Brevet FR2808265A1 — publié le 20011102

PROCEDE DE FABRICATION DE MATERIAUX COMPOSITES PAR DEFORMATIONS MECANIQUES REPETEES ET MATERIAU AINSI OBTENU. L'invention concerne un procédé de fabrication de matériaux composites. Dans un certain nombre d'applications il est nécessaire de fabriquer des matériaux composites, par exemple des matériaux nanocristallins et/ou des matériaux magnétoresistifs, dont la structure interne possède des caractéristiques périodiques avec une répartition sensiblement homogène et prédéterminée. Classiquement ces matériaux sont fabriqués des procédés métallurgiques, plus particulièrement par une méthode de trempe sur roue ou par une méthode dépôt sous atmosphère contrôlée, telle que la pulvérisation cathodique. D'autres matériaux composites, par exemple des supraconducteurs et des conducteurs renforcés sont obtenus par des déformations mécaniques répétées, du type extrusion ou étirage. procédé connu n'est cependant pas approprié dans certaines applications, notamment en raison du phénomène de dilution qu'il engendre. L'invention a pour but de fournir une alternative aux différents procédés connus pour la fabrication matériaux composites. Selon l - ention, ce but est atteint par un procédé de fabrication de matériaux composites par déformations mécaniques répétées, comportant une première étape, d'introduction d'un échantillon dans un orifice interne d'une gaine, une seconde étape, de déformation mécanique de l'ensemble constitué par la gaine et l'échantillon de manière à obtenir un nouvel ensemble avec rapport de réduction prédéterminé, une troisième étape, de découpe du nouvel ensemble en un nombre prédéterminé d'éléments, et une quatrième étape, d'introduction dans une nouvelle gaine d'un nouvel échantillon constitué par l'assemblage d'un nombre prédéterminé d'éléments, un cycle de fabrication constitué par la succession des seconde à quatrième étapes étant répété jusqu'à l'obtention d'un matériau dont la structure interne a les dimensions désirées, procédé caractérisé en ce qu'il comporte, entre les seconde et quatrième étapes, une cinquième étape, d'élimination de la gaine déformée. L'elimination de la gaine se fait de préférence de façon mécanique ou par attaque chimique. Selon un développement de l'invention, la section de l'orifice interne de la gaine et section échantillons sont telles que les éléments obtenus par découpe sont empilables à l'intérieur de la gaine. Ces sections sont de préférence carrées, rectangulaires ou triangulaires. L'invention concerne également un matériau ainsi obtenu. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés sur lesquels Les figures 1 à 3 illustrent un procédé selon l'art antérieur utilisant des déformations mécaniques répétées. La figure 4 représente, sous forme d'organigramme, un mode particulier de réalisation d'un procédé selon l'invention. Les figures 5 à 11 illustrent un mode de réalisation préférentiel d'un procédé de fabrication selon l'invention. Les figures 12 à 14 représentent respectivement un échantillon introduit dans une gaine, et des échantillons obtenus par assemblage après un et deux cycles de fabrication dans procédé selon l'invention. Les figures 15 à 17 représentent des échantillons analogues à ceux des figures 12 à dans un procédé selon l'art antérieur. La figure 18 illustre l'assemblage d'échantillons de section triangulaire dans l'orifice de section triangulaire d'une gaine. La figure 19 représente un mode particulier de réalisation d'un échantillon, constitué par un empilement de plaquettes. Le procédé fabrication par déformations mécaniques répétées selon l'art antérieur, illustré par les figures 1 à 3, est notamment utilisé pour la fabrication de fils supraconducteurs multifilamentai res et de conducteurs renforcés, par exemple de conducteurs en cuivre renforcés mécaniquement par des filaments de diamètre micrométrique ou nanométrique, en niobium noyés dans le cuivre. Selon ce procédé, en faisant référence aux étapes du diagramme de la figure 4 communs à ce procédé au procédé selon l'invention, un échantillon, constitué par un fil de préférence cylindrique, de niobium par exemple, est introduit, dans une étape FI (fig dans l'orifice cylindrique 1 d'une gaine 2 en cuivre, qui a classiquement une forme externe lindrique dans la partie destinée à contenir l'échantillon (fig. 1). Après déformation mécanique de l'ensemble échantillon/gaine pendant une étape F2 (fig. 4), par exemple au moyen d'une filière d'extrusion de type classique (non représentée), on obtient un nouvel ensemble 3 (fig. 2), allongé, plus fin, constitué par un