WO2004105058A1 - Procede de fabrication d'une gaine electriquement isolante et mecaniquement structurante sur un conducteur electrique. - Google Patents

Procede de fabrication d'une gaine electriquement isolante et mecaniquement structurante sur un conducteur electrique. Download PDF

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WO2004105058A1
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ceramic
conductor
precursor
heat treatment
coating
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Inventor
Alexandre Puigsegur
Françoise RONDEAUX
Eric Prouzet
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/06—Insulating conductors or cables
    • H01B13/16—Insulating conductors or cables by passing through or dipping in a liquid bath; by spraying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0016—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for heat treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing an electrically insulating and mechanically structuring sheath on an electrical conductor.
  • the invention makes it possible to obtain an electrically insulated conductor, usable in a wide range of temperatures and more particularly at very low temperatures, less than or equal to 4.2K, corresponding to the field of operation of the superconductive magnets which are used for generate strong magnetic fields.
  • the invention thus applies in particular to the manufacture of such superconductive magnets.
  • Superconductive electromagnets are already known, made from alloys of the Nb 3 Sn type. Such alloys are capable of producing intense magnetic fields, up to 24 teslas, which gives them a definite advantage over NbTi type alloys, usually used in such electromagnets.
  • Nb 3 Sn the characteristics of Nb 3 Sn make it difficult to use because, unlike NbTi which is a very ductile and easily extrudable alloy, it is difficult to manufacture multi-filamentary compounds of Nb 3 Sn.
  • Nb 3 Sn is a polycrystalline intermetallic material which, to be formed, must undergo a long heat treatment of up to 3 weeks at temperatures from 600 ° C to 720 ° C in an inert atmosphere, once treated, it becomes brittle and its superconductive properties are very sensitive to any mechanical deformation.
  • the implementation of the electrical insulation of the cable is particularly delicate because, for this insulation, it is difficult to use a conventional material, of organic type. Indeed, such a material does not withstand heat treatment during which the temperature exceeds 600 ° C.
  • This document discloses a process for manufacturing an electrically insulating and mechanically structuring sheath on an electrical conductor and proposes the use of a gelled solution, containing an organic binder, for depositing a ceramic precursor either directly on the conductor. to be insulated either on a tape used to surround this conductor.
  • This document describes a process for covering superconductors with an electrical insulator.
  • this process also uses a sol-gel solution requiring oxides and organic solvents, namely isopropanol and cetyl acetone, to form the ceramic precursor.
  • the object of the present invention is to remedy the above drawbacks.
  • no organic binder is used and the suspension used for the formation of the ceramic precursor is not a gel but a fluid solution without any organic element.
  • the subject of the present invention is a method of manufacturing an electrically insulating and mechanically structuring sheath on an electrical conductor, in particular a non-superconductive metal conductor, a superconductive metal conductor or a superconductor precursor conductor, this process being characterized in that it comprises the steps of:
  • this ceramic precursor being a liquid constituted by a solution comprising water, glass frit and a clay in suspension in water, without any organic element,
  • this heat treatment being able to form the ceramic from the ceramic precursor.
  • the clay is chosen from the group of smectites and, from this group, montmorillonite is preferably chosen.
  • the solution comprises, in percentage by mass, 35% to 50% of water, 8% to 15% of clay and 35% to 55% of glass frit.
  • the conductor is a precursor of a superconductor, in particular Nb 3 Sn, and an overall heat treatment is carried out on this conductor provided with the coating, this overall heat treatment being able to form the superconductor and the ceramic.
  • the conductor is either made of non-superconductive metal or of superconductive metal and a heat treatment of this conductor provided with the coating is carried out, this heat treatment being able to form the ceramic.
  • the step of forming the coating comprises a step of depositing the ceramic precursor on a fiber ribbon and then a step of placing the ribbon provided with the ceramic precursor around the conductor.
  • the ribbon is coated with the ceramic precursor and the fibers can be made of a material chosen from type E glass, type C glass, type R glass, type S2 glass. , pure silica, an alumina and an aluminosilicate.
  • the fiber ribbon is previously desensed, for example thermally or chemically.
  • the conductor provided with the coating is shaped before the heat treatment step capable of forming the ceramic.
  • the conductor it is possible, for example, to wind this conductor (provided with the coating), before the heat treatment step capable of forming the ceramic.
  • FIG. 1 schematically illustrates steps of a particular mode of implementation of the method which is the subject of the invention
  • FIG. 2 schematically illustrates a particular application of the invention
  • the electrical insulation technique proposed in the present invention makes it possible to deposit a ceramic cladding on an unreacted conductive cable (made of a precursor of Nb 3 Sn), before the shaping of a coil of superconductive magnet.
