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Un matériau hybride spiralé révolutionnaire solide, léger et conducteur

Un projet financé par l’UE a allié les qualités de l’aluminium et du cuivre dans une nouvelle structure interne légère et conductrice de forme hélicoïdale qui pourrait être utilisée dans des câbles électriques souterrains basse tension.

Technologies industrielles

Parmi les métaux du commerce, le cuivre et l’aluminium sont ceux qui présentent la plus faible résistance électrique et sont par conséquent de bons conducteurs électriques. Tous les métaux sont évalués en fonction de la conductivité électrique du cuivre. En 1913, la Commission électrotechnique internationale a défini la norme International Annealed Copper Standard (IACS) relative à la conductivité électrique du cuivre, en la fixant à 100 % IACS (58,00 MS/m). Cela ne sous-entend pas que le cuivre n’a pas de résistance, mais bien qu’il constitue la norme par rapport à laquelle d’autres matériaux sont mesurés. Pour obtenir le même rendement, un fil d’aluminium doit être plus gros qu’un fil de cuivre. Étant donné que le cuivre est deux fois plus résistant que l’aluminium, la section d’un fil d’aluminium doit être deux fois plus grande que celle d’un fil de cuivre pour obtenir la même capacité de charge. Le cuivre est en général le choix de prédilection pour les fils électroniques et de télécommunications, tandis que l’aluminium, matériau plus léger et moins coûteux, convient aux lignes électriques aériennes.

Combiner les matériaux de nouvelles manières

Les stratégies de conception des matériaux inspirées des systèmes biologiques naturels peuvent introduire des formes et des arrangements d’éléments de construction qui permettent de nouveaux degrés de liberté pour les hybrides. Le projet HybridMat, financé par l’UE, a fait la démonstration de matériaux hybrides dont l’architecture interne en spirale possède des propriétés physiques et mécaniques exceptionnelles. L’hybride combine les hautes résistance et conductivité du cuivre avec la légèreté et le faible coût de l’aluminium. Les chercheurs ont étudié de nombreux paramètres d’hélice différents afin d’identifier la conception qui permettra d’améliorer la résistance et la conductivité des conducteurs hybrides. Une attention particulière a été accordée à l’évolution des phases intermétalliques formées à l’interface aluminium-cuivre au cours du traitement. Ce type d’alliage intermétallique est connu pour présenter une conductivité plus faible que les composants purs respectifs, ce qui, outre leur fragilité intrinsèque, peut compromettre les aspects bénéfiques du matériau hybride. L’équipe du projet a également conçu un nouveau modèle analytique pour prédire la conductivité électrique effective des échantillons hybrides. Le modèle prend en compte la présence d’une couche intermétallique. Contrairement à la règle des mélanges, le modèle dépend de deux paramètres: la fraction volumique du cuivre et la géométrie du constituant hélicoïdal. «Le modèle s’est avéré utile pour évaluer la manière dont les paramètres de l’hélice et la largeur de l’interface affectent la conductivité effective des échantillons hybrides et convient donc à la conception optimale des conducteurs hybrides», explique Rimma Lapovok, boursière Marie-Curie.

Déformation des métaux à l’échelle nanométrique

Des efforts considérables ont été consacrés au développement des techniques de déformation plastique sévère (SPD pour severe plastic deformation) – des procédés de formage des métaux qui imposent une contrainte de cisaillement aux matériaux métalliques en vrac. Cette contrainte de cisaillement produit des grains extrêmement fins de l’ordre du nanomètre. «La SPD ouvre de nouvelles perspectives pour la production de matériaux hybrides aux propriétés physiques et mécaniques améliorées, par exemple une résistance et une conductivité électrique élevées, pour des applications industrielles ciblées. Nous avons démontré que les échantillons hybrides dotés d’un renforcement hélicoïdal présentent une résistance mécanique plus élevée, une capacité de charge accrue et un écrouissage plus important sous l’effet de la déformation par rapport aux échantillons dotés d’un renforcement parallèle droit», conclut Rimma Lapovok.

Mots‑clés

HybridMat, cuivre, matériau hybride, aluminium, conductivité, résistance, capacité de charge, déformation plastique sévère (SPD)

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