EP3083114A1 - Procédé de fabrication d'un matériau composite a matrice métallique et renfort de carbone - Google Patents

Procédé de fabrication d'un matériau composite a matrice métallique et renfort de carbone

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EP3083114A1
EP3083114A1 EP14821772.2A EP14821772A EP3083114A1 EP 3083114 A1 EP3083114 A1 EP 3083114A1 EP 14821772 A EP14821772 A EP 14821772A EP 3083114 A1 EP3083114 A1 EP 3083114A1
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metal matrix
powder
extrusion
carbon
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Nexans SA
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    • B22F3/20—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by extruding
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21C23/002—Extruding materials of special alloys so far as the composition of the alloy requires or permits special extruding methods of sequences
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    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • C22C2026/002—Carbon nanotubes

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a composite material comprising a metal matrix reinforced by a carbon reinforcement, and in particular by carbon nanotubes.
  • the method is particularly suitable for the manufacture of electrical conductors for cables and metal reinforcing elements.
  • a composite material consists of several elementary components, the combination of which gives a set of properties that none of the components, taken separately, possesses.
  • the goal that is most often sought by substituting a composite material for a traditional material is, for the same structural stiffness, an appreciable gain in mass.
  • a composite material consists of two phases:
  • Nanocomposites can overcome some of these limitations and offer advantages over conventional micrometer-reinforced composites:
  • the nanoparticles having dimensions below the wavelengths of the visible light (380-780 nm), allow the material to retain its starting optical properties as well as a good surface state,
  • carbon reinforcement is intended to mean carbon nanotubes, carbon nanofibers and carbon fibers.
  • Powder metallurgy is a common process and has very favorable results for the production of metal matrix composites.
  • This process typically comprises a step of mixing the matrix in the form of metal powder with the reinforcement and then a compaction and diffusion densification and loosening elimination (sintering) step.
  • the manufacture of the composite is completed by an extrusion step.
  • the present invention aims to remedy these disadvantages.
  • the invention thus relates to a method of manufacturing a composite comprising a metal matrix reinforced with a carbon reinforcement.
  • the process according to the invention is a continuous extrusion process comprising frictional heating of a mixture obtained from a mixture of powders comprising a metal matrix powder and a carbon reinforcement powder, using a mobile extrusion wheel, between a groove of the wheel and a fixed element called a shoe, and then conveying the mixture and heated to an extrusion die.
  • the heating may in particular be carried out by compression of the mixture, friction and shear at the passage on the shoe.
  • This process directly extrudes the manufacture of the composite, and this continuously, unlike conventional spinning.
  • the method involves frictionally driving a blank between a grooved wheel and a shoe.
  • the metal heats up as it enters the hoof. Arrived in abutment against the die, the composite mixture is at a temperature such that its extrusion through the die is possible. Finished products are thus obtained directly, such as electrical conductors for cables and metal reinforcing elements.
  • the extruded composite may be an electrical conductor for a cable, a wire rod or a wire for mechanical reinforcement.
  • the lower end of the passage may be obstructed by a stop.
  • the inlet of the die is typically orthogonal to the lower end of the passage.
  • the mixture can be from a hopper.
  • the mixture introduced into the hopper can be obtained by flocculation of the mixture of powders.
  • the mixture can also be obtained by pre-extrusion of the powder mixture.
  • the pre-extrusion may for example be carried out using a screw extruder.
  • the elements of the metal matrix may be selected from copper, aluminum, copper alloys and aluminum alloys.
  • the powder mixture can comprise from 0.01 to 1.8% by weight of metal matrix when the metal matrix is copper or a copper alloy, and preferably from 0.05 to 0.2% by weight.
  • the powder mixture can comprise from 0.03 to 6% by weight of metal matrix when the metal matrix is aluminum or an aluminum alloy, and preferably from 0.15 to 0.6% by weight.
  • the powder mixture can be made of metal matrix powder and carbon reinforcement powder. It may also include adjuvants.
  • the average size of the metal matrix powder particles may be between 10 nm and 1 mm, and preferably between 10 and 200 nm.
  • the carbon reinforcement may consist of carbon nanotubes.
  • the average diameter of the carbon nanotubes can be between
  • the length of the carbon nanotubes can be between 500 nm and 10 mm, and is preferably greater than 50 ⁇ , and can thus be between 50 ⁇ and 10 mm.
  • the carbon nanotubes are advantageously functionalized, to disagglomerate and disperse them and to allow the best possible bond with the metal matrix.
  • Many functionalization treatments are known, from acid treatment to graft radicals on nanotubes to the treatment of depositing a metal on the surface of the nanotubes.