  • the ceramic cladding will react simultaneously during the thermal cycle necessary for the formation of the superconductor Nb 3 Sn and will thus contribute to the electrical insulation and to the mechanical cohesion of the coil (structuring function).
  • the phases of preparation of the ceramic precursor, preparation of the ceramic sheath (by coating with a ribbon of glass fibers for example) and sheathing of the conductive cable (covering) are distinct.
  • the ceramic sheathing of the conductor must have certain properties to guarantee the proper functioning of the superconductive cable which will ultimately be formed. This cladding must:
  • the solution used in the invention for the formation of this precursor has no organic component, in particular of the binder type, to avoid the formation of carbonaceous residues which are known to be harmful to good electrical insulation.
  • This solution is preferably a ternary mixture of a montmorillonite type clay, glass and water frit which form a ceramic suspension.
  • the montmorillonite used is produced by the company Arvel SA under the trade name Expans.
  • This clay makes it possible to give the necessary plasticity to the impregnated tape which will be used when wrapping the conductive cable (made of a precursor of the Nb 3 Sn alloy). In addition, it allows bending radii of the order of 2mm for the sheathing tape.
  • the glass frit used is manufactured by the company Johnson & Mattey, under the reference 2495F. Its melting point is 538 ° C.
  • the glass frit is a fusible element which contributes to the cohesion of the ceramic insulation after the heat treatment.
  • Water is used to adjust the viscosity of the suspension.
  • the clay and the glass frit are heated at 100 ° C for 12 hours in an oven to remove any traces of moisture. Then the two powders of clay and glass frit are ground separately until a particle size of less than 20 ⁇ m is reached. The glass frit is then mixed with water with a magnetic stirrer.
  • the solution resulting from this mixture is then subjected to the effects of an ultrasonic cannon of the Bioblock Scientific brand, model Vibracell 72412, used at a power of 300 watts.
  • the purpose of this treatment is to break any aggregates of particles.
  • the clay is then incorporated by successive additions, which facilitates the mixing of the whole, then the suspension obtained is again treated using the ultrasonic gun in order to obtain a homogeneous mixture.
  • This suspension is then agitated. To do this, in the example described, it is placed on a roller agitator for 12 hours, in a polyethylene bottle containing about twenty porcelain balls with a diameter of 20 mm. Thanks to this stirring technique, a good homogenization of the solution is obtained and the suspension is given a fluid appearance. In practice, the agitation breaks the gelling process noted previously.
  • the reduced viscosity of the mixture is necessary for good impregnation of the glass fiber ribbon which will be used for the sheathing of the conductor.
  • a volume of approximately 600 milliliters of mixture is made up for each preparation.
  • the mass percentages can vary within the intervals given below (the sum of the percentages must of course be equal to 100% for a given ceramic precursor):
  • the ceramic sheath consists of a ribbon of glass fibers which is impregnated with the ceramic suspension described above.
  • the fibers of this ribbon can be of glass type E, C, R or S2. These fibers can just as easily be made of pure silica, alumina or aluminosilicate.
  • the ribbon Before being impregnated, the ribbon undergoes a heat treatment - it is maintained at 350 ° C for 12 hours - to remove the organic size of the fibers of which it is made. This size is indeed detrimental to good coating of the fibers by the ceramic suspension and constitutes a source of carbon elements, capable of reducing the insulating properties of the ceramic.
  • the coating of the glass fiber tape with the ceramic solution is carried out using an impregnation bench which is schematically represented in FIG. 1.
  • the desensitized ribbon in the form of a roll 2, is fixed to a brake system 4 which makes it possible to unwind the ribbon while keeping a constant tension.
  • Pulleys 6 guide the ribbon through the various components of the impregnation bench. The direction of movement is indicated by the arrow F.
  • the ribbon passes through an impregnation tank 8 containing the ceramic suspension 10.
  • the latter is kept under stirring, by means of a magnetic stirrer 12, during the impregnation phase of the ribbon, in order to preserve the homogeneity of the latter and avoid sedimentation problems.
  • the tape 2 passes through a system of scrapers 14 which makes it possible to limit the thickness of the ceramic deposit 16 formed on the tape (due to its passage in the ceramic suspension).
  • a drying column 18, heated to 150 ° C., allows the complete evaporation of the water from the ceramic solution deposited on the tape.
  • the sheath in ceramic precursor, is completely dry. She is packaged in the form of a roller 20, thanks to a motor 22 which maintains a constant running speed of 20 cm per minute.
