Matériau basse température

Types de matériaux à basse température

Les matériaux à basse température sont des substances qui présentent des propriétés uniques lorsqu'elles sont exposées à des températures basses. Généralement, ces matériaux sont utilisés dans l'électronique, la cryogénie, les supraconducteurs et la physique des basses températures. Différents types de matériaux à basse température sont discutés en détail ci-dessous.

• Métaux et alliages : Ils sont considérés comme les matériaux à basse température les plus populaires. Les métaux comme le cuivre, l'aluminium et les métaux nobles sont largement utilisés dans les applications à basse température en raison de leur conductivité thermique élevée. À basse température, les métaux présentent une conductivité électrique élevée et une faible résistivité, ce qui en fait des matériaux idéaux pour les supraconducteurs. De plus, des alliages cryogéniques comme l'acier inoxydable et l'aluminium sont développés spécifiquement pour les basses températures. Ces alliages conservent leur résistance et leur ductilité à des températures cryogéniques.
• Supraconducteurs : Les supraconducteurs sont des matériaux à basse température qui peuvent conduire l'électricité sans résistance à basse température. Ils sont classés en supraconducteurs à basse température et à haute température. Les supraconducteurs à basse température, tels que les alliages de nickel et de plomb, nécessitent un refroidissement à des températures d'hélium liquide (4K) pour présenter la supraconductivité. D'un autre côté, les supraconducteurs à haute température, tels que l'oxyde de cuivre de lanthane de baryum, fonctionnent à des températures supérieures à 77K, ce qui correspond au point d'ébullition de l'azote liquide. Ils sont généralement plus pratiques à utiliser et à refroidir.
• Semi-conducteurs : Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la conductivité électrique se situe entre celle des métaux et celle des isolants. Ils peuvent être utilisés à basse température pour développer des dispositifs électroniques. Par exemple, les semi-conducteurs en silicium et en germanium présentent une mobilité électronique accrue à basse température, ce qui conduit à une conductivité améliorée. D'autres semi-conducteurs comme l'antimoniure d'indium ont une faible bande interdite et sont utilisés dans des applications à basse température telles que les détecteurs infrarouges.
• Matériaux isolants : Ces matériaux sont principalement utilisés dans les applications cryogéniques pour minimiser le transfert de chaleur. Par exemple, les polymères comme le polyéthylène et le polypropylène restent ductiles et légers à basse température. L'isolation sous vide utilise une couche de vide scellée pour minimiser le transfert de chaleur par conduction et convection. L'isolation multicouche (MLI) est constituée de nombreuses couches minces de matériau réfléchissant séparées par des entretoises légères. Elle réduit le transfert de chaleur par rayonnement et est couramment utilisée dans les conteneurs cryogéniques.
• Céramiques à basse température : Les céramiques sont des solides cristallins ou non cristallins (vitreux) qui sont constitués de matériaux inorganiques (ne contenant pas de carbone). Les céramiques à basse température ont une faible conductivité thermique et une grande stabilité mécanique à basse température. Par exemple, les céramiques en zircone et en alumine sont largement utilisées en raison de leur faible conductivité thermique et de leur stabilité mécanique à basse température.
• Gaz et liquides : Certains gaz et liquides peuvent être utilisés comme fluides frigorigènes pour atteindre des basses températures. Par exemple, l'azote, l'hélium et l'hydrogène sont largement utilisés pour refroidir les matériaux à des températures cryogéniques. Ils sont peu coûteux et facilement disponibles. Les liquides cryogéniques comme l'hélium liquide maintiennent une température d'environ 4K et sont largement utilisés dans les aimants supraconducteurs.

Fonctions et caractéristiques des matériaux à basse température

Les matériaux sensibles à la température, communément appelés matériaux à basse température, sont des polymères, des métaux ou des matériaux qui fonctionnent ou modifient leurs propriétés à des températures plus basses.

