Au quotidien, les aimants permanents sont partout présents dans les dispositifs technologiques qui nous entourent. Aujourd’hui, il y en a 4 types principaux sur le marché mondial : NdFeB, ferrite, SmCo et AlNiCo, dont 65% contiennent des terres rares, essentiellement du néodyme. Depuis 2008, la Chine a établi un monopole de production des terres rares avec près de 95 % de la production mondiale, ce qui a entrainé une forte augmentation des prix ces dernières années. Suite aux restrictions de la Chine sur ses exportations, ce problème d’approvisionnement en terres rares est là pour durer.
Il y a donc un fort enjeu économique à trouver des alternatives à l'emploi des terres rares dans les aimants permanents. Une des voies, sur laquelle les équipes du LLB, de l’INSA de Toulouse et de l'ITODYS travaillent en collaboration, est d’utiliser l’anisotropie de forme pour augmenter la coercivité des matériaux. Il s’agit d’une idée ancienne, déjà utilisée en autre dans les aimants AlNiCo. Les progrès récents dans la synthèse de nano-objets magnétiques ont permis de revisiter l’idée et de l’appliquer à des métaux simples. Il a ainsi été possible de concevoir des matériaux à base de cobalt, ayant des propriétés intrinsèques équivalentes à celles des meilleurs aimants SmCo.
Les performances d’un aimant permanent sont caractérisées par le produit (BHc)max qui représente l’énergie maximale stockée dans l’aimant. Un bon aimant permanent a donc une forte aimantation B, une forte coercivité (le champ magnétique Hc nécessaire pour retourner l’aimantation) et de préférence un cycle d’hystérésis aussi carré que possible. Pour augmenter la coercivité d’un matériau magnétique, une des voies possible est de ne plus se baser sur les propriétés intrinsèques du matériau (par exemple, son anisotropie magnéto-cristalline) mais sur des propriétés extrinsèques, en l’occurrence la forme des grains magnétiques.
L’aimantation d’un objet magnétique de forme allongée a en effet une forte tendance à rester alignée dans la longue direction de l’objet et un champ magnétique équivalent à la moitié de l’aimantation est théoriquement nécessaire pour la faire basculer dans le cas d’un cylindre très allongé. Cela n’est cependant vrai que pour des objets magnétiques de très petite taille, dans lesquels les processus de retournement de l’aimantation ne forment pas de domaines magnétiques. Ces dernières années, les progrès en synthèse chimique ont permis de contrôler la croissance de nano-objets métalliques ayant des formes variées. En particulier, il a été possible d’optimiser la croissance de nanofils de cobalt (voir Figure 1) et de produire des nanofils monocristallins en grandes quantités (plusieurs grammes).
Les simulations micro-magnétiques que nous avons réalisées sur de grands ensembles de fils magnétiques (jusqu’à 1000 fils) montrent que les interactions dipolaires entre fils, qui nuisent a priori aux propriétés magnétiques macroscopiques, jouent un rôle limité, car elles sont dominées par l’anisotropie magnéto-cristalline du cobalt (Figure 2). La principale limitation sur l'énergie de tels aimants nanostructurés devient alors le taux de compaction des nanofils et leur alignement.
Expérimentalement, il a récemment été possible de produire de grandes quantités de nanofils (par lots de 5 g) afin de fabriquer des prototypes d’aimants macroscopiques. Les fils sont dispersés dans une solution de chloroforme et séchés sous champ magnétique afin de les aligner (Figure 3a). Ces fils peuvent ensuite être compactés pour fabriquer un petit aimant permanent (Figure 3b), dont les performances sont équivalentes à celles d'aimants SmCo ou NdFeB liés dans une matrice polymère.
Nous travaillons actuellement avec nos collègues chimistes (INSA Toulouse) et métallurgistes (TU Darmstadt) afin de définir le meilleur protocole pour compacter les poudres de nanofils. In-fine, en collaboration avec l’entreprise Wittenstein, ces aimants (~ 150 g) seront assemblés pour constituer un petit moteur électrique afin de tester leurs performances.
(a) Galette de nanofils alignés par séchage sous champ magnétique pour obtenir des fils alignés ; (b) Aimant à base de nanofils de cobalt ; (c) Performances des aimants à base de nanofils par rapport aux autres matériaux magnétiques.
Référence :
Optimization of the magnetic properties of aligned Co nanowires/polymer composites for the fabrication of permanent magnets
W. Fang, I. Panagiotopoulos, F. Ott, F. Boué, K. Ait-Atmane, J.-Y. Piquemal,G. Viau and F. Dalmas, Journal of Nanoparticle Research 16 (2014) 2265.
Ce travail bénéficie du soutien du contrat Européen REFREEPERMAG et est le fruit d’une collaboration étroite avec l’INSA de Toulouse et l’Université Paris Diderot / ITODYS.
Contact CEA-IRAMIS : Frédéric OTT, Laboratoire Léon Brillouin UMR12 CEA/CNRS.