Depuis leur apparition relativement récente sur la scène commerciale, les aimants aux terres rares ont fait sensation dans l’imaginaire du public. La quantité d’énergie magnétique contenue dans ces minuscules objets brillants a conduit à des avancées technologiques qui n’étaient pas possibles avant leur apparition, comme les moteurs de vibration des téléphones portables ou les minuscules haut-parleurs des écouteurs et des aides auditives. Sans parler des moteurs des véhicules électriques et des génératrices des éoliennes, ainsi que des innombrables utilisations médicales, militaires et scientifiques.
Ces avancées ont cependant un coût, car les éléments de terres rares nécessaires à leur fabrication sont de plus en plus difficiles à trouver. Ce n’est pas que les éléments de terres rares comme le néodyme soient si rares géologiquement ; au contraire, les gisements sont inégalement répartis, ce qui permet aux métaux de devenir facilement des pions dans un jeu d’échecs géopolitique sans fin. De plus, les extraire de leurs minerais est une affaire délicate à une époque de sensibilité accrue aux considérations environnementales.
Heureusement, il existe plus d’une façon de fabriquer un aimant, et il sera peut-être bientôt possible de construire des aimants permanents aussi puissants que les aimants en néodyme, mais sans métaux de terres rares. En fait, la seule chose nécessaire pour les fabriquer est du fer et de l’azote, ainsi qu’une compréhension de la structure cristalline et une certaine ingéniosité en ingénierie.
Tout aligner
Pour commencer, qu’est-ce qu’un aimant permanent ? Comme beaucoup de questions simples sur la nature, il n’y a pas de réponse facile qui ne nécessite pas une bonne quantité de gestes de la main. Même les physiciens finissent par arriver à un point où leur réponse se résume à : « Nous ne savons tout simplement pas. Mais cela ne signifie pas que le magnétisme est un mystère complet, et les choses que nous savons à ce sujet sont assez simples et aident en fait à comprendre comment fonctionnent les aimants de terres rares et leurs alternatives.
Nous avons déjà essayé les bases du magnétisme, mais pour résumer, toute particule chargée, comme un électron, possède ce qu’on appelle un moment magnétique intrinsèque, ce qui signifie qu’elle agit comme de petits aimants. Dans les atomes avec des couches d’électrons remplies, ces moments magnétiques s’annulent car chaque paire d’électrons a des moments qui pointent dans des directions opposées. Mais dans les atomes avec des électrons non appariés dans leurs coquilles externes, il n’y a rien pour annuler les moments magnétiques, ce qui signifie que ces éléments sont magnétiques. Ces éléments ont tendance à provenir de deux domaines spécifiques du tableau périodique : les métaux du bloc d comme le cobalt, le nickel et le fer, et les actinides du bloc f, qui incluent les métaux des terres rares comme le samarium, le néodyme et le praséodyme.
Cependant, un aimant ne se limite pas à la provenance de ses ingrédients dans le tableau périodique. Le magnétisme consiste à aligner tous ces moments magnétiques intrinsèques et à agir dans la même direction. Tout comme les électrons d’un atome d’un élément magnétique ne doivent pas se combattre, les atomes doivent également s’arranger pour que leurs moments magnétiques pointent tous dans la même direction. C’est ce qu’on appelle une anisotropie magnétique élevée et c’est l’une des caractéristiques des aimants puissants. Les métaux de terres rares comme le néodyme ont une anisotropie magnétique très élevée, ce qui contribue à la force des aimants de terres rares.
Mais les métaux des terres rares à eux seuls font en fait des aimants assez médiocres, du moins sur le plan pratique. Cela est dû à leur point de Curie relativement bas, qui est la température au-dessus de laquelle une substance perd ses propriétés magnétiques. À température ambiante, une barre de néodyme pur ne serait pas du tout un aimant. En fait, il devrait être refroidi à moins de 20 K pour avoir des propriétés magnétiques. Pour contourner cela, les métaux des terres rares sont mélangés à d’autres éléments ferromagnétiques pour former des alliages qui ont une forte coercivité magnétique tout en ayant un point de Curie décent. L’alliage d’aimant de terre rare le plus courant, une combinaison de fer, de néodyme et de bore, a une température de Curie dans la plage de 300 à 400 ° C, selon le mélange exact d’éléments.