  • the Rutherford cables have an approximately trapezoidal section and consist of 36 conductive strands which are twisted together and made, finally, of Nb 3 Sn in the example.
  • These strands are distributed so as to form a flat conductor with two layers, the cross section of which has the following approximate dimensions: 1.3 mm for the short side, 1.6 mm for the long side and 15.1 mm for the width. .
  • the ceramic cladding consisting of glass fiber ribbon impregnated with the ceramic precursor, is wrapped around the Rutherford conductive cable (formed of the precursor of Nb 3 Sn), in two layers offset by half a width, as is see in Figure 2.
  • references 24, 26, 28 and 30 respectively represent the cable (before the treatment intended to form Nb 3 Sn), the strands of the cable, the first layer of the ribbon and the second layer of the ribbon. For each of these layers, the edge of one turn of tape is against the edge of the adjacent turn. In addition, the first layer 28 is put in place the first on the cable and the second layer 30 makes it possible to ensure the continuity of the electrical insulation, as seen in FIG. 2.
  • this cable After covering the conductive cable by means of the two ceramic sheathing layers 28 and 30, this cable is put in the form of coils according to means known in the prior art. Then the windings thus obtained from the conductive cable, consisting of the precursor covered with the ceramic sheath, are subjected to a heat treatment under a neutral gas such as argon.
  • a neutral gas such as argon
  • This treatment includes a slow rise in temperature, at a speed close to 6 ° C per hour, up to the temperature of 660 ° C, then a plateau at 660 ° C for 240 hours, then a slow cooling down to the temperature ambient (20 ° C to 23 ° C) in the enclosure of the treatment oven.
  • This treatment allows the reaction of the precursor cable and the production of an Nb 3 Sn superconductive material having the desired properties.
  • the glass frit used in the example of the invention has a melting point of 540 ° C. It therefore melts during the heat treatment necessary for the formation of the Nb 3 Sn superconductor (during which the temperature is maintained at 660 ° C.) and thus provides, after cooling to room temperature, the electrical insulation and mechanical cohesion necessary for applications of the invention, such as the formation of superconductive coils.
  • each coil is cooled to the temperature of liquid helium (4.2K at atmospheric pressure) or to that of superfluid helium (temperature below 2.1 under reduced pressure) to make the Nb 3 Sn alloy superconducting making up the conductor from which the winding cable is formed.
  • any other clay from the group of smectites can be used.
  • the invention can be implemented with other conductors than a precursor of Nb 3 Sn, for example:
  • a precursor of a superconductor based on copper oxide such as YBa 2 Cu 3 ⁇ 7, Bi 2 Sr 2 CaCu 2 0 2 or
  • any conductor including a superconductor supporting the heat treatment which is subjected to the ceramic precursor.
  • FIGS. 3 and 4 represent the flow curves for two ceramic suspensions having different compositions: FIG. 3 corresponds to a first composition and FIG. 4 to a second composition, different from the first.
  • Each of these flow curves represents the variations in the stress ⁇ (expressed in Pa) as a function of the shear rate ⁇ (expressed in s -1 ).
  • the low speed circulation of the glass ribbon in the ceramic suspension creates low shear speeds.
  • the experimental conditions are such that the rheological behavior corresponding to the start of the flow curves.
  • composition of the two suspensions is given in Table I below.
  • the clay used for the two suspensions is montmorillonite marketed by Arvel SA under the name Expans.

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Abstract

Selon l'invention, qui s'applique notamment à la fabrication d'aimants supraconducteurs, on forme un précurseur de céramique (10) sous forme d'une solution fluide, ce précurseur de céramique (10) étant un liquide constitué par une solution comprenant de l'eau, de la fritte de verre et une argile en suspension dans l'eau, sans aucun élément organique, puis on forme un revêtement du conducteur (2) avec ce précurseur et l'on traite thermiquement ce revêtement pour former la céramique.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE GAINE ELECTRIQUEMENT
ISOLANTE ET MÉCANIQUEMENT STRUCTURANTE SUR UN
CONDUCTEUR ÉLECTRIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une gaine électriquement isolante et mécaniquement structurante sur un conducteur électrique.
L'invention permet d'obtenir un conducteur électriquement isolé, utilisable dans une large gamme de températures et plus particulièrement aux très basses températures, inférieures ou égales à 4,2K, correspondant au domaine d' exploitation des aimants supraconducteurs que l'on utilise pour engendrer de forts champs magnétiques.
L'invention s'applique ainsi notamment à la fabrication de tels aimants supraconducteurs.
