Elaboration de matériaux composites à matrice métallique (Cu-NTC) ayant des propriétés électriques améliorées pour application filaire.

Fabrication of metal matrix composite materials (Cu-CNT) with enhanced electrical properties for wired applications

• Auteur / Autrice : Guy-Marie Vallet
• Direction : Jean-François Silvain, Jean-Marc Heintz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Partenaire(s) de recherche : : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Battaglia, Francis Debladis, Michel Dunand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Champion, Christophe Laurent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Composites à matrice métallique

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Matériaux Composites à Matrice Métalliques (CMM)

Nanotubes de Carbone (NTC)

Application Filaire

Propriétés Electriques

Propriétés Thermiques

Procédé d’Extrusion à Chaud

Metal Matrix Composite Materials (CMM)

Carbon Nanotubes (CNT)

Wired Application

Electrical Properties

Thermal Properties

Hot Extrusion Process

Résumé

Le remplacement des systèmes de distribution d’énergie actuels dans les avions (pneumatiques, hydrauliques, mécaniques et électriques) par des systèmes 100% électriques est un enjeu majeur dans le cadre du projet de l’avion « plus électrique ». Le processus d’électrification de l’avion conduit à une augmentation de la puissance embarquée à bord des aéronefs, et par conséquent à une augmentation de la masse du réseau filaire. Afin de pallier à cette augmentation, un nouveau matériau composite possédant des propriétés électriques supérieures à celle du cuivre a été développé dans le but d’augmenter la capacité de courant admissible dans le conducteur à section constante. Ce travail de thèse présente le procédé d’élaboration du matériau composite cuivre-nanotubes de carbone développé ainsi que les techniques de caractérisation utilisées et les résultats associés. Différents paramètres tels que la qualité de la dispersion des renforts dans la matrice, le type de nanotubes de carbone utilisés (multi-parois vs mono-paroi), la nature de l’interface créée entre le cuivre et les renforts (mécanique vs chimique) ainsi que les techniques de mise en forme du matériau (pressage uni-axial à chaud, extrusion à chaud) et de post-traitements (recuit, laminage à chaud) ont été étudiés afin d’obtenir des propriétés physiques optimales. Il en résulte une augmentation des propriétés thermiques (+6,8% pour la conductivité thermique), mécaniques (+32% pour la dureté Vickers) et également électriques - pour la première fois observée- (+3,4 % pour la conductivité électrique) et ce en comparaison avec à une matrice de cuivre pur.

The substitution of the current energy chains in aircrafts (pneumatic, hydraulic, mechanical and electrical) by a 100% electrical chain is a major issue in the field of the “more electric” aircraft. The electrification process leads to an increase of the inboard power of aircrafts, and therefore to an increase of the wired network weight. To counterbalance this increase of mass, a new composite material with higher electrical properties that copper should be considered, in order to increase the current density in the conductor at constant cross section. Several parameters have been studied such as the quality of the carbon nanotubes dispersion, the type of CNTs used (single-walled vs. multi walled), the interface between the matrix and the reinforcements (mechanical vs. chemical), the shaping of material (uni-axial hot pressing, hot extrusion process) and the post treatments processes (heat treatment, hot lamination process). An enhancement of the thermal properties (+ 6.8% of thermal conductivity), the mechanical properties (+32% of Vickers hardness) and for the first time an increase of the electrical properties (+3.4 % for the electrical conductivity) have been observed in comparison with pure copper.