Nitrures de fer : des aimants puissants sans les éléments de terres rares

Depuis leur apparition relativement récente sur la scène commerciale, les aimants de 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 sauts technologiques qui n’étaient pas possibles avant leur apparition, comme les moteurs de vibration des téléphones cellulaires ou les minuscules haut-parleurs des écouteurs et des appareils auditifs. Et c’est sans parler des moteurs des véhicules électriques et des générateurs des éoliennes, ainsi que d’innombrables utilisations médicales, militaires et scientifiques.

Ces progrès ont cependant un coût, car les éléments de terres rares nécessaires à leur fabrication deviennent de plus en plus difficiles à trouver. Ce n’est pas que les éléments des 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 entreprise délicate à une époque de sensibilité accrue aux considérations environnementales.

Heureusement, il y a plus d’une façon de fabriquer un aimant, et il pourrait bientôt être possible de construire des aimants permanents aussi solides que les aimants en néodyme, mais sans métaux de terres rares. En fait, la seule chose nécessaire pour les fabriquer est le fer et l’azote, ainsi qu’une compréhension de la structure cristalline et une certaine ingéniosité technique.

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 à comprendre comment fonctionnent les aimants de terres rares et leurs alternatives.

Nous avons déjà exploré les bases du magnétisme, mais pour résumer, toute particule chargée, comme un électron, a 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 mutuellement parce que chaque paire d’électrons a des moments qui pointent dans des directions opposées. Mais dans les atomes avec des électrons non appariés dans leurs couches 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 zones spécifiques du tableau périodique: les métaux du bloc d comme le cobalt, le nickel et le fer, et les actinides du bloc f lanthanides, qui comprennent les métaux des terres rares comme le samarium, le néodyme et le praséodyme.

Il y a plus à un aimant que d’où viennent ses ingrédients sur le tableau périodique, cependant. 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’organiser de manière à ce que leurs moments magnétiques pointent tous dans la même direction. C’est ce qu’on appelle avoir une anisotropie magnétique élevée, et c’est l’une des caractéristiques des aimants puissants. Les métaux des 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 en eux-mêmes font en fait des aimants assez pauvres, 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 pure de néodyme ne serait pas du tout un aimant. En fait, il faudrait le refroidir 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 magnétique de terres rares le plus courant, une combinaison de fer, de néodyme et de bore, a une température de Curie comprise entre 300 et 400 ° C, en fonction du mélange exact d’éléments.

Aller plus loin dans le terrier du magnétisme nécessite de se familiariser avec les concepts de cristallographie. C’est un sujet diaboliquement compliqué, avec une nomenclature et une terminologie qui sont déroutantes parce qu’il semble que ce soit la même chose que la notation de formule chimique standard, 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 la fabrication d’un aimant puissant sans aucune terre rare est possible, nécessiterait une plongée plus profonde dans la cristallographie que nous avons de la place 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 m’a aidé à comprendre ces sujets difficiles.

La structure cristalline d’une substance dépend de la façon dont ses atomes s’agrègent dans des arrangements ordonnés. Le bloc de construction des cristaux est appelé la cellule unitaire, qui est la plus petite unité répétitive possible du cristal. Pour les aimants en néodyme, la formule de la cellule unitaire est Nd2Fe14B. C’est déroutant quand on regarde les schémas de la structure cristalline, qui montrent beaucoup 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 tétragonal simple (ST), ce qui semble être une pyramide, mais est en fait un cube qui a été étiré le long d’un axe. Cette asymétrie axiale donne à chaque cristal un degré élevé d’anisotropie magnétique, ce qui explique en partie pourquoi les aimants en néodyme sont si forts. 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 rend le moment magnétique global plus fort.

Donc, avec tout cela à l’esprit, comment l’ajout d’azote au fer peut-il fabriquer des aimants qui ont des propriétés comparables aux aimants de terres rares? Encore une fois, cela a en partie à voir avec la structure cristalline, et en partie à voir avec 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 est au centre mort, soit cubique centré sur la face (FCC), avec un atome à chaque coin et un au centre de chaque face. Mais lorsque l’azote est allié au fer, la structure cellulaire unitaire cubique est déformée dans ce que l’on appelle une structure tétragonale centrée sur le corps (BCT). Ce qui se passe, c’est que les atomes d’azote sont incorporés 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 au gaz 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 α »-Fe16N2, plus complexe, 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 les disques durs et autres supports d’enregistrement magnétiques.

Cet alliage s’est révélé prometteur en magnétisme, mais s’est avéré assez difficile à travailler pour que les résultats ne soient pas facilement reproductibles, de sorte que l’intérêt pour α »-Fe16N2 a diminué jusqu’à la fin des années 2000, lorsque des méthodes de production de films 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.

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 le nitrure de fer magnétique. Une grande partie des progrès récents dans les aimants permanents au 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 de synthèse de matériaux α »-Fe16N2 en vrac y ont été développées, dont certaines sont prometteuses dans l’environnement industriel.

Les premières méthodes de fabrication de α »-Fe16N2 nécessitaient un processus à haute température avec trempe rapide de l’échantillon nitruré, ce qui ne se prête pas à une mise à l’échelle de la 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 fort champ électrique et claqués dans un substrat cible, est courante dans la fabrication de semi-conducteurs, où elle est utilisée pour doper les plaquettes de silicium. Pour fabriquer des aimants au nitrure de fer, des feuilles de fer pur de 500 nm d’épaisseur sont montées sur un substrat de silicium et bombardées d’ions 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 piège l’azote à l’intérieur de la structure cristalline de la feuille, produisant la distorsion nécessaire. Les feuilles de α »-Fe16N2 ainsi fabriquées montrent 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 de l’ammoniac gazeux pour obtenir l’azote dans la structure cristalline. Alternativement, l’oxyde de fer peut être mélangé avec du nitrate d’ammonium dans un broyeur à boulets planétaire; Après quelques jours de broyage à 600 tr/min, les billes d’acier inoxydable décomposent le nitrate d’ammonium en azote élémentaire, qui diffuse dans les nanoparticules de fer. Le α »-Fe16N2 résultant est ensuite séparé par un aimant et peut être formé en formes solides. Cette méthode semble pouvoir facilement évoluer jusqu’à un processus industriel.

La nitruration à haute température de feuilles et de fils de fer est également possible. Cette méthode utilise des rubans d’un alliage fer-cuivre-bore et l’expose à une atmosphère d’ammoniac et d’hydrogène à 550°C pendant 28 heures, suivie 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 à partir de l’urée diffuse dans le fer, et le mélange passe par un traitement thermique et des étapes de trempe avant d’être martelé à plat et coupé en bandes. Les bandes sont placées dans un dispositif de contrainte et étirées lors d’une étape de recuit, qui sert à allonger la structure cristalline et à piéger l’azote diffus.

Les aimants permanents puissants ne sont pas la seule chose pour laquelle les nitrures de fer pourraient être bons. Les magnétismes mous, qui sont des matériaux avec une coercivité plus faible et sont bons pour des choses comme les cœurs de transformateurs et d’inductances, ou pour les têtes de lecture-écriture de supports magnétiques, peuvent également être possibles en dopage 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 aimantation à saturation élevée.

Il y a beaucoup de promesses pour les aimants dits « terre propre » – 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 cette technologie va et attendons avec impatience de puissants aimants fabriqués avec rien d’autre que de la rouille et de l’engrais.