Au 21ème siècle, l'avancement rapide de la technologie dans des domaines tels que l'internet industriel, les énergies renouvelables, le transport ferroviaire à grande vitesse, les communications 5G et la fabrication intelligente a significativement influencé le développement industriel mondial. Le concept de "nouvelle construction d'infrastructure" introduit en Chine en 2018 souligne encore l'importance de ces secteurs dans la croissance économique nationale. Parmi les matériaux cruciaux pour ces avancées, les aimants permanents en néodyme-fer-bore (Nd-Fe-B) jouent un rôle essentiel en raison de leurs propriétés magnétiques exceptionnelles, occupant plus de 50% du marché des aimants permanents. Cependant, les aimants Nd-Fe-B traditionnels rencontrent des défis, notamment dans les applications nécessitant une stabilité à haute température, telles que les moteurs de traction des véhicules électriques et les générateurs d'éoliennes.
Défis des Aimants Nd-Fe-B Traditionnels
Une des principales limitations des aimants Nd-Fe-B frittés commerciaux, en particulier ceux sans terres rares lourdes (HREs), est leur faible coercivité (environ 1200 kA/m) et température de Curie (Tc = 312°C). La coercivité, une propriété magnétique extrinsèque, est étroitement liée à la composition et à la microstructure de l'aimant. Augmenter la coercivité peut efficacement résister à la démagnétisation à des températures plus élevées, améliorant ainsi la stabilité thermique de l'aimant.
Pour résoudre ce problème, plusieurs approches ont été explorées. Une méthode consiste à ajouter des éléments d'alliage de cobalt (Co) pour remplacer une partie du fer (Fe) dans la phase Nd2Fe14B, augmentant ainsi la température de Curie (Tc) de l'aimant. Cependant, un excès de Co non seulement augmente les coûts des matériaux mais dégrade également les propriétés magnétiques dures. Une autre stratégie est d'incorporer des éléments HRE tels que le dysprosium (Dy) et le terbium (Tb) pour remplacer le néodyme (Nd) dans la phase 2:14:1, formant une phase (HRE, Nd)2Fe14B avec un champ d'anisotropie magnétique plus élevé. Malheureusement, les HREs sont rares, leur abondance dans la croûte terrestre étant inférieure à 10% de celle du Nd, ce qui entraîne des prix extrêmement élevés. L'introduction de HREs par fusion traditionnelle augmente considérablement le coût de l'aimant, les matériaux HRE représentant 30% à 50% du prix final des aimants Nd-Fe-B. De plus, le couplage antiferromagnétique entre les atomes de HRE et les atomes de Fe réduit inévitablement la rémanence et le produit énergétique magnétique de l'aimant.
Technologie de Diffusion aux Joints de Grains (GBD)
En réponse à la demande croissante de magnets Nd-Fe-B à haute température, le développement de la technologie GBD a émergé comme une solution prometteuse. Proposée par Nakamura et al. en 2005, la technologie GBD utilise des éléments simples ou des composés de HREs comme diffusants. Grâce à un traitement thermique de diffusion, les HREs pénètrent dans le magnet depuis la surface le long des joints de grains, se distribuant dans les joints de grains et sur les surfaces des grains pour améliorer la coercivité du magnet Nd-Fe-B. Le processus de diffusion se produit généralement à des températures supérieures au point de fusion de la phase riche en terres rares des joints de grains dans le magnet Nd-Fe-B, facilitant une diffusion rapide le long des joints de grains dans la phase riche en terres rares liquides.
Le principe fondamental de la GBD est que l'inversion des domaines de magnétisation se forme d'abord sur les surfaces des grains, les rendant le maillon le plus faible au sein de l'aimant. En augmentant le champ d'anisotropie sur les surfaces des grains, la formation de domaines d'inversion peut être retardée, améliorant ainsi la coercivité de l'ensemble de l'aimant. La GBD distribue les HREs principalement dans les joints de grains, minimisant leur entrée dans les intérieurs des grains. Cette approche non seulement augmente la coercivité mais atténue également les effets néfastes des HREs sur la rémanence, obtenant d'excellentes propriétés magnétiques globales.
Avantages de la Technologie GBD avec Ce
La technologie GBD offre plusieurs avantages, en particulier lorsque le cérium (Ce) est incorporé. Le Ce est une alternative rentable au Nd et aux HRE en raison de son abondance. En substituant une partie du Nd par du Ce, le coût du matériau peut être réduit tout en maintenant ou même en améliorant les performances magnétiques. Des études ont montré que les aimants Nd-Fe-B contenant du Ce traités par GBD présentent des améliorations significatives de la coercivité. Par exemple, la diffusion de Tb dans des aimants frittés (Ce,Nd)-Fe-B préparés par la méthode à double phase principale a permis d'améliorer la coercivité jusqu'à 65%, avec une réduction relativement mineure de la rémanence et du produit énergétique maximal.
Développements Récents et Directions de Recherche
Ces dernières années, la technologie GBD a rapidement progressé et atteint l'industrialisation. Les applications industrielles pratiques de la GBD ont réduit la consommation de HRE de plus de 50%. Cependant, plusieurs défis techniques et théoriques subsistent. Un problème critique est d'augmenter l'épaisseur des aimants pouvant être traités efficacement par GBD. La pratique industrielle actuelle se concentre principalement sur les aimants d'une épaisseur inférieure à 4 mm, avec peu dépassant 8 mm. Pour les applications nécessitant des marges de sécurité plus élevées, telles que les moteurs et les générateurs fonctionnant au-dessus de 125°C, des aimants plus épais sont préférés.
Pour relever ce défi, les chercheurs explorent des méthodes pour améliorer le taux de diffusion des diffusants, visant à augmenter la profondeur de diffusion dans des aimants plus épais. Une approche consiste à modifier la composition des diffusants, par exemple par alliage ou dopage, pour fournir des canaux de diffusion plus efficaces. Par exemple, l'utilisation de mélanges Al + TbH2 comme diffusants a permis d'améliorer significativement la coercivité des aimants de 6,5 mm d'épaisseur par rapport à l'utilisation de TbH2 seul. L'introduction de l'Al favorise la formation de phases de grain de couche mince continues entre les grains 2:14:1, améliorant le couplage démagnétisant et ainsi la coercivité.
Perspectives Futures
L'avenir de la technologie GBD avec Ce offre de belles perspectives pour le développement d'aimants Nd-Fe-B performants et rentables. La recherche continue de se concentrer sur l'optimisation des compositions de diffusants, l'amélioration des efficacités de diffusion et la compréhension des relations microstructure-propriété dans les aimants GBD. De plus, il est nécessaire de développer des méthodes pour traiter efficacement des aimants plus épais, élargissant ainsi la gamme d'applications de la technologie GBD.
En conclusion, les derniers développements de la technologie GBD avec Ce représentent une avancée significative pour surmonter les limitations des aimants Nd-Fe-B traditionnels. En tirant parti des propriétés uniques du Ce et en optimisant le processus GBD, les chercheurs ouvrent la voie à l'adoption généralisée d'aimants permanents performants et rentables dans diverses industries, stimulant l'innovation et la durabilité au 21ème siècle.