Elle s'applique aussi à la fabrication de pièces polaires de moteurs électriques.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
On connaît déjà des électro-aimants supraconducteurs, faits à partir d'alliages de type Nb3Sn. De tels alliages sont capables de produire d'intenses champs magnétiques, allant jusqu'à 24 teslas, ce qui leur donne un avantage certain sur les alliages de type NbTi , habituellement employés dans de tels électro-aimants. Cependant, les caractéristiques de Nb3Sn rendent sa mise en œuvre délicate car, contrairement à NbTi qui est un alliage très ductile et facilement extrudable, il est délicat de fabriquer des composés multi-filamentaires de Nb3Sn.
En effet, Nb3Sn est un matériau intermétallique polycristallin qui, pour être formé, doit subir un long traitement thermique pouvant aller jusqu'à 3 semaines à des températures de 600°C à 720°C sous atmosphère inerte, une fois traité, il devient cassant et ses propriétés supraconductrices sont très sensibles à toute déformation mécanique.
Ainsi, lorsqu'on veut fabriquer un électroaimant à partir de l'alliage Nb3Sn, il s'avère nécessaire de mettre en forme le bobinage de l' électroaimant avec un câble formé à l'aide d'un « précurseur » de cet alliage et de lui faire subir ultérieurement un traitement, à savoir un cycle thermique, permettant la formation de Nb3Sn.
Ce traitement est aussi appelé « réaction » dans la suite de la description et le câble formé à l'aide d'un précurseur de Nb3Sn est appelé « câble non-réagi » (en anglais « non-reacted cable ») .
La mise en œuvre de l'isolation électrique du câble est particulièrement délicate car, pour cette isolation, il est difficile d'utiliser un matériau classique, de type organique. En effet, un tel matériau ne résiste pas à un traitement thermique au cours duquel la température dépasse 600 °C.
On se reportera au document suivant : O 03/010781A invention de Jean-Michel Rey, Sandrine Marchant, Arnaud Devred et Eric Prouzet.
Ce document divulgue un procédé de fabrication d'une gaine électriquement isolante et mécaniquement structurante sur un conducteur électrique et propose l'emploi d'une solution gélifiée, contenant un liant organique, pour le dépôt d'un précurseur de céramique soit directement sur le conducteur à isoler soit sur un ruban servant à entourer ce conducteur.
Cependant, l'emploi d'un gel nécessite l'utilisation d'un acide pour engendrer ce gel. Par ailleurs, la présence d'un liant organique n'est pas souhaitable car elle peut conduire à la création de résidus carbonés qui sont néfastes aux propriétés isolantes de la céramique. Cet effet indésirable nécessite donc une phase d'élimination du liant organique ,
On se reportera également au document suivant US 6 387 852 B, E. Celik, Y. Hascicek et I.
Mutlu .
Ce document décrit un procédé pour recouvrir des supraconducteurs d'un isolant électrique. Cependant, ce procédé utilise également une solution sol-gel nécessitant des oxydes et des solvants organiques, à savoir l' isopropanol et l' cétyl-acétone, pour former le précurseur de céramique.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents . Dans l'invention, on n'utilise aucun liant organique et la suspension servant à la formation du précurseur céramique n'est pas un gel mais une solution fluide sans aucun élément organique .
Le procédé objet de l'invention conduit a une simplification des compositions employées pour sa mise en oeuvre et à une séparation nette des phases d'élaboration du conducteur isolé, comme on le verra par la suite .
De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une gaine électriquement isolante et mécaniquement structurante sur un conducteur électrique, en particulier un conducteur en métal non supraconducteur, un conducteur en métal supraconducteur ou un conducteur en précurseur de supraconducteur, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de :
- formation d'un précurseur de céramique sous forme d'une solution fluide, ce précurseur de céramique étant un liquide constitué par une solution comprenant de l'eau, de la fritte de verre et une argile en suspension dans l'eau, sans aucun élément organique,
- formation d'un revêtement du conducteur avec ce précurseur de céramique, et
- traitement thermique de ce revêtement, ce traitement thermique étant apte à former la céramique à partir du précurseur de céramique.
De préférence, l'argile est choisie dans le groupe des smectites et, dans ce groupe, on choisit de préférence la montmorillonite . Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la solution comprend, en pourcentage massique, 35% à 50% d'eau, 8% à 15% d'argile et 35% à 55% de fritte de verre.
Selon un premier mode de mise en œuvre particulier du procédé objet de l'invention, le conducteur est en précurseur d'un supraconducteur, en particulier Nb3Sn, et l'on effectue un traitement thermique global de ce conducteur pourvu du revêtement, ce traitement thermique global étant apte à former le supraconducteur et la céramique.
