Brevet FR2031599A1 — publié le 19701120

La présente invention concerne des alliages de cuivre et de niobium et un procédé qui procure un nouveau domaine d'utilisation de ces alliages. On sait que le niobium est un élément supraconducteur car il est capable de laisser passer un supracourant quand il est refroidi au-dessous d'une température cryogénique critique. En raison de cette propriété, le niobium s'est révélé comme un matériau de fabrication avantageux pour des composants de certains dispositifs supraconducteurs, par exemple de magnétomètres supraconducteurs. Cependant, les utilisations du niobium pour de telles applications ont été fortement limitées par la difficulté que l'on éprouve pour unir le niobium à d'autres matériaux par des techniques classiques de jonction. I1 est certain que si on pouvait obtenir facilement des outils de recherche et d'autres accessoires en matériaux supraconducteurs dont les températures critiques couvriraient un intervalle cryogénique relativement étendu, il serait plus facile de faire progresser les techniques des supraconducteurs. On peut définir la "température critique supraconductrice" comme la température à laquelle le matériau devient supraconducteur. Des matériaux supraconducteurs dont les températures critiques s'étendent sur un grand intervalle ne sont pas, à l'heure actuelle, disponibles en des quantités suffisantes et à un prix acceptable pour permettre des recherches à grande échelle dans ce domaine. I1 serait également avantageux de disposer d'un matériau qui permettrait de faire passer le courant électrique le long d'un trajet supraconducteur constitué par ce matériau, une fois qu'il a été refroidi à une température cryogénique, et qui serait également capable de faire passer ledit courant électrique dans des conditions ohmiques dans le cas où la température du matériau viendrait à monter jusqu'à cet intervalle ohmique. En conséquence, les principaux buts de l'invention sont - de fournir un procédé de passage d'un courant électrique le long d'un trajet supraconducteur en utilisant un matériau qui n'a pas encore été employé en qualité de supraconducteur; - de fournir un procédé de passage d'un courant électrique le long d'un trajet défini dans un matériau qui est supraconducteur une fois qu'il a été refroidi au-dessous d'une température critique, matériau qui est également capable, si nécessaire, de faire passer le courant électrique dans l'intervalle olunique; - de réaliser un nouveau matériau supraconducteur qui possède certaines caractéristiques supraconductrices propres au niobium, mais qu'il est facile d'unir à d'autres matériaux par des techniques de jonction usuelles, par exemple par soudage; et, - de réaliser une famille de matériaux supraconducteurs facilement disponibles, possédant des températures critiques qui varient à l'infini dans un intervalle étendu de températures cryogéniques. Un procédé de passage de courant électrique le long d'un trajet supraconducteur selon l'invention procure un nouveau domaine d'utilisation pour des alliages de cuivre et de niobium. Selon ce procédé, on installe une source de courant électrique et on la connecte électriquement en circuit à un conducteur formé en un alliage de cuivre et de niobium. On abaisse la température de ce conducteur au moins à la température cryogénique à laquelle le conducteur devient un supraconducteur. Le composé électriquement conducteur, qui fait l'objet de 1'invention, est capable de devenir un matériau supraconducteur aux températures cryogéniques. Ce composé est un alliage de cuivre et de niobium et contient au moins 0,02 ;o en poids de niobium. Le composé comprend une première phase riche en cuivre et une seconde phase riche en niobium dispersée sous forme d'une matrice continue dans la totalité de la première phase. La matrice comprend une s4- rie de filaments individuels de la matière de la seconde phase. Ces filaments sont en nombre suffisant pour que la matrice toute entière possède une supraconductivit continue uné fois que le composé a été refroidi au-dessous d'une température critique. D'autres caractéristiques de ltinvention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre dtexemple - la Fig. 1 est une photomicrographie montrant la répartition des phases dans un échantillon d'un alliage cuivre-niobium selon l'invention; et, --la Fig. 2 est un graphique qui indique le supracourant maximum des alliages cuivre-niobium selon l'invention en fonction de la température des alliages contenant des pourcentages différents de niobium. Le composé supraconducteur selon l'invention est un alliage de cuivre et de niobium. On a déterminé expérimentalement que pour permettre à un tel alliage de devenir supraconducteur à une tempé rature cryogénique critique, cet alliage