  • the metal matrix and the carbon reinforcement are preferably sufficiently mixed to obtain a good dispersion, but not excessively so as not to break or damage the carbon reinforcement.
  • FIG. 1 schematically illustrates a device set implemented in the process according to the invention.
  • a continuous extrusion device 1 used in the invention comprises a frame, an extrusion wheel 2 and a shaping system.
  • the formatting system includes mainly a shoe 3 and an extrusion die 4.
  • the frame supports the wheel 2 which is rotated by a motor.
  • An endless groove 2a is formed at the periphery of the wheel 2 and accommodates a mixture which may be from a hopper 5.
  • the mixture is a mixture of a metal powder, typically copper or aluminum, and a carbon reinforcing powder, typically carbon nanotubes.
  • the mixture of powders can be introduced into the hopper 5.
  • the powder mixture is advantageously subjected to a flocculation step, which makes it possible to form larger particles and to make the powder more manipulable for its introduction into the extruder.
  • a screw extruder which will form a preformed rod 7, with a low density, but which will be sufficiently manipulable to be introduced directly into the device.
  • the hopper 5 is of course not used.
  • Part of the periphery of the wheel 2 is wrapped tightly by the shoe 3, so that the groove 2a cooperates with the shoe 3 to define a passage.
  • the mixture of powders coming from the hopper 5, or the mixture in the form of preformed ring 7, enters a first end of the passage and is rotated by the wheel 2.
  • the other end of the passage is obstructed by a stop 6 which is mounted on the shoe 3 and which intrudes into the passage.
  • the die 4 is mounted in a chamber formed directly downstream of the abutment 6. The heat supplied to the mixture allows it to be extruded through the die 4.
  • the method according to the invention allows the rapid and economical manufacture of long products 8 such as cable conductors.
  • the process confers a preferential orientation to the carbon nanotubes, which are oriented in the axis of the wire, which provides a better electrical conductivity.

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un composite (8) comprenant une matrice métallique renforcée par un renfort de carbone, caractérisé en ce que le procédé est un procédé d'extrusion en continu comprenant l'échauffement par friction d'un mélange (7) obtenu à partir d'un mélange de poudres comprenant une poudre de matrice métallique et une poudre de renfort de carbone, à l'aide d'une roue d'extrusion (2) mobile, dans un passage formé entre une gorge (2a) de la roue (2) et un élément fixe appelé sabot (3), puis l'acheminement du mélange (7) ainsi chauffé vers une filière d'extrusion (4).

Description

PROCEDE DE FABRI CATI ON D'UN MATERI AU COMPOSI TE A MATRI CE METALLIQUE ET RENFORT DE CARBONE
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un matériau composite comprenant une matrice métallique renforcée par un renfort de carbone, et notamment par des nanotubes de carbone. Le procédé est particulièrement adapté à la fabrication de conducteurs électriques pour câbles et d'éléments de renfort métalliques.
Un matériau composite est constitué de plusieurs composants élémentaires, dont l'association confère un ensemble de propriétés qu'aucun des composants, pris séparément, ne possède. Le but que l'on recherche le plus souvent en substituant un matériau composite à un matériau traditionnel, est, pour une même rigidité de structure, un gain de masse appréciable. Un matériau composite est constitué de deux phases :
- la matrice, et
- le renfort ou la charge.
Les composites avec des renforts micrométriques ont montré certaines de leurs limites. Leurs propriétés résultent de compromis : l'amélioration de la résistance, par exemple, se fait au détriment de la plasticité ou de la transparence optique. Les nanocomposites peuvent pallier à certaines de ces limites et présentent des avantages face aux composites classiques à renforts micrométriques :
- une amélioration significative des propriétés mécaniques, notamment de la résistance, sans compromettre la ductilité du matériau car la faible taille des particules ne crée pas de larges concentrations de contraintes,
- une augmentation de la conductivité thermique et de diverses propriétés, notamment optiques, qui ne s'expliquent pas par les approches classiques des composants. Les nanoparticules, ayant des dimensions en deçà des longueurs d'onde de la lumière visible (380-780 nm), permettent au matériau de conserver ses propriétés optiques de départ ainsi qu'un bon état de surface,
- une augmentation de conductivité électrique. La diminution de la taille des renforts que l'on insère dans la matrice conduit à une très importante augmentation de la surface des interfaces dans le composite. Or, c'est précisément cette interface qui contrôle l'interaction entre la matrice et les renforts, expliquant une partie des propriétés singulières des nanocomposites. Il est à noter que l'ajout de particules nanométriques améliore, de manière notable, certaines propriétés avec des fractions volumiques beaucoup plus faibles que pour les particules micrométriques.