Selon un deuxième mode de mise en œuvre particulier, le conducteur est soit en métal non supraconducteur soit en métal supraconducteur et l'on effectue un traitement thermique de ce conducteur pourvu du revêtement, ce traitement thermique étant apte à former la céramique.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'étape de formation du revêtement comprend une étape de dépôt du précurseur de céramique sur un ruban de fibres puis une étape de disposition du ruban pourvu du précurseur de céramique autour du conducteur .
Dans ce cas, il se produit une enduction du ruban par le précurseur céramique et les fibres peuvent être faites d'un matériau choisi parmi le verre de type E, le verre de type C, le verre de type R, le verre de type S2 , la silice pure, une alumine et un aluminosilicate . De préférence, le ruban de fibres est préalablement désensimé, par exemple de façon thermique ou chimique .
Selon un mode de mise en œuvre particulier du procédé objet de l'invention, on met en forme le conducteur pourvu du revêtement, avant l'étape de traitement thermique apte à former la céramique.
Pour mettre en forme le conducteur, on peut par exemple bobiner ce conducteur (pourvu du revêtement), avant l'étape de traitement thermique apte à former la céramique.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre schématiquement des étapes d'un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention,
- la figure 2 illustre schématiquement une application particulière de 1 ' invention, et
- les figures 3 et 4 montrent des courbes d'écoulement de suspensions céramiques ayant des compositions différentes.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La technique d' isolation électrique proposée dans la présente invention permet de déposer un gainage céramique sur un câble conducteur non-réagi (fait d'un précurseur de Nb3Sn) , avant la mise en forme d'une bobine d'aimant supraconducteur.
Le gainage céramique va réagir simultanément pendant le cycle thermique nécessaire à la formation du supraconducteur Nb3Sn et va contribuer ainsi à l'isolation électrique et à la cohésion mécanique de la bobine (fonction structurante) .
Afin de faciliter l'exploitation industrielle du procédé d'isolation, les phases de préparation du précurseur céramique, de préparation de la gaine céramique (par enduction d'un ruban de fibres de verre par exemple) et de gainage du câble conducteur (guipage) sont distinctes.
Le gainage céramique du conducteur doit présenter certaines propriétés pour garantir le bon fonctionnement du câble supraconducteur qui sera finalement formé . Ce gainage doit :
• assurer l'isolation électrique du câble conducteur,
• garantir une cohésion mécanique à la bobine résultant de la mise en forme du conducteur isolé,
• maintenir une bonne résistance mécanique dans une plage de températures allant de la température ambiante (environ 300K) jusqu'à 1,6K, et
• présenter' si possible une certaine porosité afin de permettre la diffusion d'hélium jusqu'à la surface du conducteur pour les applications relatives aux aimants supraconducteurs. Dans un exemple de l'invention, l'élaboration d'un câble supraconducteur en Nb3Sn électriquement isolé est réalisée en plusieurs phases bien distinctes, à savoir :
- préparation d'une suspension formant un précurseur céramique, fabrication d'un gainage céramique par enduction d'un ruban de fibres de verre au moyen de cette suspension,
- guipage, au moyen de ce ruban, d'un câble conducteur constitué d'un précurseur de Nb3Sn non-réagi,
- formation d'une bobine à partir du câble conducteur ainsi guipé, et accomplissement d'un cycle thermique nécessaire à la réaction du précurseur de Nb3Sn. Ce cycle thermique réalise simultanément la transformation du précurseur Nb3Sn en supraconducteur et du revêtement en précurseur céramique en céramique.
On obtient ainsi une bobine supraconductrice de Nb3Sn électriquement isolée et possédant une cohésion mécanique.
On explique dans ce qui suit la préparation d'un précurseur de céramique.
La solution utilisée dans l'invention pour la formation de ce précurseur ne possède aucun composant organique, notamment de type liant, pour éviter la formation de résidus carbonés que l'on sait être néfastes à une bonne isolation électrique.
Cette solution est de préférence un mélange ternaire d'une argile de type montmorillonite, de fritte de verre et d'eau qui forment une suspension céramique .
Dans un exemple, la montmorillonite utilisée est produite par la société Arvel SA sous la dénomination commerciale Expans.
Cette argile permet de donner la plasticité nécessaire au ruban imprégné qui sera utilisé lors du guipage du câble conducteur (fait d'un précurseur de l'alliage Nb3Sn) . De plus, elle autorise des rayons de cintrage de l'ordre de 2mm pour le ruban de gainage.
Par comparaison avec d'autres argiles, son pouvoir plastifiant élevé permet de réduire la quantité utilisée et d'augmenter proportionnellement la fritte de verre .
