Magnétisme : miniaturisation des aimants permanents de haute performance

• Les applications
• Propriétés magnétiques des terres rares

• Les applications

Les aimants permanents sont des matériaux qui conservent leurs propriétés magnétiques après avoir été soumis à un champ magnétique. Ils représentent une grande variété de matériaux utilisés dans un nombre important et croissant d'applications industrielles et commerciales :

• micro-moteurs et capteurs utilisés dans les domaines de : • l'informatique : miniaturisation des aimants de haute performance • l'audiovisuel (Haut-parleurs, magnétoscopes…) • l'automobile (direction assistée, vitres électriques, ABS, ordinateurs de bord…) • l'électroménager (lave-vaisselles, lave-linges, climatisation…)

• moteurs pas-à-pas utilisés en :
• robotique industrielle - technologie spatiale et militaire - horlogerie

De nouvelles poudres aux propriétés magnétiques sont développées pour les nouvelles applications :

- CD et DVD (Digital Video Disc) ré-inscriptible (magnéto optique)
- Sonar utilisant des alliages changeant de forme sous l'effet d'un champ magnétique.

L'évolution des propriétés des aimants illustre les progrès liés à l'utilisation des terres rares :

- miniaturisation des systèmes
- performances magnétiques accrues
- tailles plus petites et formes complexes
- applications multiples de haute technologie

• Propriétés magnétiques des terres rares

Les terres rares ont des propriétés magnétiques exceptionnelles : leur constance d'anisotropie magnétocristalline est de 10 à 100 fois supérieure à celles habituellement rencontrées, leur aimantation à saturation absolue est très supérieure à celle du fer ; cependant l'ordre magnétique n'existe qu'à des températures inférieures à l'ambiante, la position interne de l'orbitale 4¦ induisant des couplages faibles tant au niveau des interactions directes entre atomes voisins que du couplage magnétique d'échange à longue distance via les électrons de conduction. A la température ambiante, les terres rares sont donc paramagnétiques ou diamagnétiques, la plus haute température d'ordre (ou température de Curie, Tc) se situant à 293 K, au-dessous de laquelle apparaît le ferromagnétisme du gadolinium.

Afin d'augmenter les températures de Curie, on a cherché à associer les terres rares avec des éléments comportant également de bonnes propriétés magnétiques et des températures de Curie élevées (supérieures à 400-500° C), tels les éléments de transition fer, cobalt ou nickel. Les très nombreux travaux effectués depuis les années 60 sur la préparation et la caractérisation des alliages terres rares / métaux de transition ont débouchés dans un premier temps sur l'industrialisation des aimants samarium-cobalt (SmCo₅ ou Sm₂Co₁₇) pour lesquelles Tc est supérieure à 700° C et dont les produits d'énergie volumique sont supérieurs à 0,16 MJ/m³ (soit 20MG.Oe), pour les champs coercitifs de l'ordre de 800 kA/m (soit10 KOe) contre des valeurs ne dépassant pas 32 kJ/m³ (soit 4MG.Oe) et 320 kA/m (soit 4kOe) respectivement pour les traditionnels ferrites ou pour les alliages Al-Ni-Co (Alnico). De telles performances ont permis l'obtention d'énergies magnétiques intenses dans de faibles volumes et, de ce fait, une miniaturisation mise à profit dans des dispositifs comme les moteurs pas-à-pas ou, de manière plus spectaculaire, dans l'audiovisuel, l'utilisation d'aimant Sm-Co ayant, par exemple, permis la mise au point des écouteurs miniatures utilisés avec les baladeurs.

Encore plus performants, les aimants néodyme-fer-bore apparurent au début des années 80. La structure Nd₂Fe₁₄B, éventuellement substituée pour augmenter la température de Curie ou le champ coercitif, est celle qui, à ce jour, présente les performances les plus élevées jamais atteintes industriellement : produit d'énergie volumique (B.H) max supérieure à 320kJ/m³ (SOIT 40 MG. Oe) [la valeur théorique calculée étant de 512 kJ/m³
(soit 64 MG.Oe)] et champ coercitif Hc de l'ordre de 960 Ka/m(soit 12kOe).Ces aimants, en cours de développement industriel rapide, sont très étudiés par l'industrie automobile (miniaturisation des électroaimants) et leur avenir est très prometteur : en plus d'autres utilisations industrielles ou médicales (imagerie RMN par exemple), ils deviendront des éléments essentiels dans de nombreuses applications domestiques telles que la haute fidélité, la téléphonie ou l'électroménager.

Un domaine d'application nouveau des propriétés magnétiques des alliages de terres rares-éléments de transition est en cours de développement : c'est celui de l'enregistrement magnéto-optique, où les propriétés magnétique (Hc élevé, Tc faible) et optiques (angle de rotation Kerr élevé) d'alliages amorphes (Gd, Tb)-(Co, Fe) sont mises à profit pour l'obtention de densités d'enregistrement très élevées (20 Mbit/cm²), dans des systèmes effaçable et ré-enregistrables, utilisables à terme dans la technologie laser. La mise au point du minidisc en est l'illustration grand public.

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