On obtient ainsi, à performances égales, un gain de poids important ainsi qu'une diminution des coûts puisque l'on utilise moins de matières premières (sans tenir compte du surcoût des nano-renforts) , une meilleure résistance pour des dimensions structurales similaires et une augmentation des propriétés barrières pour une épaisseur donnée.
La suite de la description concerne plus particulièrement les composites avec une matrice métallique et un renfort de carbone en tant qu'élément de renfort. Par « renfort de carbone » au sens de l'invention, on entend les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone et les fibres de carbone.
La métallurgie des poudres est un procédé courant et qui est porteur de résultats très favorables pour la réalisation de composites à matrice métallique. Ce procédé comprend typiquement une étape de mélange de la matrice sous forme de poudre métallique avec le renfort puis une étape de compaction et de traitement de densification par diffusion et élimination des lacunes (frittage). La fabrication du composite s'achève par une étape d'extrusion.
L'inconvénient de ce type de procédé est qu'il implique la fabrication de pièces distinctes, et qu'il n'est pas adapté à la fabrication de produits longs tels que les fils conducteurs pour câbles.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
L'invention a ainsi pour objet un procédé de fabrication d'un composite comprenant une matrice métallique renforcée par un renfort de carbone.
Le procédé selon l'invention est un procédé d'extrusion en continu comprenant réchauffement par friction d'un mélange obtenu à partir d'un mélange de poudres comprenant une poudre de matrice métallique et une poudre de renfort de carbone, à l'aide d'une roue d'extrusion mobile, entre une gorge de la roue et un élément fixe appelé sabot, puis l'acheminement du mélange ainsi chauffé vers une filière d'extrusion. L'échauffement peut notamment s'effectuer par compression du mélange, friction puis cisaillement au passage sur le sabot.
Ce procédé est typiquement le procédé dit "conforme", qui est connu sous la dénomination commerciale CONFORM® par la société Holton Machinery Ltd, et qui est décrit, par exemple, dans le document EP 0 125788.
Ce procédé réalise directement par extrusion la fabrication du composite, et ceci en continu, contrairement au filage classique. Le procédé consiste à entraîner par friction une ébauche entre une roue à gorge et un sabot. Le métal s'échauffe au fur et à mesure qu'il pénètre dans le sabot. Arrivé en butée contre la filière, le mélange composite est à une température telle que son extrusion au travers de la filière est possible. Sont ainsi obtenus directement des produits finis tels que les conducteurs électriques pour câbles et les éléments de renfort métalliques.
Le composite extrudé peut être un conducteur électrique pour câble, un fil machine ou un fil destiné à un renfort mécanique.
L'extrémité inférieure du passage peut être obstruée par une butée.
L'entrée de la filière est typiquement orthogonale à l'extrémité inférieure du passage.
Le mélange peut être issu d'une trémie. Dans ce cas, le mélange introduit dans la trémie peut être obtenu par floculation du mélange de poudres.
Le mélange peut également être obtenu par pré-extrusion du mélange de poudres. La pré-extrusion peut par exemple être réalisée à l'aide d'une extrudeuse à vis.
Les éléments de la matrice métallique peuvent être choisis parmi le cuivre, l'aluminium, les alliages de cuivre et les alliages d'aluminium.
Le mélange de poudres peut comprendre de 0.01 à 1.8% en poids de matrice métallique lorsque la matrice métallique est le cuivre ou un alliage de cuivre, et de préférence de 0.05 à 0.2% en poids. Le mélange de poudres peut comprendre de 0.03 à 6% en poids de matrice métallique lorsque la matrice métallique est l'aluminium ou un alliage d'aluminium, et de préférence de 0.15 à 0.6% en poids.
Le mélange de poudres peut être constitué de poudre de matrice métallique et de poudre de renfort de carbone. Il peut également comprendre des adjuvants.
La taille moyenne des particules de poudre de matrice métallique peut être comprise entre 10 nm et 1 mm, et de préférence entre 10 et 200 nm.
Le renfort de carbone peut être constitué de nanotubes de carbone. Le diamètre moyen des nanotubes de carbone peut être compris entre
0.5 et 90 nm, et de préférence entre 1 et 40 nm.
La longueur des nanotubes de carbone peut être comprise entre 500 nm et 10 mm, et est de préférence supérieure à 50 μηι, et peut être ainsi comprise entre 50 μηι et 10 mm.
Avant leur mélange avec la matrice métallique, les nanotubes de carbone sont avantageusement fonctionnalisés, pour les désagglomérer et les disperser et pour permettre la meilleure liaison possible avec la matrice métallique. De nombreux traitements de fonctionnalisation sont connus, du traitement à l'acide pour greffer des radicaux sur les nanotubes au traitement visant à déposer un métal en surface des nanotubes.