doit contenir au moins 0,02 4 en poids de niobium. On étudiera plus loin la répercussion sur les propriétés supraconductrices de l'alliage d'une variation de la proportion de niobium dans cet alliage. Un procédé acceptable, que l'on utilise pour la fabrication des alliages supraconducteurs de cuivre et de niobium selon l'invention, consiste à faire fondre le cuivre en présence de la quantité désirée de niobium et ensuite à laisser la masse fondue se refroidir lentement. De façon plus détaillée, on place le niobium seulement dans un creuset en alumine fondue et on chauffe le niobium et le creuset dans une atmosphère d'hélium gazeux sec à une température d'environ 16000C. On maintient la température à cette valeur pendant cinq minutes afin de nettoyer aussi bien le niobium que le creuset. Âpres refroidissel:lent, on place dans le creuset du cuivre de haute pureté, qui a été nettoyé par décapage dans une solution d'acide nitrique et a été ensuite lavé avec de l'eau et de l'acétone. On balaie ensuite le creuset et les métaux avec de l'hélium gazeux sec. Après cela, on chauffe le creuset et les métaux dans un four à une température supérieure au point de fusion du cuivre mais inférieure au point de fusion du niobium. Pour ce traitement thermique particulier, une température de 12000C s'est révélée satisfai- sante. En effet, on a constaté qu'à cette température, le niobium est dissous dans le bain de cuivre liquide et, en fait, entre en solution dans le cuivre liquide.Après que le niobium a été entièrement dissous dans le cuivre, on maintient l'ensemble à la température de 12000C pendant quinze minutes environ et on refroidit lentement en interrompant pour cela l'rapport de chaleur au four et en laissant l'ensemble se refroidi jusqu'à la température ambiante. Les phénomènes physiques précis aui interviennent pendant la formation, par cette technlnue, de l'alliage cuivre-niobium ne sont pas connus, car on ne connaît pas le diagrainme des phases des alliages cuivre-niobium. On peut cependant se rendre compte de la distribution des phases dans l'alliage résultant en examinant la Fig. 1 du dessin. On voit que la majorité de l'alliage est formée d'une phase dont la couleur est relativement claire. En dispersion dans cette première phase, on aperçoit la matrice plus foncée formée par la seconde phase. La phase claire est celle qui est riche en cuivre alors que la matrice est riche en niobium. La phase riche en niobium est constituée de filaments individuels.Chacun de ces filaments est en contact suffisant avec d'autres filaments pour assurer la conductivité électrique continue à travers cette phase. Quand on refroidit l'alliage au-dessous de sa température cryogénique critique, c'est la matrice (c'est-à-dire la phase ri che en niobium) qui devient supraconductrice. On conçoit aisément qu'étant donné que la majeure partie de l'alliage est constituée d'une phase riche en cuivre, cet alliage peut être facilement uni à d'autres matériaux par des techniques classiques telles que le soudage, de la même façon que celle qu'on utilise pour des maté riaux plus courants à base de cuivre. Un autre avantage qui découle de la présence d'une phase pré- pondérante riche en cuivre est que l'alliage permet le passage du courant électrique même si sa température est dans l'intervalle non supraconducteur ou l'intervalle ohmique. Etant donné que le cuivre est un conducteur bien connu du courant électrique, cet alliage est capable, dans l'intervalle ohmique, de laisser passer le maximum de supracourant que ce même alliage est capable de laisser passer au-dessous de la température cryogénique critique. Ainsi, l'utilisation de cet alliage dans un réseau de distribution de courant offre l'avantage d'une conductivité électrique continue même dans l'éventualité d'une panne des appareils de réfrigération qui servent normalement à maintenir l'alliage à la température supraconductrice. Pour bien se rendre compte des propriétés supraconductrices de l'alliage cuivre-niobium selon l'invention, on procède à un essai sur un échantillon d'alliage ayant 3 mm de longueur et une 2 section transversale de 0,2 cm . Pour préparer cet échantillon, on utilise le procédé décrit plus haut et l'alliage contient 0,04 0jO en poids de niobium. On connecte l'4chantillon à un voltmbtre possédant un point de contact supraconducteur et présentant une sensibilité-limite pratique de 10 7 volt.0n connecte l'échantillon à une source de courant ayant un potentiel de 12 volts et on refroidit finalement à une température de 4,20K en exposant à l'helium liquide. La détermination de la supraconductivité possible est f;cili- tée par la connexion de l'échantillon sous forme d'une partie l'un anneau supraconducteur faiblement connecté. Des anneaux de ce ,en- re