Le pouvoir des cristaux
Pour aller plus loin dans le terrier du lapin du magnétisme, il faut se familiariser avec les concepts de la cristallographie. C’est un sujet diaboliquement compliqué, avec une nomenclature et une terminologie déroutantes car il semble que ce soit la même chose que la notation standard des formules chimiques, mais ce n’est clairement pas le cas. Une compréhension complète de la façon dont l’ajout de néodyme au fer fait un puissant aimant permanent, et comment il est possible de fabriquer un aimant puissant sans aucune terre rare, nécessiterait une plongée plus profonde dans la cristallographie que nous n’avons d’espace pour ici. Heureusement, les bases suffiront, ainsi qu’un petit geste de la main. Et le mérite en revient ici à mon ami Zachary Tong, qui a participé et m’a aidé à comprendre ces sujets difficiles.
La structure cristalline d’une substance concerne la façon dont ses atomes se regroupent en arrangements ordonnés. Le bloc de construction des cristaux s’appelle la cellule unitaire, qui est la plus petite unité répétitive possible du cristal. Pour les aimants en néodyme, la formule de cellule unitaire est Nd2Fe14B. C’est déroutant quand on regarde les schémas de la structure cristalline, qui montrent bien plus que deux atomes de néodyme et quatorze fers. Mais la chose importante ici est que la forme de cellule unitaire de Nd2Fe14B est ce qu’on appelle un tétragone simple (ST), qui ressemble à une pyramide, mais qui est en fait un cube qui a été étiré le long d’un axe. Cette asymétrie axiale confère à chaque cristal un degré élevé d’anisotropie magnétique, ce qui explique en partie la raison pour laquelle les aimants au néodyme sont si puissants. L’autre facteur est que le néodyme augmente le nombre d’électrons non appariés dans l’alliage par rapport au fer ordinaire seul, ce qui donne un moment magnétique global plus fort.
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Donc, avec tout cela à l’esprit, comment l’ajout d’azote au fer peut-il créer des aimants ayant des propriétés comparables à celles des aimants aux terres rares ? Encore une fois, c’est en partie lié à la structure cristalline et en partie à la structure électronique des éléments de l’alliage. Le fer a normalement une cellule unitaire qui est soit cubique centrée sur le corps (BCC), où huit atomes de fer sont centrés sur les coins d’un cube parfait et un atome au point mort, soit cubique à faces centrées (FCC), avec un atome à chaque coin et un au centre de chaque face. Mais lorsque l’azote est allié au fer, la structure de la cellule unitaire cubique est déformée dans ce qu’on appelle une structure tétragonale centrée sur le corps (BCT). Ce qui se passe, c’est que les atomes d’azote s’incorporent dans l’espace interstitiel du cristal, allongeant un côté. Cette asymétrie est similaire à la structure cristalline tétragonale des aimants en néodyme. Couplé aux propriétés ferromagnétiques du fer, le résultat est un alliage fortement magnétisable sans avoir besoin de métaux de terres rares.
Les nitrures de fer ne sont pas nouveaux. Les procédés de nitruration, tels que la nitruration gazeuse en exposant l’acier chauffé à l’ammoniac, sont utilisés pour la finition de l’acier depuis plus d’un siècle. Le nitrure de fer plus complexe α”-Fe16N2 a été découvert pour la première fois en 1951; ses propriétés magnétiques ont été explorées au début des années 1970 et à nouveau dans les années 1990 dans le cadre de la recherche de nouvelles et meilleures têtes pour disques durs et autres supports d’enregistrement magnétiques.
Cet alliage s’est montré prometteur en magnétisme mais s’est avéré suffisamment difficile à travailler pour que les résultats ne soient pas facilement reproductibles, donc l’intérêt pour α « -Fe16N2 a diminué jusqu’à la fin des années 2000, lorsque des méthodes de production de couches minces du matériau ont été développées. Ces expériences ont montré que ces films peuvent avoir deux à trois fois le produit d’énergie magnétique, une mesure clé pour déterminer la force d’un aimant, que les aimants en néodyme. Avec toutes les autres propriétés qui ont été découvertes, cela fait du nitrure de fer un excellent candidat pour un nouveau type d’aimant sans éléments de terres rares.
