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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 :

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

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

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

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