Niobium-étain

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Nb3Sn
Structure cristalline A15 du Nb3Sn__ niobium     __ étain
Structure cristalline A15 du Nb3Sn
__ niobium     __ étain
Identification
Nom UICPA Niobium-étain
Synonymes

Triniobium étain

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le niobium-étain, aussi appelé triniobium-étain, est un composé chimique métallique polycristallin constitué de niobium (Nb) et d'étain (Sn) de formule brute Nb3Sn. Ce composé intermétallique fait partie de la famille cristallographique A15 (en) et est utilisé dans l'industrie comme supraconducteur de type II.

Nb3Sn est supraconducteur sous une température critique de l'ordre de 18 Kelvins [K] (-255°C) à 0 Teslas [T] et peut résister à des champs magnétiques allant jusqu'à 30 T. Cependant, le niobium-étain est onéreux, fragile et difficile à produire, c'est pourquoi on préfère parfois choisir le niobium-titane (en) (NbTi), qui est supraconducteur sous une température critique de l'ordre de 9 K (-264°C) et résiste à des champs magnétiques jusqu'à 15 T.[1],[2]

Néanmoins, on observe une augmentation de la production de niobium-étain ces vingts dernières années, car il peut supporter de plus grandes densités de courant que le niobium-titane et donc permettre de développer ou améliorer des applications à grande échelle[3] comme par exemple l'amélioration du LHC grâce au développement d'aimants supraconducteurs capables de générer plus de 10 T.[4]

Histoire[modifier | modifier le code]

La supraconductivité du Nb3Sn a été découverte en 1954 par l'équipe de Bernd Matthias au laboratoire de Bell Telephone à Murray Hill dans le New Jersey[5] un an après la découverte du V3Si, le premier matériau supraconducteur avec une structure type A15.[3] En 1961, on a découvert que le niobium-étain présentait une supraconductivité à de fortes valeurs de courant et de champ magnétique, devenant ainsi le premier matériau capable de supporter des courants et des champs magnétiques élevés nécessaires à l'utilisation de puissants aimants et de machines électriques[6],[3].

Fabrication[modifier | modifier le code]

D'un point de vue mécanique, Nb3Sn est très fragile et ne peut pas être facilement transformé en fil, ce qui est nécessaire pour créer des électro-aimants. Pour pallier ce problème, les fabricants de fils utilisent alors des techniques de fabrication particulières. Aujourd'hui, on dénombre 4 méthodes industrielles pour produire des fil à base de Nb3Sn: la méthode du bronze, la méthode de l'étain interne, la méthode du "Modified Jelly Roll" (MJR) et la méthode du "Powder in Tube" (PIT). Le choix des méthodes dépend de l'utilisation finale du fil et chacune d'entre elles présentent des avantages et des inconvénients. D'après la thèse d'Arnaud Devred, pour créer des fils de Nb3Sn, il faut:

  • assembler une billette multifilamentaire incluant des précurseurs du Nb3Sn qui sont plus facilement déformables ;
  • transformer la billette par filage et étirage jusqu'à obtention du fil de diamètre désiré ;
  • câbler et/ou bobiner (quand cela est nécessaire) ;
  • réaliser un traitement du fil à l'état final (ou du câble ou de la bobine) afin de précipiter le composé Nb3Sn in situ, une fois que les déformations mécaniques potentiellement les plus dommageables ont été appliquées"[2].

Méthode du bronze[modifier | modifier le code]

Dans la méthode du bronze, les fils sont produits à partir de billettes constituées de tige de niobium qui peuvent être dopées au titane ou au tantale et sont ensuite placées dans une matrice d'alliage de cuivre et d'étain. Dans la majorité des applications pratiques, on ajoute du cuivre pur soit en périphérie soit au centre du composite afin de compenser la forte résistivité résiduelle du bronze à basse température et ainsi permettre une stabilisation et une protection adéquate.

Lorsque le niobium est en contact avec l'alliage CuSn, il se transforme en Nb3Sn sur une certaine épaisseur, ce qui augmente le courant critique du fil. Cependant, si on entoure une partie ou la totalité des filaments d'une barrière partiellement supraconductrice, on peut observer une augmentation de l'aimantation et des pertes par hystérésis dans le supraconducteur. Pour éviter cela, on protège le cuivre avec des barrières en tantale qui empêchent la diffusion de l'étain dans le cuivre et donc la formation supplémentaire de bronze mais ce matériau est onéreux et moins ductile que le niobium.

On applique sur le fil le traitement thermique suivant: entre 40 et 140 heures à une température de l'ordre de 700°C soit dans le vide, soit en maintenant un débit de gaz inerte comme par exemple l'argon ou l'azote à grande pureté. Il faut contrôler l'atmosphère de travail pour empêcher l'oxydation du cuivre.

La méthode du bronze est le procédé le plus classique, cependant il possède deux inconvénients:

  • La précipitation du Nb3Sn est limitée par la quantité d'étain présente dans le bronze.
  • On doit réaliser plusieurs traitements thermiques d'adoucissement pendant les étapes d'étirage.

De plus, parmi les phases du bronze, seule la phase α est ductile et facile à travailler. Or, la solubilité de l'étain dans la phase α du bronze est limitée à un pourcentage atomique de 9.1 (équivalent à un pourcentage en poids de 15.7). Pour assurer une quantité d'étain suffisante afin que les filaments puissent réagir complètement, il est nécessaire d'utiliser des rapport

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Les matériaux supraconducteurs », sur http://www.supraconductivite.fr (consulté le 21 septembre 2017)
  2. a et b ,Arnaud Devred, Supraconducteurs à basse température critique pour électroaimants, , 128 p. (lire en ligne), p. 17,27,47-57
  3. a, b et c A. Godeke, « A review of the properties of Nb3Sn and their variation with A15 composition, morphology and strain state », Supercond. Sci. Technol., vol. 19, no 8,‎ , R68–R80 (DOI 10.1088/0953-2048/19/8/R02)
  4. Stefania Pandolfi, « Les secrets du niobium-étain, fragile mais supraconducteur », (consulté le 21 septembre 2017)
  5. B. T. Matthias, Geballe, T. H., Geller, S. et Corenzwit, E., « Superconductivity of Nb3Sn », Physical Review, vol. 95, no 6,‎ , p. 1435–1435 (DOI 10.1103/PhysRev.95.1435)
  6. Theodore H. Geballe, « Superconductivity: From Physics to Technology », Physics Today, vol. 46, no 10,‎ , p. 52–56 (DOI 10.1063/1.881384)