Ces matériaux présentent différentes caractéristiques uniques qui affectent leurs fonctions. Elles comprennent :

• Conductivité thermique : Il s'agit de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Les matériaux à basse température ont une conductivité thermique élevée, ce qui leur permet de fonctionner efficacement à basse température. Par exemple, l'aluminium et le cuivre sont couramment utilisés dans les applications à basse température en raison de leur conductivité thermique élevée.
• Dilatation thermique : Cela fait référence à la variation de taille ou de volume d'un matériau due aux variations de température. Les matériaux utilisés dans les applications à basse température ont de faibles coefficients de dilatation thermique. En effet, à basse température, les matériaux peuvent devenir cassants et présenter un risque accru de fracture. Par exemple, l'acier inoxydable et l'Invar sont de bons matériaux à faible dilatation et peuvent conserver leur intégrité structurelle à basse température.
• Résistivité électrique : Cela fait référence à la capacité d'un matériau à conduire l'électricité. Les matériaux à basse température ont une faible résistivité électrique lorsqu'ils fonctionnent à basse température ou à des températures cryogéniques. Cela améliore leur capacité à conduire l'électricité. Par exemple, des matériaux comme l'argent et le cuivre présentent une faible résistivité à des températures cryogéniques.
• Propriétés mécaniques : Les matériaux à basse température présentent des propriétés mécaniques uniques lorsqu'ils sont exposés à des températures basses. Cela inclut une résistance élevée, une ductilité et une ténacité élevées. Ces matériaux sont capables de résister à de faibles pressions et à des conditions environnementales difficiles. Par exemple, certains alliages comme le nickel et l'aluminium conservent leur ductilité et leur ténacité à des températures cryogéniques.
• Propriétés magnétiques : Les propriétés magnétiques de certains matériaux à basse température augmentent lorsque la température diminue. Cela les rend utiles dans la fabrication de supraconducteurs et d'aimants cryogéniques. Généralement, les supraconducteurs sont des matériaux qui peuvent conduire l'électricité sans résistance tandis que les aimants sont des matériaux qui peuvent être utilisés pour créer un champ magnétique.
• Faible perméabilité : Les matériaux à basse température ont une faible perméabilité aux gaz et aux liquides à basse température. Ceci est important dans des applications telles que l'isolation sous vide et les conteneurs cryogéniques.
• Stabilité à basse température : Ces matériaux sont chimiquement stables à basse température. Cela empêche les réactions de se produire lorsque les matériaux sont exposés à des températures basses. Ceci est important dans des applications comme la cryoconservation et le stockage à basse température.

Applications des matériaux à basse température

• Vêtements de sport et vêtements d'extérieur : Les matériaux à basse température sont utilisés dans les vêtements de sport et les vêtements d'extérieur en raison de leur légèreté et de leurs excellentes propriétés d'isolation. Ces matériaux sont utilisés dans les vestes isolées, les manteaux, les pantalons de ski et autres équipements d'extérieur isolés. Les produits d'isolation fabriqués avec des matériaux à basse température sont parfaits pour les activités de plein air à des températures extrêmement froides.
• Couches thermiques et de base : Les matériaux à basse température sont également utilisés dans les couches thermiques et les couches de base. Ces couches sont conçues pour retenir la chaleur du corps et fournir une isolation dans des conditions extrêmement froides. Les matériaux à basse température sont idéaux pour les couches thermiques et les couches de base car ils sont légers et ont un rapport chaleur/poids élevé.
• Sacs de couchage et couvertures : Les matériaux à basse température sont également utilisés dans les sacs de couchage et les couvertures. Ces matériaux offrent une excellente isolation et sont légers et compressibles, ce qui en fait le choix idéal pour les excursions de camping et de randonnée.
• Applications commerciales et industrielles : Les matériaux à basse température ont une large gamme d'applications dans les environnements commerciaux et industriels. Par exemple, ces matériaux sont souvent utilisés dans les conteneurs de stockage d'aliments réfrigérés et congelés. Les matériaux à basse température offrent une barrière légère et isolée qui permet de maintenir la température interne du conteneur. Cela garantit que les aliments restent frais et à la température requise.
• Fournitures pharmaceutiques et médicales : Les matériaux à basse température sont également utilisés dans le transport et le stockage des produits pharmaceutiques et des fournitures médicales. Ces matériaux permettent de maintenir un environnement de température stable pour les médicaments et les vaccins sensibles. Cela garantit que les médicaments restent efficaces et ne sont pas endommagés.
• Conteneurs isolés : Les matériaux à basse température sont largement utilisés dans les conteneurs isolés. Par exemple, les glacières, les sacs isolés et les boîtes. Les produits d'isolation fabriqués avec des matériaux à basse température offrent une barrière isolante légère qui permet de maintenir les articles au froid ou au chaud pendant une période prolongée.
• Équipement et vêtements spécialisés : Les matériaux à basse température sont également utilisés dans une large gamme d'équipements et de vêtements spécialisés. Par exemple, ces matériaux sont utilisés dans les vestes et pantalons de montagne, les parkas d'expédition et autres vêtements isolés.

