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Accueil du site > Aspects expérimentaux et techniques > Conducteurs renforcés > Nanocomposites ultra-renforcés Cu/X (X=Nb, Ta)

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Nanocomposites ultra-renforcés Cu/X (X=Nb, Ta)

La mise au point des bobines de champ magnétique pulsé non destructives (B>80T) nécessite le développement de matériaux conducteurs ultra renforcés (résistance à la traction proche de 2 GPa à 77K). Afin de produire des champs magnétiques pulsés de longue durée très intenses, approchant 100 T, le LNCMP s’est engagé dans la voie des nanocomposites à matrice de cuivre renforcée par des nanowhiskers continus qui présentent des valeurs d’intégrale d’action élevées. Actuellement, les meilleurs candidats sont des conducteurs nanofilamentaires à matrice de cuivre renforcés par des nanofilaments de niobium, présentent une combinaison remarquable de haute résistance mécanique, de conductivité électrique élevée et de très bonne déformabilité. Ils sont élaborés par déformation plastique sévère (extrusion et étirage répétés) et présentent une structure multi-échelle complexe. La réduction des dimensions augmente fortement les propriétés mécaniques : une contrainte maximale de 1.9 GPa à 77K a été obtenue pour un conducteur de section 5 mm2 contenant 30% de niobium réparti dans 52 millions de fibres de diamètre 140 nm. Cette valeur révèle un important écart vis à vis de la loi des mélanges : elle est justifiée par la taille nanométrique des fibres de Nb texturées suivant l’axe cristallographique <110> et qui présentent une semi-cohérence à l’interface avec la matrice de cuivre. La contrainte maximale des fibres, qui ont un comportement de type whiskers, est inversement proportionnelle à leur diamètre et tend pour de très faibles diamètres vers la limite d’élasticité théorique du cristal parfait comprise entre G/30 et G/2p.

Les performances mécaniques des nanostructures décrites précédemment peuvent être améliorées :
- en utilisant un matériau de renfort dont le module de cisaillement est supérieur à celui du Nb (GNb=40GPa). Dans cette optique, le système Cu/Ta (GTa=69GPa) a été élaboré et étudié.
- en optimisant la géométrie du renfort. Les interfaces Cu/Nb jouant le rôle de barrières aux dislocations, la réduction de leur espacement permet un durcissement plus important.

Publications :

COMPOSITE CONDUCTIVE CABLE COMPRISING NANOTUBES AND NANOFIBERS, COAXIAL MICROSTRUCTURE INCLUDING A COPPER MATRIX AND SAID NANOTUBES AND NANOFIBERS, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAID MICROSTRUCTURE
L.THILLY, F. LECOUTURIER, J.B DUBOIS, N. FERREIRA, P.O RENAULT, P. OLIER
US patent : US 9,390,839 B2 July 12, 2016
European patent : EP 2 652 747 B1 May 4, 2016

Multiscale modeling of the electrical behavior of the Cu-Nb nano-composites
T. Gu, E. Hervé-Luanco, H. Proudhon, L. Thilly, F. Lecouturier, O. Castelnau, S. Forest
Matériaux et Techniques, 103, 309 (2015)

Cu-Nb nanocomposite wires processed by severe plastic deformation : effects of the multi-scale microstructure and internal stresses on elastic-plastic properties
J.B. Dubois, L. Thilly, P.O. Renault, F. Lecouturier
Advanced Engineering Materials, 14 (11) (2012) 998–1003

Microstructure and texture of copper/niobium composites processed by ECAE
E. Buet, J.B. Dubois, P. Olier, L. Thilly, F.Lecouturier, P.O. Renault
INTERNATIONAL JOURNAL OF MATERIAL FORMING : 5 (2) (2012) 121-127
http://dx.doi.org/10.1007/s12289-01...

Metallic composites processed via extreme deformation : Toward the limits of strength in bulk materials
D. Raabe, P.P. Choi , Y. Li, A. Kostka, X. Sauvage, F. Lecouturier, K. Hono, R. Kirchheim, R. Pippan , D. Embury
MRS Bulletin 35 (12) (2010) 982-991

Thermal stability of nanocomposite metals : In situ observation of anomalous residual stresses relaxation during annealing under synchrotron radiation
J.B. Dubois, L. Thilly, P.O. Renault, F. Lecouturier, M. Di Michiel
Acta Materialia 58 (2010) 6504–6512

A new criterion for the elasto-plastic transition in nanomaterials : application to size and composite effects on Cu-Nb nanocomposite wires , L. Thilly, S. Van Petegem, P.O Renault, F. Lecouturier, V. Vidal, B. Schmitt, H. Van Swygenhoven, Acta Mat, vol 57 (2009) 3157-3169

Plasticity of nanostructured Cu-Nb-based wires : strengthening mechanisms revealed by in-situ deformation under neutrons, V. Vidal, L. Thilly, S. Van Petegem, U. Stuhr, F. Lecouturier, P.-O. Renault and H. Van Swygenhoven, Scripta Mat, vol 60 (2009) 171-174

Cu nanowhiskers embedded in Nb nanotubes inside a multiscale Cu matrix : the way to reach extreme mechanical properties in high strength conductors, V. Vidal, L. Thilly, F. Lecouturier, P.-O. Renault, Scripta Materiala , vol 57 (3) (2007) 245-248

Effects of size and geometry on the plasticity of high strength copper/tantalum nanofilamentary conductors obtained by severe plastic deformation, V. Vidal, L. Thilly, F. Lecouturier, P.-O. Renault, Acta Materiala Vol 54 Iss 4 (2006) pp 1063-1075