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CA 022~3682 1998-12-03
BOBINE SUPRACONDUCTRICE HAUTE TEMPERATURE CRITIQUE, ET
PROCEDE POUR LA FABRICATION D'UNE TELLE BOBINE
L'invention concerne une bobine supraconductrice haute
température critique, et un procédé pour la fabrication
d'une telle bobine.
Une bobine supraconductrice haute températures
critique tHTc) comprend au moins un enroulement d'un brin
multifilamentaire supraconducteur HTc.
Le brin multifilamentaire supraconducteur HTC comprend
une pluralité de filaments en céramique supraconductrice HTC
noyé dans une matrice d'argent.
Le brin multifilamentaire supraconducteur HTC est
réalisé selon la technologie "poudre en tube" (Powder In
Tube, PIT). Cela consiste à remplir une billette de réactifs
poudreux susceptibles, après traitement thermique, de se
transformer en matériau supraconducteur de type céramique
HTc. Cette billette est ensuite fermée sous vide et étirée,
mis en faisceau dans une nouvelle billette elle-même fermée
sous vide et étirée à son tour. Le brin multifilamentaire
résultant peut subir les mêmes étapes, et ainsi de suite
jusqu'au nombre de filaments par unité de surface voulu.
Le brin ainsi réalisé est alors mis en forme
définitive puis traité thermiquement pour la transformation
des réactifs poudreux en céramique supraconductrice HTC.
Dans un premier mode de réalisation de bobine
supraconductrice HTc, dénommé "react and wind" (réaction et
enroulement), le brin multifilamentaire supraconducteur HTC
est d'abord traité thermiquement puis la bobine et réalisée
à partir du brin multifilamentaire supraconducteur en phase
supraconductrice.
Ce mode de fabrication permet de s'affranchir des
problèmes d'isolation des spires constitutives de
l'enroulement. En effet l'isolation peut être rapporté à
froid lors de la constitution de la bobine.
En revanche, ce mode de fabrication induit des
contraintes mécaniques dans le brin multifilamentaire
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supraconducteur HTc en phase supraconductrice, néfastes aux
performances électriques de la bobine ainsi réalisée.
Dans un deuxième mode de réalisation de bobine
supraconductrice HTc, dénommé "wind and react" (enroulement
et réaction), on réalise la bobine avec un brin
multifilamentaire supraconducteur HTc en phase non
supraconductrice, puis la bobine ainsi réalisé est traité
thermiquement afin de synthétiser les réactifs poudreux en
céramique supraconductrice HTc.
- Ce deuxième mode de réalisation permet de s'affranchir
d'une grande partie des problèmes de contraintes mécaniques
dans la bobine et donc d'améliorer les performances
électriques intrinsèques de la bobine.
Cependant ce deuxième mode de réalisation présente des
difficultés pour isoler les spires les unes des autres. En
effet il est nécessaire que les spires de la bobine à
matrice d'argent ne se touchent pas lors du traitement
thermique sans quoi cela créerait d'office des courts-
circuits entre les spires.
On connaît l'utilisation de papier céramique isolant
qui est co-enroulé avec le brin multifilamentaire en phase
non-conductrice. Cependant ce type de papier a plusieurs
désavantages à savoir :
l'amélioration du rapport d'Ampère.tours/volume est,
pour partie, fonction de l'épaisseur de l'isolant. Plus
l'épaisseur de l'isolant est fine, plus le rapport ci-dessus
est favorable. Les papiers céramiques commercialisés sont de
l'ordre de 0,3 mm ce qui est bien trop important. Il
faudrait que l'épaisseur de l'isolant de dépasse pas 0,1 mm.
Or un papier céramique de cette épaisseur est très fragile
et ne permet pas une utilisation industrielle en grande
série à des coûts de production abordable.
Un autre inconvénient est dû au fait que le papier
céramique, pour pouvoir être manipulé, est imprégné avec un
produit organique dégageant du C02 lors du traitement
~ .