filament de niobium noyé dans une matrice cuivre. Dans une étape F3 (fig. 4), le nouvel ensemble 3 est alors découpé en un nombre prédéterminé d'éléments 4, qui sont assemblés dans une étape F4 (fig.4) pour former un nou-'- échantillon à l'intérieur d'une nouvelle gaine en cuivre 2, du même type que la gaine initiale. Sur les figures 1 à ' le rapport de déformation étant de 4, sept éléments 4 sont réassemblés dans la gaine 2 pour former un nouvel échantillon. Une nouvelle étape de déformation est réalisée, permettant réduire encore le diamètre des filaments de niobium noyés dans le cuivre. Les étapes (F2, F3, F4) de déformation, découpe et réassemblage d'éléments dans une nouvelle gaine, sont répétées jusqu'à obtention des dimensions désirées pour la structure interne du matériau composite. Comme représenté à la figure 4, après une étape de déformation (F2), si les dimensions internes désirées sont atteintes (sortie OUI d'une étape F5), le procédé de fabrication considéré comme terminé. Par contre, dans le cas contraire (sortie NON de l'étape F5), tant que ces dimensions ne sont pas atteintes, le cycle de fabrication continue, passant par les étapes de découpe (F3) et d'assemblage (F4) avant une nouvelle étape de déformation (F2). La structure des matériaux composites obtenus par le procédé de fabrication par déformations mécaniques répétées selon l'art antérieur n'est pas adaptée à toutes les applications et l'invention permet de surmonter cet inconvénient. Un mode de réalisation préférentiel de l'invention, illustrée aux figures 4 à 11, va être décrit plus détail pour la fabrication d'un matériau constitué par des filaments de fer dans cuivre. La figure 5 représente un échantillon 5, de section carrée, constitué par des filaments de 6 noyés dans une matrice en cuivre. Sur la figure 5, les filaments 6 sont disposés régulièrement selon lignes et 4 colonnes à l'intérieur de la matrice en cuivre. L'échantillon 5 est introduit (étape fig. 4) dans une gaine 2, par exemple en aluminium, dont l'orifice interne 1 est section carrée (fig.6) pour former un ensemble 7 représenté à la figure 7. La gaine 2 a, de préférence, une forme externe classique pour permettre la déformation mécanique, par exemple extrusion ou étirage, de l'ensemble 7 (étape F2, figure 4) au moyen dune filiere de déformation classique. Après déformation, on obtient alors un nouvel ensemble 8, allongé constitué par échantillon de section réduite, approximativement affine de la section initiale, entouré de la gaine externe également déformée. Une nouvelle étape est alors introduite dans le procédé de fabrication connu. Pendant cette étape F6 (fig.4), la gaine déformée est éliminée, de préférence de façon mécanique ou par attaque chimique. L'utilisation d'une gaine en matériau, aluminium par exemple, différent des composants élémentaires (cuivre et fer dans l'exemple considéré) du matériau composite à fabriquer, facilite cette étape d'élimination, matériau de la gaine pouvant être éliminé sans que l'échantillon soit atteint. En particulier, lorsque l'élimination est réalisée par attaque chimique, on choisit un produit chimique approprié, attaquant la gaine sans attaquer les constituants de l'échantillon. Après élimination de la gaine, on obtient (fig.9) une tige allongée correspondant à un échantillon de section réduite. La tige 9 est ensuite découpée pendant l'étape F3 (fig. 4) en éléments 10 (6g.10) qui sont ensuite assemblés (fig.11, étape F4 de la fig.4) dans une nouvelle gaine 2. Si le rapport de réduction est de 4, il est possible d'assembler 16 éléments dans la nouvelle gaine avant de procéder de nouveau à une déformation et de répéter les diverses étapes de déformation (F2), d'élimination de la gaine (F6), de découpe (F3) et d'assemblage (F4). Comme précédemment, le procédé de fabrication est terminé lorsque les dimensions internes désirées sont atteintes (sortie OUI de l'étape F5. qui dans le mode d'utilisation particulier de la figure 4 est disposée après l'étape F6 d'élimination de la gaine déformée). Les figures 12 à 17 illustrent la différence de structure interne de matériaux composites obtenus respectivement avec le procédé selon les figures 4 à 11 et avec le procédé selon l'art antérieur. Sur la figure 12, un premier échantillon, 'constitué par un filament cylindrique 6 en une première matière, par exemple en fer, noyé dans une matrice 11 de section carrée en une seconde matière, par exemple en cuivre, est introduit dans une gaine 2 dont l'orifice interne 1 a une section carrée. La gaine est en une matière de préférence différente des première et