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RÉSUMÉ
Les propriétés physiques, thermiques, mécaniques ou électriques de tous les types de matériaux (isolants, conducteurs,...) dépendent de leur composition chimique, de leur structure cristalline, des interactions au niveau atomiques, etc, et sont fortement influencées par les variations de température. Elles peuvent ainsi varier de plusieurs ordres de grandeur par rapport à leur valeur à température ambiante. La connaissance du comportement de ces matériaux devient donc indispensable si l’on veut, à partir des équations de la physique, prédire le comportement d’un système dans le domaine cryogénique.
Cet article explique les comportements spécifiques des matériaux observés dans le domaine cryogénique et fournit des données chiffrées utiles au dimensionnement.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Bertrand BAUDOUY : Docteur, Ingénieur chercheur au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) de Saclay au Sein du service des accélérateurs de cryogénie et de magnétisme, France
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Gérard DEFRESNE : Professeur agrégé - Chargé de cours à l'Institut universitaire de technologie d'Orsay (Université de Paris Sud) - Membre du Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur (LIMSI)
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Patxi DUTHIL : Docteur, Ingénieur de recherche du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) au sein de l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay, France
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Jean-Pierre THERMEAU : Ingénieur de recherche du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) au sein de l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay, France
INTRODUCTION
Les techniques de réalisation des matériels cryogéniques et la préparation d'équipements aux basses températures mettent en œuvre des matériaux très variés : matériaux isolants, conducteurs, voire supraconducteurs électriques, matériaux de structure, etc. Par rapport aux conditions d'utilisation à température ambiante, l'ingénieur va se trouver confronté à une situation nouvelle : la très forte dépendance, en général, des propriétés des matériaux avec la température. La connaissance de ces comportements devient donc indispensable et c'est l'objet de cet article d'attirer l'attention du lecteur sur les aspects originaux de ces propriétés. Certaines peuvent apparaître peu favorables à une application technique et l'on doit alors les subir ; c'est aussi l'art de l'ingénieur de suggérer et d'exploiter des applications nouvelles.
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MOTS-CLÉS
Conductivité thermique Conductivité électrique Résistance mécanique Cryogénie matériaux Construction mécanique Transferts thermiques
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4. Conclusion
La mise en œuvre des matériaux à basse température exige une connaissance de l'évolution des caractéristiques électrique, thermique ou mécanique des matériaux en fonction de la température. Ces caractéristiques sont aujourd'hui connues et quantifiées expérimentalement. De même, plusieurs modèles physiques permettent d'expliquer le comportement des matériaux en fonction de la température.
Depuis plusieurs années, une certaine rationalisation dans la fourniture de matériaux de construction métallique réduit sensiblement les nuances d'aciers utilisables dans la construction des équipements cryogéniques. Par contre, le développement de nouveaux matériaux composites (fibres de verre, de carbone, matériaux chargés, etc.) permet parfois de remplacer avantageusement les matériaux métalliques ; ils ouvrent la voie à de nouvelles applications demandant un très faible rapport masse/résistance à la rupture.
De plus, les techniques d'usinage et d'assemblage usuelles des métaux (soudure, brasure, etc.) ont été profondément renouvelées par l'arrivée de résines, de colles et de produits polymérisables usinables, rendant possible la réalisation d'ensembles rassemblant des composants métalliques et non métalliques.
Les auteurs remercient pour leur aide :
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P. Brédy et C. Meuris, CEA-Saclay ;
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S. Buhler CNRS-IN2P3.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FOURNIÉ (R.) - Les isolants en électrotechniques. - Eyrolles (1986).
-
(2) - KITTEL (C.) - Physique de l'état solide. - Dunod (2013).
-
(3) - ASHCROFT (N.W.), MERMIN (N.D.) - Physique des solides. - EDP sciences (2002).
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(4) - VAN SCIVER (S.W.) - Helium cryogenics. - Plenum press (2012).
-
(5) - BARRON (T.H.), WHITE (G.K.) - Heat capacity and thermal expansion at low temperature. - Plenum press (1999).
-
(6) - EKIN (J.W.) - Experimental techniques for low-temperature measurements. - Oxford university press (2006).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Cryocomps © Eckels Engineering Inc 1993-2012. Base de données des propriétés thermiques et électriques des matériaux. Logiciel distribué en France par Cryoforum
HAUT DE PAGE2.1 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Commissariat à l'énergie atomique CEA http://www.cea.fr
Air liquide http://www.airliquide.com
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