La matrice métallique et le renfort de carbone sont de préférence suffisamment mélangés pour obtenir une bonne dispersion, mais pas excessivement pour ne pas casser ou endommager le renfort de carbone.
Après l'étape d'extrusion, il est possible d'envisager un traitement thermique, de manière à favoriser la liaison renfort-matrice.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple i II u st rat if et non limitatif et faite en référence à la figure 1 annexée qui illustre schématiquement un dispositif mis en œuvre dans le procédé selon l'invention.
Tel qu'illustré à la figure 1, un dispositif d'extrusion en continu 1 utilisé dans l'invention comprend une armature, une roue d'extrusion 2 et un système de mise en forme. Le système de mise en forme comprend principalement un sabot 3 et une filière d'extrusion 4. L'armature supporte la roue 2 qui est entraînée en rotation par un moteur. Une gorge sans fin 2a est formée à la périphérie de la roue 2 et accueille un mélange qui peut être issu d'une trémie 5. Le mélange est un mélange d'une poudre de métal, typiquement du cuivre ou de l'aluminium, et d'une poudre de renfort de carbone, typiquement des nanotubes de carbone.
Dans un premier mode de réalisation, le mélange de poudres peut être introduit dans la trémie 5. Dans ce cas, le mélange de poudres est avantageusement soumis à une étape de floculation, ce qui permet de former des particules plus grosses et de rendre la poudre plus manipulable pour son introduction dans l'extrudeuse.
Dans un deuxième mode de réalisation, on peut placer en amont du dispositif une extrudeuse à vis qui va former un jonc préformé 7, avec une densité faible, mais qui sera suffisamment manipulable pour être introduit directement dans le dispositif. Dans ce deuxième mode de réalisation, la trémie 5 n'est bien sûr pas utilisée.
Une partie de la périphérie de la roue 2 est enveloppée étroitement par le sabot 3, de sorte que la gorge 2a coopère avec le sabot 3 pour délimiter un passage. Le mélange de poudres issu de la trémie 5, ou le mélange sous forme de jonc préformé 7, entre dans une première extrémité du passage et est entraîné en rotation par la roue 2. L'autre extrémité du passage est obstruée par une butée 6 qui est montée sur le sabot 3 et qui s'immisce dans le passage. Comme le mélange est confiné dans le passage et que la roue 2 continue à tourner, le mélange est chauffé par friction avec la gorge 2a. La filière 4 est montée dans une chambre formée directement en aval de la butée 6. La chaleur apportée au mélange permet son extrusion à travers la filière 4.
Ainsi, le procédé selon l'invention permet la fabrication rapide et économique de produits longs 8 tels que les fils conducteurs pour câble. En outre, le procédé confère une orientation préférentielle aux nanotubes de carbone, qui sont orientés dans l'axe du fil, ce qui procure une meilleure conductibilité électrique.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de fabrication d'un composite (8) comprenant une matrice métallique renforcée par un renfort de carbone, caractérisé en ce que le procédé est un procédé d'extrusion en continu comprenant réchauffement par friction d'un mélange (7) obtenu à partir d'un mélange de poudres comprenant une poudre de matrice métallique et une poudre de renfort de carbone, à l'aide d'une roue d'extrusion (2) mobile, dans un passage formé entre une gorge (2a) de la roue (2) et un élément fixe appelé sabot (3), puis l'acheminement du mélange (7) ainsi chauffé vers une filière d'extrusion (4).
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composite extrudé (8) est un conducteur électrique pour câble, un fil machine ou un fil destiné à un renfort mécanique.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure du passage est obstruée par une butée (6).
Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'entrée de la filière (4) est orthogonale à l'extrémité inférieure du passage.
Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélange est issu d'une trémie (5).
Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le mélange introduit dans la trémie (5) est obtenu par floculation du mélange de poudres.
Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélange (7) est obtenu par pré-extrusion du mélange de poudres.
Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pré-extrusion est réalisée à l'aide d'une extrudeuse à vis.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les éléments de la matrice métallique sont choisis parmi le cuivre, l'aluminium, les alliages de cuivre et les alliages d'aluminium.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mélange de poudres comprend de 0.01 à 1.8% en poids de matrice métallique lorsque la matrice métallique est le cuivre ou un alliage de cuivre.
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mélange de poudres comprend de 0.03 à 6% en poids de matrice métallique lorsque la matrice métallique est l'aluminium ou un alliage d'aluminium.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la taille moyenne des particules de poudre de matrice métallique est comprise entre 10 nm et 1 mm.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le renfort de carbone est constitué de nanotubes de carbone.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le diamètre moyen des nanotubes de carbone est compris entre 0.5 et 90 nm.
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que la longueur des nanotubes de carbone est comprise entre 500 nm et 10 m m .
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