La fritte de verre utilisée est fabriquée par la société Johnson & Mattey, sous la référence 2495F. Son point de fusion est de 538°C.
La fritte de verre est un élément fusible qui contribue à la cohésion de l'isolation céramique après le traitement thermique.
L'eau permet d'ajuster la viscosité de la suspension.
A la fin de la présente description, on a considéré le comportement rhéologique de deux compositions particulières de la suspension céramique. Comme cela est indiqué, les conditions expérimentales sont telles qu'on se situe dans le régime décrit par le démarrage des courbes de comportement.
L' argile et la fritte de verre sont chauffées à 100 °C pendant 12 heures dans une étuve pour éliminer les éventuelles traces d'humidité. Puis les deux poudres d' argile et de fritte de verre sont broyées séparément jusqu'à atteindre une granulometrie inférieure à 20μm. La fritte de verre est ensuite mélangée à l'eau avec un agitateur magnétique.
La solution résultant de ce mélange est alors soumise aux effets d'un canon à ultrasons de marque Bioblock Scientific, modèle Vibracell 72412, utilisé à une puissance de 300 watts. Ce traitement a pour but de casser les éventuels agrégats de particules .
Puis la solution est laissée sous agitation pendant 4 heures pour permettre la stabilisation de la valeur de son pH . Cette attente de stabilisation permet d'assurer la reproductibilité des conditions expérimentales dans la préparation du précurseur de céramique .
L'argile est ensuite incorporée par ajouts successifs, ce qui facilite le mélange de l'ensemble, puis la suspension obtenue est à nouveau traitée à l'aide du canon à ultrasons afin d'obtenir un mélange homogène .
On constate expérimentalement qu'on obtient une gélification de la suspension.
Cette suspension est alors agitée. Pour ce faire, dans l'exemple décrit, elle est mise sur un agitateur à rouleaux pendant 12 heures, dans un flacon en polyéthylène contenant une vingtaine de billes en porcelaine de diamètre 20mm. Grâce à cette technique d'agitation, on obtient une bonne homogénéisation de la solution et on confère à la suspension un aspect fluide . En pratique, l'agitation brise le processus de gélification constaté précédemment.
La viscosité réduite du mélange est nécessaire à une bonne imprégnation du ruban de fibres de verre qui sera utilisé pour le gainage du conducteur .
Un volume d'environ 600 millilitres de mélange est constitué pour chaque préparation.
On indique maintenant le domaine de composition de la suspension.
Dans le précurseur céramique, les pourcentages massiques peuvent varier dans les intervalles donnés ci-après (la somme des pourcentages devant bien entendu être égale à 100% pour un précurseur céramique donné) :
• 35% à 50% pour l'eau,
• 35% à 55% pour la fritte de verre, et
• 8% à 15% pour l'argile de type montmorillonite .
On explique dans ce qui suit la fabrication du gainage céramique.
Dans l'exemple décrit, la gaine céramique est constituée d'un ruban de fibres de verre qui est imprégné de la suspension céramique décrite ci-dessus. Les fibres de ce ruban peuvent être en verre de type E, C, R ou S2. Ces fibres peuvent tout aussi bien être en silice pure, alumine ou aluminosilicate .
Avant d'être imprégné, le ruban subit un traitement thermique - il est maintenu à 350 °C pendant 12 heures - pour éliminer l'ensimage organique des fibres dont il est constitué . Cet ensimage est en effet néfaste à une bonne enduction des fibres par la suspension céramique et constitue une source d'éléments carbonés, susceptibles de diminuer les propriétés isolantes de la céramique.
L' enduction du ruban de fibres de verre par la solution céramique est effectuée grâce à un banc d'imprégnation qui est schématiquement représenté sur la figure 1.
Le ruban désensimé, sous la forme d'un rouleau 2, est fixé à un système de frein 4 qui permet de dérouler le ruban tout en gardant une tension constante. Des poulies 6 permettent de guider le ruban à travers les différents composants du banc d'imprégnation. Le sens de déplacement est indiqué par la flèche F.
Dans un premier temps, le ruban passe dans un bac d'imprégnation 8 contenant la suspension céramique 10. Celle-ci est maintenue sous agitation, grâce à un agitateur magnétique 12, pendant la phase d'imprégnation du ruban, pour conserver l'homogénéité de ce dernier et éviter les problèmes de sédimentation.
A la sortie du bac 8, le ruban 2 passe à travers un système de racleurs 14 qui permet de limiter l'épaisseur du dépôt céramique 16 formé sur le ruban (du fait de son passage dans la suspension céramique) .