Comment faire un aimant
Avec la plupart des découvertes scientifiques, il y a un long chemin entre le laboratoire et un produit commercial pratique, et cela est vrai avec les magnétiques au nitrure de fer. Une grande partie des progrès récents dans les aimants permanents en nitrure de fer proviennent du laboratoire de Jian-Ping Wang du Département de génie électrique et informatique de l’Université du Minnesota. Quatre méthodes différentes pour synthétiser le α”-Fe en vrac16N2 matériaux y ont été développés, dont certains semblent prometteurs dans le milieu industriel.
Les premières méthodes de fabrication de α »-Fe16N2 nécessitait un procédé à haute température avec une trempe rapide de l’échantillon nitruré, qui ne se prête pas à une mise à l’échelle vers une production industrielle. L’une des premières tentatives pour contourner ce problème a été l’utilisation de l’implantation ionique. Cette technique, dans laquelle les ions sont accélérés dans le vide par un champ électrique puissant et claqués dans un substrat cible, est courante dans la fabrication de semi-conducteurs, où elle est utilisée pour doper les tranches de silicium. Pour fabriquer des aimants en nitrure de fer, des feuilles de fer pur de 500 nm d’épaisseur sont montées sur un substrat de silicium et bombardées d’ions d’azote atomique. Ceci est suivi d’une série d’étapes de recuit, qui activent l’azote implanté et produisent une contrainte thermique dans le matériau qui emprisonne l’azote à l’intérieur de la structure cristalline de la feuille, produisant la distorsion nécessaire. Feuilles de α”-Fe16N2 fait de cette façon montre un comportement magnétique dur, et des aimants pratiques peuvent être fabriqués en empilant la feuille en couches et en les liant en une seule structure.
La nitruration à basse température est également possible, en utilisant des nanoparticules d’oxyde de fer comme matériau de départ. Dans cette méthode, les particules sont traitées avec du gaz ammoniac pour faire entrer l’azote dans la structure cristalline. Alternativement, l’oxyde de fer peut être mélangé avec du nitrate d’ammonium dans un broyeur planétaire à boulets ; après quelques jours de broyage à 600 rpm, les billes d’inox décomposent le nitrate d’ammonium en azote élémentaire qui diffuse dans les nanoparticules de fer. Le α”-Fe résultant16N2 est ensuite séparé par un aimant et peut être façonné en formes solides. Cette méthode semble pouvoir facilement passer à un processus industriel.
La nitruration à haute température des feuilles et des fils de fer est également possible. Cette méthode utilise des rubans d’un alliage fer-cuivre-bore et les expose à une atmosphère d’ammoniac et d’hydrogène à 550°C pendant 28 heures, suivi d’un traitement rapide à 700°C et d’une trempe à l’eau glacée. Une variante de cette méthode est l’approche à fil tendu, où le fer de haute pureté est fondu dans un creuset avec de l’urée. L’azote qui se décompose de l’urée se diffuse dans le fer, et le mélange passe par des étapes de traitement thermique et de trempe avant d’être martelé à plat et coupé en bandes. Les lamelles sont placées dans un dispositif de déformation et étirées lors d’une étape de recuit qui sert à allonger la structure cristalline et à piéger l’azote diffusé.
Les aimants permanents puissants ne sont pas la seule chose pour laquelle les nitrures de fer pourraient être bons. Les magnétiques doux, qui sont des matériaux à coercivité plus faible et qui sont bons pour des choses comme les noyaux des transformateurs et des inductances, ou pour les têtes de lecture-écriture des supports magnétiques, peuvent également être possibles en dopant α « -Fe16N2 avec des éléments comme le carbone, l’oxygène ou le bore. Ces dopants réduisent l’anisotropie magnétique de la structure cristalline, ce qui rend plus difficile leur magnétisation permanente tout en maintenant une magnétisation à saturation élevée.
Les soi-disant aimants de « terre propre » sont très prometteurs, à tel point que l’Université du Minnesota a créé une société, Niron Magnetics, pour transformer les concepts et les processus en produits. Nous sommes impatients de voir où va cette technologie et attendons avec impatience des aimants puissants fabriqués uniquement avec de la rouille et de l’engrais.
