Characterisation of Advanced Metal Matrix Composite Materials for Application to High Energy Physics Detectors
Résumé
The Outer Tracker of the Compact Muon Solenoid, one of the large experiments at the CERN Large Hadron Collider, will consist of about 13200 modules, each built up of two silicon sensors. The modules and support structures include thousands of parts that contribute to position and cool the sensors during operation at 30°C. These parts must be low mass while featuring high thermal conductivity, stiffness and strength. Their thermal expansion coefficient should match that of silicon to avoid deformations during cooling cycles.
Due to their unique thermal and mechanical properties, Aluminium-Carbon Fibre (Al-CF) Metal Matrix Composites are the material of choice to produce such light and stable thermal management components for High Energy Physics detectors. For the CMS Outer Tracker, about 50000 cm3 of Al-CF raw material will be required, to be produced through a reliable process to guarantee consistent properties all along part manufacturing.
Two Al-CF production routes are currently considered: liquid casting and a powder metallurgy process based on continuous semi-liquid phase sintering. Dimensional stability of the resulting material is of paramount importance. Irreversible change of shape may be induced by moisture adsorption and onset of galvanic corrosion at the discontinuous interfaces between CF and the Al matrix.
This paper presents the results of an extensive investigation through Computed Microtomography, direct microscopical investigations, electrochemical studies of the interface reactivity and metrology measurements, aimed at comparing and interpreting the response to different environments of the respective products. The effect of the application of noble metal coatings is also discussed.
Le suiveur extérieur du solénoïde compact à muons, l'une des grandes expériences du Grand collisionneur de hadrons du CERN, sera composé d'environ 13 200 modules, chacun composé de deux capteurs au silicium. Les modules et les structures de support comprennent des milliers de pièces qui contribuent à positionner et à refroidir les capteurs pendant le fonctionnement à -30°C. Ces pièces doivent être de faible masse tout en présentant une conductivité thermique, une rigidité et une résistance élevées. Leur coefficient de dilatation thermique doit correspondre à celui du silicium pour éviter les déformations lors des cycles de refroidissement. En raison de leurs propriétés thermiques et mécaniques uniques, les composites à matrice métallique aluminium-fibre de carbone (Al-CF) sont le matériau de choix pour produire des composants de gestion thermique légers et stables pour les détecteurs de physique des hautes énergies. Pour le CMS Outer Tracker, environ 50 000 cm3 de matière première Al-CF seront nécessaires, à produire selon un processus fiable pour garantir des propriétés constantes tout au long de la fabrication de la pièce. Deux voies de production d'Al-CF sont actuellement envisagées : la coulée liquide et un procédé de métallurgie des poudres basé sur le frittage continu en phase semi-liquide. La stabilité dimensionnelle du matériau résultant est d'une importance primordiale. Un changement de forme irréversible peut être induit par l'adsorption d'humidité et l'apparition d'une corrosion galvanique aux interfaces discontinues entre CF et la matrice Al. Cet article présente les résultats d'une enquête approfondie par microtomographie informatisée, des enquêtes microscopiques directes, des études électrochimiques de la réactivité de l'interface et des mesures métrologiques, visant à comparer et à interpréter la réponse à différents environnements des produits respectifs. L'effet de l'application de revêtements de métaux nobles est également discuté.