sont décrits en détail dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 537 239 du 24 Mars 1966. Le critère de supraconduc tivité est la constatation de la persistance du courant et la quantification du flux en dedans de l'échantillon. La température critique apparente de cet échantillon à laquelle celui-ci devient supraconducteur, apparait lorsqu'on fait descendre la température entre 6 et 8 K. La résistivité de l'échantillon immédiatement audessus de la température critique est d'environ 70 17 ohm-cm.Le courant critique à une température de 4,20K est de 0,2 ampère pour cet échantillon. Sur la Fig. 2 du dessin, on a représenté un graphique sur lequel on a porté en ordonnées le supracourant maximum d'un alliage particulier, alors qu'en abscisses, on a fait figurer la température en OK. La courbe 12 correspond à un alliage de cuivre-niobium contenant le pourcentage le plus faible de niobium de tous les alliages qui figurent sur ce graphique. La courbe 14 correspond à un alliage qui contient un pourcentage plus élevé de niobium que celui de la courbe 12 et ce pourcentage augmente progressivement dans les échantillons représentés par les courbes 16 et 18. La courbe 20 représente un alliage dont le pourcentage en niobium est le plus élevé.On peut constater que les températures critiques des divers alliages, représentées par les points d'intersection entre les courbes individuelles et la coordonnée horizontale, augmentent avec l'accroissement du pourcentage de niobium dans l'alliage. Ce rapport entre le pourcentage de niobium dans 11 alliage et la température critique de l'alliage permet de préparer des alliages possédant un nombre infini de températures critiques dans un certain intervalle cryogénique. Du fait que l'invention met à la disposition du savant et du métallurgiste une famille d'alliages dont les températures critiques varient en fonction du pourcentage du niobium dans chaque alliage particulier, elle facilite la recherche et la fabrication dans l'industrie des supraconducteurs. On peut également constater à l'examen de la Fig. 2 que plus le pourcentage de niobium dans 11 alliage est élevé, plus le courant supraconducteur maximum à une température cryogénique donnée sera élevé. Ce supracourant maximum est donc un autre paramètre que l'on peut facilement régler dans l'alliage de i Irvention en modifiant le pourcentage de niobium. On voit donc que l'invention fournit une nouvelle catégorie de matériaux qui peuvent servir de -upraconducteurs. L'invention fournit également des alliages particuliers de cuivre-niobium que l'on peut facilement unir à d' -' classiques de jonction. Ces alliages peuvent également laisser pas ser un courant électrique aussi bien dans l'intervalle supraconduc teur que dans l'intervalle ohmique des températures. Enfin, l'in vention fournit des alliages ayant des températures critiques va riables et des supracourants maximaux en fonction du pourcentage de~niobium contenu dans l'alliage. POUR LES REFERENCES S DU NEMOIRE DESCRIPTIF REVOYANT A LA FIGURE 1,LA PLANCHE UNIQUE DEPOSEE AU DOSSIER PEUT ETRE CONSULT$B A L'INSTITUT NATIONAL NE LA PROPRIETE INDUSTRIELLE - REVENDICATIONS. 1 - Composé conducteur d'électricité qui est capable de devenir supraconducteur aux températures cryogéniques, caractérisé en ce qu'il est un alliage de cuivre et de niobium contenant au moins 0,02 % en poids de niobium, ledit composé présentant une première phase riche en cuivre et une seconde phrase riche en niobium dispersée sous forme d'une matrice dans la totalité de la première phase. 2 - Composé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice comprend une série de filaments de ladite seconde phase, ces filaments étant en contact électrique les uns avec les autres de sorte que la matrice présente des caractéristiques d'une conductivité électrique continue. 3 - Procédé de passage d'un courant électrique le long d'un trajet supraconducteur, caractérisé en ce qutil consiste à installer une source de courant électrique, à connecter électriquement cette source en circuit avec un conducteur formé d'un alliage de cuivre et de niobium et à abaisser la température de ce conducteur au moins jusqu'à une température cryogénique à laquelle ledit conducteur devient supraconducteur. 4 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit alliage contient au moins 0,02 % en poids de niobium. 5 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit alliage comprend une première phase riche en cuivre et une seconde phase riche en niobium dispersée sous forme d'une matrice dans la totalité de la première phase. 6 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite température cryogénique, exprimée en degrés Kelvin, varie en fonction du pourcentage pondéral de niobium dans l'alliage.