seconde matières, par exemple en aluminium. Après déformation avec un rapport de réduction 3, élimination de la gaine, découpe en éléments et assemblage de 9 éléments, on obtient un nouvel échantillon tel que représenté à la figure 13, comportant filaments répartis régulièrement à l'intérieur d'une matrice de cuivre. Cet échantillon étant introduit dans une nouvelle gaine et soumis à un nouveau cycle de fabrication, c'est à dire successivement aux étapes de déformation (F2), d'élimination de la gaine (F6), de découpe (F3) et d'assemblage (F4), on obtient un nouvel échantillon, représenté à la figure 14, comportant 81 filaments de 6 répartis régulièrement à l'intérieur d'une matrice de cuivre. Pour obtenir un assemblage le plus compact possible, le nombre d'éléments ré-assemblés à l'étape F4 doit être égal au carré rapport de réduction utilisé à l'étape F2 comparaison, l'utilisation du procédé selon l'art antérieur pour fabriquer un matériau composite constitué par des filaments de fer dans une matrice de cuivre est illustrée aux figures 15 à 17. Le premier échantillon, constitué dans ce cas d'un même filament cylindrique 6, en fer, noyé dans une matrice 12, de section circulaire, en cuivre, introduite dans la gaine 2, dont l'orifice interne 1 a une section circulaire. La gaine déformée n'étant pas éliminée par la suite, elle est constituée, en général, par la même matiere que la matrice 12 c'est à dire du cuivre dans l'exemple considéré. Après déformation, (étape F2), découpe (étape 173) en éléments et assemblage (étape F4), on obtient un nouvel échantillon tel que représenté à la figure 16. Sur la figure 16, 7éléments obtenus après déformation avec un rapport de réduction de 4, sont assemblés à l'intérieur de l'orifice cylindrique 1 la gaine. Après un nouveau cycle de fabrication, on obtient un nouvel échantillon représenté à la figure 17. Celui-ci comporte alors 49 filaments, répartis régulièrement par groupes de 7. A chaque nouvel assemblage, le pourcentage relatif du cuivre dans l'ensemble augmente, le cuivre de la gaine entourant chaque échantillon initial fer/cuivre, puis chaque groupe de 7 nouveaux éléments. Ce phénomène de dilution, qui ne fait qu'augmenter avec le nombre d'étapes de déformation successives et auquel s'ajoutent les interstices inévitables lors de l'assemblage d'éléments cylindriques à l'intérieur d'un cylindre, rend difficile la maîtrise de la composition et de la structure interne du matériau composite à fabriquer, qui sont alors fonction du nombre de déformations et de ré-assemblages nécessaires pour atteindre les dimensions désirées L'élimination, selon l'invention, de la gaine déformée, pendant l'étape F6, réduit de façon très importante la dilution, les quantités respectives de fer et de cuivre restant alors inchangées tout au long de la fabrication. Cependant, l'utilisation de gaines classiques, à orifice cylindrique, ne permet pas une totale optimisation du procédé et, particulier, l'obtention d'un assemblage compact. La suppression des interstices entre les éléments lors de l'assemblage est obtenu, selon un développement de l'invention, par choix de sections des échantillons et de l'orifice interne 1 de la gaine 2 telles que les éléments 10 obtenus par découpe sont empilables à l'intérieur de la gaine. La forme extérieure de la gaine peut néanmoins être différente, par exemple cylindrique, pour rester adaptée aux filières de déformation, et plus particulièrement aux filières d'extrusion classiques, qui sont habituellement de forme circulaire. Dans le mode de réalisation préférentiel des figures 5 à 14, ces sections sont carrées. Ceci permet de maintenir constant le rapport entre les masses des éléments constitutifs du matériau et d'obtenir une très grande régularité de la structure interne du materiau. Ces sections peuvent également être rectangulaires ou en forme de losange. La figure 18 illustre un autre mode de réalisation envisageable, dans lequel les sections sont triangulaires, constituées par des triangles équilatéraux. Comme dans le cas de sections carrées un nouvel échantillon peut être formé par assemblage de 9 éléments obtenus après déformation avec un rapport de réduction de 3, sans formation d'interstices et sans dilution, lorsque la gaine déformée est éliminée. Dans modes de réalisation décrits ci-dessus, chaque échantillon est composé par au moins un filament en une première matière noyé dans une seconde matière. Le même procédé peut être utilisé en utilisant comme échantillon de départ un composant de forme géométrique quelconque noyé dans matière ou un empilement de