Une colonne de séchage 18, chauffée à 150°C, permet l' évaporation complète de l'eau de la solution céramique déposée sur le ruban.
A la sortie de la colonne, la gaine, en précurseur céramique, est complètement sèche. Elle est conditionnée sous la forme d'un rouleau 20, grâce à un moteur 22 qui maintient une vitesse de défilement constante de 20cm par minute.
On décrit dans ce qui suit la fabrication d'un électro-aimant quadripolaire en utilisant la présente invention.
La construction d'un tel électro-aimant nécessite de fabriquer quatre bobinages identiques, chaque bobinage étant constitué de 75m de câble supraconducteur de type Rutherford.
Les câbles de Rutherford ont une section approximativement trapézoïdale et sont constitués de 36 brins conducteurs qui sont torsadés entre eux et faits, finalement, de Nb3Sn dans l'exemple.
Ces brins sont répartis de manière à former un conducteur plat à deux couches, dont la section droite a les dimensions approximatives suivantes : 1,3 mm pour le petit côté, 1,6 mm pour le grand côté et 15,1 mm pour la largeur.
Le gainage de céramique, constitué du ruban de fibres de verre imprégné du précurseur de céramique, est guipé autour du câble conducteur de Rutherford (formé du précurseur de Nb3Sn) , en deux couches décalées d'une demi-largeur, comme on le voit sur la figure 2.
Sur cette figure, les références 24, 26, 28 et 30 représentent respectivement le câble (avant le traitement destiné à former Nb3Sn) , les brins du câble, la première couche du ruban et la deuxième couche du ruban . Pour chacune de ces couches, le bord d'un tour de ruban se trouve contre le bord du tour adjacent. De plus, la première couche 28 est mise en place la première sur le câble et la deuxième couche 30 permet d'assurer la continuité de l'isolation électrique, comme on le voit sur la figure 2.
Après avoir guipé le câble conducteur au moyen des deux couches de gainage céramique 28 et 30, ce câble est mis sous forme de bobinages selon des moyens connus dans l'état de la technique. Puis les bobinages ainsi obtenus à partir du cable conducteur, constitué du précurseur guipé de la gaine céramique, sont soumis à un traitement thermique sous un gaz neutre tel que l'argon.
Ce traitement comprend une montée lente en température, à une vitesse voisine de 6°C par heure, jusqu'à la température de 660°C, puis un palier à 660°C pendant 240 heures, puis un refroidissement lent jusqu'à la température ambiante (20°C à 23°C) dans l'enceinte du four de traitement.
Ce traitement permet la réaction du câble précurseur et l'obtention d'un matériau supraconducteur Nb3Sn ayant les propriétés recherchées.
Pendant ce traitement thermique, une circulation continue de gaz neutre a lieu à l'intérieur du four. L'utilisation d'une telle atmosphère inerte pendant le traitement thermique permet d'éviter les réactions néfastes entre le précurseur de Nb3Sn et l'oxygène de l'air qui peuvent former divers oxydes métalliques, susceptibles de diminuer les propriétés du supraconducteur formé. L'utilisation d'une température de 660 °C sous gaz neutre est une contrainte importante pour la mise au point d'une isolation céramique adaptée.
En effet, la fritte de verre utilisée dans l'exemple de l'invention possède un point de fusion de 540°C. Elle fond donc pendant le traitement thermique nécessaire à la formation du supraconducteur Nb3Sn (au cours duquel on maintient la température à 660 °C) et apporte ainsi, après refroidissement à la température ambiante, l'isolation électrique et la cohésion mécanique nécessaires aux applications de l'invention, telles que la formation de bobinages supraconducteurs .
Durant l'exploitation des électro-aimants supraconducteurs, chaque bobinage est refroidi à la température de l'hélium liquide (4,2K à la pression atmosphérique) ou à celle de l'hélium superfluide (température inférieure à 2,1 sous pression réduite) pour rendre supraconducteur l'alliage Nb3Sn composant le conducteur dont est formé le câble du bobinage.
Lorsque l' électro-aimant est parcouru par un courant d'excitation, des forces de Lorentz considérables apparaissent dans chaque bobinage. La cohésion mécanique apportée par l'isolation céramique facilite la manipulation des bobines après le traitement thermique et permet de résister aux efforts engendrés par le fonctionnement de l' électro-aimant à des champs magnétiques intenses .
