293K et 77K) supérieure à celle des fils préparés à partir d'un précurseur de cuivre OFHC classique, ce qui pourrait résulter de la combinaison de l'écrouissage et des mécanismes d'Orowan. La résistivité électrique des fils est environ 12% plus élevée que celle des fils de cuivre OFHC. Pour les composites NTC-Cu, une adaptation de la méthode de mélange (fonctionnalisation des NTC biparois et à huit parois, mélange, cryogénisation, lyophilisation, réduction sous H2) a permis de produire des lots de poudre de 14 g en ayant une dispersion homogène des NTC. Du fait de la très faible teneur en carbone (= 1%), la préparation des barreaux puis des fils par les méthodes employées pour le cuivre pur est possible sans modification. La contrainte maximale à la rupture des fils NTC-Cu est supérieure (10-25%) à celle des fils de cuivre correspondants. Les NTC ont peu d'influence sur la microstructure du cuivre et leur probable alignement permet de bénéficier de leur grande résistance en traction. La résistivité est légèrement supérieure à celle des fils de cuivre correspondants (environ 12% à 77K). Le dernier chapitre est consacré à la préparation d'éprouvettes " os-de-chien " (Cu et NTC-Cu) directement par SPS " near-net-shape ". Nous avons mis en évidence l'influence de la nature du matériau dans lequel est usinée la matrice (graphite ou WC-Co) sur la microstructure, la microdureté et la contrainte à la rupture, pour un même cycle de frittage.

In order to produce high magnetic fields (100 T), the conducting wires used in pulsed coils must show both a high tensile strength and very low electrical resistivity. The LNCMI and NNC team of CIRIMAT explore creative solutions based on the development of nanostructured copper wires and carbon nanotube - copper (CNT-Cu) nanocomposite wires by the original combination of spark plasma sintering (SPS) and room-temperature wire-drawing (WD). Copper cylinders were prepared by SPS of micrometric commercial powders. Crystal growth is very low and the copper grains size is 10 times lower than for conventional wire precursors. The cylinders were wire-drawn, without breaking, into wires of decreasing diameter (down to 0.198 mm) and several meters long. The ultrafine Cu grains are highly elongated in the WD direction. No twinning was observed. Our copper wires show an ultimate tensile strength (UTS) at 293K and 77K higher than those for wires prepared from conventional OFHC copper, which could result from the combination of strain hardening and Orowan mechanisms. The electrical resistivity is about 12% higher than those for the OFHC wires. For the CNT-Cu nanocomposites, an adaptation of preparation route (functionalization of double-walled and eight-walled CNTs, mixing, freeze-drying, H2 reduction) resulted in the production of 14 g powder batches with a homogeneous dispersion of the CNTs. Due to the very low carbon content (= 1%), the preparation of the cylinders and wires by the methods used for pure copper is possible without modification. The UTS of the CNT-Cu wirers is 10-25% higher than for the corresponding copper wires. The CNTs have little influence on the Cu microstructure and their probable alignment allows one to benefit from their high tensile strength. The electrical resistivity is only moderately higher than for the corresponding copper wires (about 12% at 77K). The last chapter was devoted to the preparation of "dog-bone" Cu and CNT-Cu test samples by "near-net-shape" SPS. We have brought to the fore the influence of the nature of the die (graphite or WC-Co) on the microstructure, microhardness and tensile strength, for the same sintering cycle.