plaquettes 13 et 14 constituees alternativement de matières différentes, tel qu'illustré à la figure 19. Le procédé selon l'invention est plus particulièrement intéressant pour la fabrication matériaux composites dont la structure interne est constituée par des formes particulières, filaments ou plaquettes exemple, à des échelles pouvant aller jusqu'à des échelles manométriques. On peut ainsi obtenir un matériau massif, constitué d'au moins deux matériaux et dont la structure interne possède des caractéristiques périodiques avec une répartition sensiblement homogène prédéterminée, au moins un des composants ayant des dimensions qui peuvent être d'ordre micrométrique, voire manométrique, par exemple des réseaux de fils manométriques noyés dans une matrice. Comme représenté à la figure 4, le procédé selon l'invention comporte de préférence une étape (F7) additionnelle, de recuit, à une température appropriée, après l'étape F3 de découpe. Cette étape de recuit a classiquement pour but la réduction des contraintes internes créées par déformation mécanique. A titre d'exemple, pour un matériau Fe/Cu, la température de recuit est de l'ordre de 300 C. Une dernière étape F8 de recuit final peut être prévue lorsque les dimensions désirées de la structure interne sont atteintes (sortie OUI de F5). Un tel recuit est destiné à réaliser, à l'échelle manométrique, un alliage désiré entre certains composants du matériau. A titre d'exemples, non limitatifs, on peut fabriquer des matériaux magnéto-résistifs constitués par une alternance à échelle manométrique, d'une matière ayant des propriétés magnétiques (fer, cobalt, nickel...) et d'une matière conductrice non magnétique (cuivre, argent...). Le matériau peut être constitué de filaments de fer, de cobalt, de manganèse ou de nickel dans une matrice en cuivre. A titre d'exemple, à partir d'un échantillon carré de quelques millimètres de côté et comportant un filament d'un millimètre de diamètre dans du cuivre, on peut obtenir après 30 étapes de déformation, avec un rapport de réduction de 3, des filaments de l'ordre du manomètre. Le matériau peut être également constitué de plaquettes alternativement en matériau non magnétique (cuivre, argent) et en matériau magnétique (fer, cobalt ou nickel). L'utilisation parmi les composants d'éléments en terre rare, par exemple samarium (Sm), dans une matrice constituée par un métal de transition (fer, cobalt, nickel, manganèse) permet la fabrication de matériaux composites aux propriétés magnétiques particulieres. A titre d'exemple, la fabrication d'un matériau massif magnétostrictif en alliage SmFe2 est très difficile ' réaliser par les méthodes conventionnelles. En utilisant le procède selon l'invention, les composants fer et samarium restent séparés le plus longtemps possible et ce n'est qu'une fois que dimensions nanométriques sont obtenues que l'alliage désiré est formé. pendant l'étape (F8) de recuit final, à une température appropriée. Il est également possible de fabriquer des matériaux composites associant plusieurs composés ou alliages de dimensions nanométriques, par exemple pour former des aimants ayant de bonnes propriétés de rémanence et de coercitivité. A titre d'exemple, on peut former un matériau constitué d'un alliage fer/cobalt et d'un alliage samarium/cobalt. Ceci peut être réalisé à partir de plaquettes alternativement en fer, en cobalt, en samarium et en cobalt empilées telle façon que le fer et le samarium ne soient pas en contact l'un avec l'autre. Après application du procédé selon l'invention, lorsque les plaquettes ont les dimensions désirées, l'étape de recuit final (F8) permet de former les deux alliages désires. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation particuliers décrits et représentés ci- dessus. En particulier, l'élimination de la gaine déformée en phase F6 de figure 4 peut être réalisée par des moyens différents en cours de fabrication du matériau, par exemple par attaque chimique au début et par attaque non chimique en fin de fabrication lorsque les filaments ou les plaquettes sont à une échelle plus réduite. Tandis que sur la figure 4, le procédé de fabrication se termine après élimination de la gaine lorsque les dimensions internes désirées sont atteintes, l'étape F5 de détermination des dimensions internes de la gaine pourrait précéder l'étape F6 d'élimination de la gaine extrudée. Dans ce cas, la dernière gaine pourrait être conservée et servir de gaine de protection du matériau. De même, l'étape F6 d'élimination de la gaine peut être réalisée après l'étape F3 de découpe et l'étape optionnelle F7 de