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thermique. Ce C02 est un agent polluant pouvant mettre en
péril la synthèse de la céramique supraconductrice.
Enfin, une fois le traitement thermique réalisé, le
papier céramique n'est plus autoportant et donc la bobine
est très difficile à manipuler, notamment durant les étapes
de consolidation et de renforcement, par exemple ~ar
injection de résine.
Il est nécessaire de trouver un matériau ayant une
grande résistivité électrique, facilement faconnable, ne
constituant pas un danger de pollution de l'argent et/ou des
précurseurs poudreux lors de la phase critique de synthèse,
et autoportant tant avant qu'après le traitement thermique.
EP-A-0772208 décrit une bobine et un procédé de
fabrication "react and wind" d'une bobine supraconductrice
HTc. Le brin multifilamentaire HTc est co-enroulé avec une
feuille pleine en matériau métallique dont la surface a été
préalablement oxydée.
EP-A-0772208 permet d'améliorer la tenue mécanique de
la bobine tout en diminuant les épaisseurs requises pour
l'isolant (de l'ordre de 0,03 mm).
Cependant l'utilisation de la feuille pleine en
matériau métallique induit d'autres inconvénients, à savoir
la synthèse des précurseurs en phase supraconductrice
nécessite de l'oxygène. Cet oxygène est transporté vers les
précurseurs à travers la matrice d'argent du brin
multifilamentaire. Or, dans le procédé proposé par EP-A-
0772208, seule l'épaisseur du brin multifilamentaire est en
contact avec l'atmosphère oxygénée entourant la bobine. Le
reste du brin est intercalé entre deux feuilles métalliques
pleines, peu accessibles à l'oxygène.
En outre, sachant que durant le traitement thermique
de synthèse, les précurseurs sont partiellement dans une
phase liquide, en cas d'accroc dans la gaine d'argent, la
fraction des précurseurs en phase liquide s'écoule par
capillarité entre la feuille métallique oxydée et la matrice
. .
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d'argent, induisant de ce fait une pollution des précurseurs
par l'oxyde de métal, et une variation de la composition
stoechiométrique des précurseurs pouvant affecter
sensiblement la synthèse en phase supraconductrice.
Le but de la présente invention est de proposer un
procédé de fabrication d'une bobine à brin multifilamentaire
HTc palliant les inconvénients résultant du procédé ci-
dessus, et une bobine ainsi réalisée.
A cet effet, l'invention concerne une bobine à brin
multifilamentaire supraconducteur HTc comprenant au moins un
enroulement constitué
d'une pluralité de spires réalisées à partir d'un brin
multifilamentaire supraconducteur HTc, ledit brin comprenant
une pluralité de filaments supraconducteurs HTc noyés dans
une matrice d'argent, et
un matériau métallique oxydé, au moins en surface,
intercalé entre les spires, isolant électriquement les
spires les une des autres.
Selon l'invention, le matériau métallique oxydé est un
matériau aéré.
Dans un mode de réalisation le matériau métallique
oxydé aéré est constitué d'une pluralité de fils métalliques
tissés oxydés.
Dans un autre mode de réalisation, le matériau
métallique oxydé aéré est un déployé en métal oxydé.
le matériau métallique oxydé est choisi parmi Fe, Ni,
Al, Cu, ou un mélange de ceux-ci.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication
d'une bobine à brin multifilamentaire supraconducteur HTc
telle que décrite ci-dessus, dans lequel :
on enroule conjointement le brin multifilamentaire HTc
non synthétisé avec le matériau métallique aéré réalisant
ainsi une bobine supraconductrice HTc non-synthétisée, et
on traite thermiquement, en atmosphère oxygénée, la
bobine ainsi réalisée pour synthétiser le brin
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supraconducteur HTc en phase supraconductrice et pour
oxyder, au moins en surface, le matériau métallique aéré.
Dans une variante de réalisation, le matériau
métallique aéré peut subir un traitement thermique préalable
de pré-oxydation.