Dans l'invention, à la place de la montmorillonite, on peut utiliser toute autre argile du groupe des smectites. De plus, l'invention peut être mise en œuvre avec d'autres conducteurs qu'un précurseur de Nb3Sn, par exemple :
- un précurseur de Nb3Al ou
- un précurseur d'un supraconducteur à base d'oxyde de cuivre, tel que YBa 2Cu3θ7, Bi2Sr2CaCu202 ou
Figure imgf000018_0001
- un métal qui n'est pas supraconducteur, par exemple le cuivre, ou
- tout conducteur y compris un supraconducteur supportant le traitement thermique que l'on fait subir au précurseur céramique.
L'invention s'applique notamment :
• à la fabrication de petits solénoïdes supraconducteurs compacts, dépourvus d'éléments métalliques structurants, utilisés principalement à basse température,
• à la fabrication de bobinages de machines électriques tournantes supraconductrices,
• à la fabrication de bobinages de machines électriques tournantes non supraconductrices, destinées à fonctionner à des températures supérieures à 300°C, par utilisation de conducteurs classiques, et
• à l'isolation électrique de câbles conducteurs devant résister pendant un certain temps à de fortes températures, sans dégagement de vapeurs nocives en cas d'incendie.
Considérons maintenant le comportement rhéologique de deux suspensions céramiques particulières, utilisables dans l'invention. On se reportera aux figures 3 et 4 qui représentent les courbes d'écoulement pour deux suspensions céramiques ayant des compositions différentes : la figure 3 correspond à une première composition et la figure 4 à une deuxième composition, différente de la première.
Chacune de ces courbes d'écoulement représente les variations de la contrainte τ (exprimée en Pa) en fonction de la vitesse de cisaillement γ (exprimée en s-1) .
Le comportement n'est pas de type newtonien, les viscosités moyennes des deux compositions sont proches, aux alentours de 45mPa.s, mais seule la première composition (figure 3) donne un dépôt suffisant sur le ruban de verre.
Cette différence s'explique par la variation du comportement thixotropique des deux suspensions. En effet, les deux courbes de descente Dl et D2 sont équivalentes mais, pour les courbes de montée Ml et M2, la première composition possède un comportement plus rhéofluidifiant qui entraîne une thixotropie plus importante.
Or, la circulation à faible vitesse du ruban de verre dans la suspension céramique crée de faibles vitesses de cisaillement. Ainsi, pendant la phase d'imprégnation, les conditions expérimentales sont telles que le comportement rhéologique correspondant au début des courbes d'écoulement.
La composition des deux suspensions est donnée dans le tableau I ci-dessous. L'argile utilisée pour les deux suspensions est la montmorillonite commercialisée par la société Arvel SA sous la dénomination Expans .
Tableau 1
Figure imgf000020_0001

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une gaine électriquement isolante et mécaniquement structurante sur un conducteur électrique (2) , en particulier un conducteur en métal non supraconducteur, un conducteur en métal supraconducteur ou un conducteur en précurseur de supraconducteur, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de :
- formation d'un précurseur de céramique (10) sous forme d'une solution fluide, ce précurseur de céramique (10) étant un liquide constitué par une solution comprenant de l'eau, de la fritte de verre et une argile en suspension dans l'eau, sans aucun élément organique,
- formation d'un revêtement du conducteur avec ce précurseur de céramique, et
- traitement thermique de ce revêtement, ce traitement thermique étant apte à former la céramique à partir du précurseur de céramique.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'argile est choisie dans le groupe des smectites .
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'argile est la montmorillonite .
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la solution comprend, en pourcentage massique, 35% à 50% d'eau, 8% à 15% d'argile et 35% à 55% de fritte de verre.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le conducteur (2) est en précurseur d'un supraconducteur, en particulier Nb3Sn, et l'on effectue un traitement thermique global de ce conducteur pourvu du revêtement, ce traitement thermique global étant apte à former le supraconducteur et la céramique.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le conducteur (2) est en métal non supraconducteur ou en métal supraconducteur et l'on effectue un traitement thermique de ce conducteur pourvu du revêtement, ce traitement thermique étant apte à former la céramique.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'étape de formation du revêtement comprend une étape de dépôt du précurseur de céramique sur un ruban de fibres puis une étape de disposition du ruban pourvu du précurseur de céramique autour du conducteur.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les fibres sont faites d'un matériau choisi parmi le verre de type E, le verre de type C, le verre de type R , le verre de type S2 , la silice pure, une alumine et un aluminosilicate .
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, dans lequel le ruban de fibres est préalablement désensimé.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le ruban de fibres est préalablement désensimé de façon thermique ou chimique .
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel on met en forme le conducteur (2) pourvu du revêtement, avant l'étape de traitement thermique apte à former la céramique.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on bobine le conducteur (2) pourvu du revêtement, avant l'étape de traitement thermique apte à former la céramique.
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