recuit peut éventuellement être réalisée avant l'étape 173 de découpe en éléments. L'étape F2 de déformation mécanique peut, bien entendu, être réalisée par le passage de l'ensemble gaine/échantillon dans plusieurs filières de déformation pour obtenir le rapport de réduction désiré L'invention n'est pas limitée à la fabrication des matériaux donnés à titre d'exemples, notamment aux matériaux magnétorésistifs nanostructurés, susceptibles d'être utilisés pour la fabrication de magnétorésistances géantes. Elle s'applique à tout matériau composite dont la structure interne possède des caractéristiques periodiques et dont les composants élémentaires peuvent être déformés mécaniquement.. REVENDICATIONS 1. Procédé fabrication de matériaux composites par déformations mécaniques répétées, comportant une première étape (FI), d'introduction échantillon (5) dans un orifice interne (1) d'une gaine (2), une seconde étape (F2), de déformation mécanique l'ensemble (7) constitué par la gaine et l'échantillon de manière à obtenir un nouvel ensemble (8) avec un rapport de réduction prédétermine, une troisième étape (F3), de découpe du nouvel ensemble (8) en un nombre prédéterminé d'éléments (10), et une quatrieme étape (F4), d'introduction dans une nouvelle gaine (2) d'un nouvel échantillon constitué par l'assemblage d'un nombre prédéterminé éléments, un cycle de fabrication constitué par la succession des seconde à quatrième étapes étant répété jusqu'à l'obtention d'un matériau dont la structure interne a les dimensions désirées, procédé caractérisé en ce qu'il comporte, entre les seconde et quatrième étapes (F2, F4), une cinquième étape (F6), d'élimination de la gaine extrudée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure interne du matériau obtenu est à une échelle nanométrique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte une sixième étape (F7) de recuit, entre les troisième et quatrième étapes (F3,F4). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une dernière étape (F8), de recuit final, lorsque le matériau a atteint les dimensions désirées. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que l'étape (F6) d'élimination de la gaine est réalisée par attaque chimique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que l'étape (F6) d'élimination de la gaine est réalisée de façon mécanique. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,caractérisé en ce que la section de l'orifice interne (1) de la gaine (2) et section des échantillons (5) sont telles que les éléments obtenus par découpe sont empilables à l'intérieur de la gaine. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce lesdites sections sont carrées. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce lesdites sections sont rectangulaires. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce lesdites sections sont triangulaires. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à l0,caractérisé en ce que le nombre d'éléments (10) constituant un nouvel échantillon est égal au carré du rapport de réduction. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le matériau est constitué de filaments (6), en une première matière, noyés dans une matrice (11) en une seconde matière. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les filaments (6) sont en une matière ayant des propriétés magnétiques et la matrice (11) en matière conductrice non magnétique. 1.1. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en les filaments (6) sont en fer, cobalt ou nickel et la matrice (11) en cuivre. 1.5. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en les filaments (6)sont constitués par une terre rare, la matrice (I 1) étant constituée par un métal de transition. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en les filaments (6) sont en samarium. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé ce que l'échantillon est constitué par un empilement de plaquettes de matières différentes. 18. Procedé selon la revendication 17, caractérisé en ce que les plaquettes sont alternativement en matériau non magnétique et en matériau magnétique. 19. Procedé selon la revendication 17, caractérisé en ce que les plaquettes sont alternativement en fer, en cobalt, en samarium et en cobalt, une étape de recuit final, lorsque les plaquettes ont atteint les dimensions désirées, formant alliages fer/cobalt et samarium/cobalt. 20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce la gaine(2) est en un matériau qui peut être éliminé sans que l'échantillon soit atteint. 21. Matériau caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 20.