Une série d'avantages de la présente invention résulte
du caractère aéré du matériau métallique :
Cela permet d'augmenter substantiellement la surface
de la gaine d'argent au contact de l'atmosphère oxygénée. La
synthèse en phase supraconductrice est plus complète et dure
moins longtemps.
L'oxydation du matériau métallique aéré peut être fait
conjointement avec le traitement thermique de synthèse.
La surface du matériau métallique oxydé au contact de
la gaine d'argent étant sensiblement réduite par rapport à
une feuille pleine, les fuites par capillarité des
précurseurs en phase liquide sont elles aussi réduites.
Pour les mêmes raisons, la pollution par le métal
oxydé des précurseurs est limitée.
D'autres avantages, comme l'atténuation de l'influence
des accrocs dans la gaine d'argent sur les performances de
la bobine, la réduction du temps de fabrication d'une
bobine, permettent l'application du procédé selon
l'invention à la grande série, tout en maintenant les
performances des bobines fabriquées.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente
invention résulteront de la description qui va suivre en
référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est une vue schématique en coupe
transversale d'une bobine selon la présente invention.
La figure 2 est une vue schématique en coupe
longitudinale d'un détail d'une isolation entre deux spires
d'une bobine selon l'invention dans un premier mode de
réalisation.
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La figure 3 est une vue schématique en coupe
longitudinale d'un détail d'une isolation entre deux spires
d'une bobine selon l'invention dans un deuxième mode de
réalisation.
L'invention concerne une bobine à brin
multifilamentaire supraconducteur HTc 3 comprenant au moins
un enroulement 1 constitué
d'une pluralité de spires 2, 2a, 2b réalisées à partir
d'un brin multifilamentaire supraconducteur HTc 3, ledit
brin 3 comprenant une pluralité de filaments
supraconducteurs HTc 4 noyés dans une matrice d'argent 5, et
un matériau métallique oxydé 6, 7, 8, au moins en
surface, intercalé entre les spires 2, 2a, 2b, isolant
électriquement les spires 2, 2a, 2b les une des autres. Le
matériau métallique oxydé 6, 7, 8 est un matériau aéré.
On entend par matériau métallique oxydé aéré un
matériau métallique au moins oxydé en surface, non continu,
présentant des trous traversants.
Le brin multifilamentaire est réalisé selon toute
méthode connue, notamment les méthodes PIT (Powder In Tube).
Sur la représentation de la figure 2, le matériau
métallique oxydé aéré 6 est constitué d'une pluralité de
fils métalliques oxydés 7 tissés ensemble. Le tissu ainsi
réalisé autorise une circulation de l'oxygène entre les
spires de la bobine lors du traitement thermique de synthèse
et d'oxydation.
Sur la représentation de la figure 3, le matériau
métallique oxydé aéré 6 est un déployé en métal oxydé 8. La
maille du déployé métallique autorise une circulation de
l'oxygène entre les spires de la bobine lors du traitement
thermique de synthèse et d'oxydation.
Le matériau métallique destiné à être oxydé est choisi
parmi les métaux les plus oxydables, notamment parmi Fe, Ni,
Al, Cu, ou un mélange de ceux-ci.
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L'invention concerne aussi un procédé de fabrication
d'une bobine à brin multifilamentaire supraconducteur HTc
telle que décrite ci-dessus.
Les étapes du procédé sont les suivantes:
on enroule conjointement un brin multifilamentaire HTc
3 non synthétisé avec le matériau métallique aéré 6, 7,_ 8
réalisant ainsi une bobine à brin multifilamentaire
supraconducteur HTc 3 non synthétisée, et
on effectue un traitement thermique de la bobine ainsi
réalisée pour synthétiser le brin supraconducteur HTc 3 en
phase supraconductrice et pour oxyder, au moins en surface,
le matériau métallique aéré 6.
Dans une variante de réalisation, le matériau
métallique aéré 6 subit un traitement thermique préalable de
pré-oxydation.