Comment choisir un matériau à basse température

Les informations énumérées ci-dessus peuvent sembler accablantes, en particulier pour les chefs d'entreprise qui souhaitent acheter des matériaux à basse température pour la première fois. Voici un guide simple pour choisir les bons matériaux à basse température :

• Exigences de l'application

  La première étape consiste à bien comprendre les exigences de l'application. Cela comprend les conditions environnementales, telles que l'humidité, la température et la pression. Il faut également tenir compte des propriétés du matériau, telles que ses exigences mécaniques, thermiques et électriques. Cela signifie que le matériau doit être capable de résister aux températures requises sans dommage structurel ni défaillance.

• Consultez des experts

  Consulter des experts peut aider à choisir les bons matériaux pour toute application. Ils fournissent des conseils et des informations précieux sur les différentes options disponibles. Ils aident également à comprendre les performances des matériaux à basse température. Cela permet aux chefs d'entreprise de prendre des décisions éclairées sans avoir à deviner.

• Tenez compte du coût

  Bien que les performances du matériau soient primordiales, il est également important de tenir compte des coûts. Cela comprend le coût initial d'achat du matériau, les coûts de transport et d'entretien. Peser les avantages et les coûts à long terme garantit que le matériau sélectionné est économique et adapté à l'application prévue.

• Réputation du fournisseur

  La réputation du fournisseur en dit long sur la qualité des produits qu'il offre. Si vous envisagez d'acheter des matériaux à basse température, choisissez un fournisseur ayant une bonne réputation en matière de fourniture de matériaux de haute qualité. Vérifiez ses avis et ses témoignages pour avoir un aperçu de son niveau de satisfaction client.

Questions et réponses sur les matériaux à basse température

Q1. Quel est le meilleur matériau à basse température pour mon projet ?

A1. Il n'existe pas de meilleur matériau à basse température, mais il existe un matériau adapté. Choisissez un matériau en fonction des besoins du projet. Tenez compte de facteurs tels que la flexibilité, la résistance aux chocs, la durabilité et la résistance du matériau à basse température.

Q2. Quels sont les défis liés à l'utilisation de matériaux à basse température ?

A2. L'un des principaux défis est le risque de fracture fragile. Cela peut se produire en raison d'un impact soudain ou d'une contrainte structurelle. C'est particulièrement le cas lorsque le matériau est exposé à des températures basses. Un autre défi est la disponibilité limitée de matériaux résistants aux basses températures. Cela peut entraîner une augmentation des coûts et du délai du projet.

Q3. Comment peut-on améliorer les performances d'un matériau à basse température ?

A3. Cela peut se faire en optimisant la microstructure du matériau par des traitements thermiques. Cela peut améliorer sa ténacité et sa résistance. L'ajout de charges et de renforts peut également améliorer la résistance d'un matériau aux basses températures.

Q4. À quoi servent les matériaux à basse température ?

A4. Ces matériaux sont utilisés dans diverses applications. Cela comprend l'industrie aérospatiale, les réservoirs cryogéniques et les pipelines. D'autres applications sont le stockage de gaz liquéfiés, l'équipement médical et les explorations des régions polaires.

Q5. Quels sont les tests courants pour évaluer les performances d'un matériau à basse température ?

A5. Les tests courants comprennent les essais de résistance au choc Charpy et les essais au poids tombant. D'autres tests sont la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et les essais de traction à basse température.