Elaboration des composites Cuivre-Nanotubes de carbone (Cu-CNT) par métallurgie liquide pour des applications électriques

Copper nanotubes (Cu-CNT) manufacturing by liquid metallurgy for electrical applications

• Auteur / Autrice : Sana El Maana
• Direction : Xavier Sauvage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 07/11/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Nexans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Silvère Akamatsu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cristelle Schmuck-Pareige, Nicolas Masquelier, Alain Guillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Balloy, Christophe Laurent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tréfilage

Fusion (métallurgie)

Composites à matrice métallique

Nanotubes

Cuivre -- Alliages

Mots clés libres

Cuivre (Cu)

Alliages de cuivre

Nanotubes de carbone (CNT)

Composites

Métallurgie liquide

Tréfilage

Recristallisation

Conductivité électrique

Propriétés mécaniques

Copper (Cu)

Copper alloys

Carbon nanotubes (CNT)

Composites

Liquid metallurgy

Wire drawing

Recrystallization

Electrical conductivity

Mechanical properties

Résumé

Le cuivre est le métal majoritairement utilisé dans le domaine des conducteurs filaires, car sa conductivité électrique dépasse celle de tous les métaux sauf l’argent. Les nanotubes de carbone (CNT) présentent une conductivité électrique encore supérieure. Ainsi, un composite à base de ces deux matériaux apparait comme un bon candidat pour la fabrication de conducteurs filaires à très haute conductivité électrique et haute ampacité. Pour optimiser les propriétés électriques et mécaniques finales d’un tel composite, il faut veiller à plusieurs critères. Certains sont relatifs à la qualité et la pureté des nanotubes, également celle de la matrice. D’autres dépendent de l’élaboration du composite, influant sur la dispersion des CNT dans la matrice, la bonne qualité de l’interface Cu/CNT et l’éventuelle orientation des CNT dans le fil. Dans ce travail, nous avons adopté plusieurs stratégies permettant de produire des composites Cu-CNT par métallurgie liquide (Cu-CNT), réunissant, au mieux, ces critères. Pour améliorer la dispersion des CNT dans la matrice, en plus d’optimiser le procédé d’élaboration par métallurgie liquide, nous avons testé différentes techniques d’introduction des CNT lors de l’élaboration. Nous avons également ajouté des éléments comme le chrome et l’étain pour améliorer la qualité de l’interface Cu/CNT. Ainsi, trois types de composites ont été produits par métallurgie liquide et tréfilées par la suite. Une étude de la dispersion des CNT dans les composites à différentes échelles a été effectuées (MO, MEB, MET). Les résultats révèlent la présence d'amas micrométriques de nanotubes dans les deux états (brut de coulés et tréfilés). Les observations MET réalisées sur les composites Cu-Cr-CNT, ont permis l’identification de CNT isolés dans la matrice et n’ont pas permis de révéler des carbures de chrome. Pour le composite Cu-Sn-CNT, en plus des amas, les observations MET ont également révélé des CNT individuels à fine échelle. Notons que l’étain préalablement déposé sur les CNT a totalement diffusé dans la matrice au cours de la production du composite. Les analyses Raman effectuées sur les composites (Cu-CNT et Cu-Sn-CNT), ont permis l’identification des CNT et ont montré qu’ils n’étaient pas dégradés par le procédé d’élaboration. La conductivité électrique est les propriétés mécaniques ont été évaluées pour tous les composites. Il n’y a pas de dégradation importante de la conductivité électrique, par addition des CNT dans le cuivre. Les composites Cu-Cr-CNT et Cu-Sn-CNT, présentent des conductivités électriques plus faibles. Notons aussi que les composites présentent également une stabilité thermique supérieure au cuivre pur. Finalement, nous avons également montré que l’introduction de nanotubes de carbone réduit la ductilité des composites mais permet une légère augmentation de la limite élastique.

Copper (Cu) is the most widely used metal in wire conductors, as its electrical conductivity exceeds that of other metals except silver. Interestingly, carbon nanotubes (CNT) show higher electrical conductivity than metals. Thus, a composite based on these two materials appears to be a good candidate for the manufacture of wire conductors with very good electrical conductivity and high ampacity. In order to optimize the final electrical and mechanical properties of such a composite, several criteria must be considered. Some of these criteria are related to the quality and purity of nanotubes and the matrix. Others depend on the composite processing, influencing the dispersion of CNTs in the matrix, the interface Cu/CNT quality, and nanotubes orientation in the wire. In this work, we adopt several strategies to produce Cu-CNT composites by liquid metallurgy satisfying, at best, those criteria. In order to improve the dispersion of CNTs in the matrix, in addition to the optimization of the elaboration process (liquid metallurgy), we test different techniques to introduce CNTs during composites manufacturing. We also add elements such as chromium and tin to improve the quality of the Cu/CNT interface. Thus, three types of composites (Cu-CNT, Cu-Cr-CNT, Cu-Sn-CNT) are produced by liquid metallurgy and subsequently drawn. A study of the dispersion of CNTs in the composites at different scales is carried out using Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Transmission Electron Microscopy (TEM) techniques. The results reveal micrometric clusters of nanotubes in both raw cast and drawn states. TEM observations carried out on Cu-Cr-CNT composites allow the identification of the isolated CNTs in the matrix, whereas chromium carbides were not observed. For the Cu-Sn-CNT composite, in addition to clusters, TEM observations also reveal individual CNTs at fine scales. Importantly, the previously deposited tin on CNTs is totally diffused in the matrix during the composite manufacturing. Moreover, Raman investigations carried out on Cu-CNT and Cu-Sn-CNT composites, allow the identification of CNTs and don't reveals any degradation of CNTs by the manufacturing process. Electrical conductivity and mechanical properties are evaluated for all composites. There is no significant degradation of electrical conductivity by the addition of CNTs in copper. Thus, Cu-Cr-CNT and Cu-Sn-CNT composites have lower electrical conductivities. It is also important to mention that composites (Cu-CNT) also have higher thermal stability comparing to pure copper. Finally, tensile tests reveal that carbon nanotubes reduce the ductility of the composites but allow a slight increase in their yield strength.