MANGET SENZ - Fabricant mondial de matériaux des aimants permanents & Fournisseur sur 20 ans.
Quels sont les progrès de la recherche sur les matériaux magnétiques permanents non issus de terres rares (tels que les composés fer-azote) ? Pourront-ils remplacer les aimants en néodyme à l'avenir ?
1. Introduction
Les aimants permanents à base de terres rares, notamment les aimants NdFeB, dominent le marché des aimants haute performance grâce à leur produit énergétique magnétique (BH)ₘₐₓ inégalé, pouvant dépasser 50 MGOe. Cependant, l'extraction et le traitement des terres rares entraînent des coûts environnementaux importants, et les tensions géopolitiques ont entraîné des perturbations dans la chaîne d'approvisionnement. Ces défis ont motivé l'exploration de matériaux magnétiques permanents autres que les terres rares, offrant des performances comparables, voire supérieures.
Les composés fer-azote ont suscité un intérêt considérable car l'azote est abondant, peu coûteux et peut améliorer considérablement les propriétés magnétiques des alliages à base de fer. Les deux composés Fe-N les plus étudiés sont l'α"-Fe₁₆N₂ et le Sm₂Fe₁₇Nₓ, chacun présentant des avantages et des défis spécifiques.
2. Progrès de la recherche sur les composés fer-azote
2.1 α"-Fe₁₆N₂ : le champion théorique
2.1.1 Propriétés magnétiques et potentiel théorique
L'α"-Fe₁₆N₂ est une phase métastable du nitrure de fer qui se forme dans des conditions spécifiques. Des études théoriques suggèrent qu'elle possède une magnétisation à saturation (Mₛ) extraordinairement élevée, d'environ 280 µm/g, et une grande énergie d'anisotropie magnétocristalline (K₁), ce qui pourrait conduire à un (BH)ₘₐₓ supérieur à 100 MGOe, soit près du double de celui des aimants NdFeB. Cela fait de l'α"-Fe₁₆N₂ un candidat très intéressant pour les applications d'aimants hautes performances.
2.1.2 Défis de synthèse
Malgré ses promesses théoriques, la synthèse de l'α"-Fe₁₆N₂ s'est révélée extrêmement complexe. Ce composé est métastable et se décompose facilement à des températures supérieures à 200–250 °C. De plus, il est crucial d'atteindre une stœchiométrie précise (Fe:N ≈ 16:2), car tout écart entraîne la formation de phases moins recherchées comme γ'-Fe₄N ou ε-Fe₃N. Diverses méthodes de synthèse ont été explorées, notamment :
- Nitruration en phase gazeuse : implique l'exposition de films ou de poudres de fer à des gaz contenant de l'azote (par exemple, des mélanges NH₃, N₂/H₂) à des températures et pressions contrôlées. Cependant, obtenir une nitruration uniforme et prévenir la décomposition des phases reste difficile.
- Alliage mécanique : Le broyage à billes à haute énergie de composés contenant du fer et de l'azote (par exemple, Fe et NaN₃) peut produire du α"-Fe₁₆N₂ nanocristallin, mais le processus prend du temps et est sujet à la contamination.
- Implantation ionique : les ions azote sont implantés dans des substrats de fer, suivis d'un recuit pour former α"-Fe₁₆N₂. Cette méthode offre un contrôle précis de la concentration en azote mais est limitée aux films minces et à la production à petite échelle.
2.1.3 Avancées récentes
En 2023, une entreprise américaine a affirmé avoir produit des aimants α"-Fe₁₆N₂ avec un (BH)ₘₐₓ de 40 MGOe, démontrant ainsi leur potentiel dans les applications moteurs. Cependant, ces aimants auraient une stabilité thermique inférieure à celle des aimants NdFeB, limitant leur utilisation dans les environnements à haute température. Les chercheurs se concentrent désormais sur la stabilisation de l'α"-Fe₁₆N₂ par dopage avec d'autres éléments (par exemple, Ti, V) ou par encapsulation dans des revêtements protecteurs pour améliorer sa stabilité thermique et chimique.
2.2 Sm₂Fe₁₇Nₓ : le concurrent pratique
2.2.1 Structure cristalline et propriétés magnétiques
Sm₂Fe₁₇Nₓ appartient à la structure rhomboédrique de type Th₂Zn₁₇, où les atomes d'azote occupent des sites interstitiels dans le réseau Sm₂Fe₁₇. La nitruration améliore significativement les propriétés magnétiques de Sm₂Fe₁₇ :
- Augmentation de l'aimantation de saturation (Mₛ) due au transfert de densité de spin électronique de l'azote au fer.
- Augmentation de la température de Curie (Tₐ) de ~390°C (Sm₂Fe₁₇) à ~800°C (Sm₂Fe₁₇Nₓ), améliorant la stabilité thermique.
- Amélioration de la coercivité (Hₐ) par l'épinglage des parois de domaine par des distorsions de réseau induites par l'azote.
Les aimants Sm₂Fe₁₇Nₓ disponibles dans le commerce ont généralement un (BH)ₘₐₓ de 30 à 40 MGOe, ce qui est inférieur à celui du NdFeB mais toujours adapté à de nombreuses applications, notamment les moteurs de véhicules électriques, les entraînements industriels et les haut-parleurs audio.
2.2.2 Progrès de l'industrialisation
La Chine a pris la tête de l'industrialisation des aimants Sm₂Fe₁₇Nₓ, grâce à des entreprises comme Ningxia Junci New Materials Technology Co., Ltd. (Junci Magvalley) qui ont réalisé des avancées majeures dans la production à grande échelle. Junci Magvalley a développé un procédé exclusif de métallurgie des poudres pour la fabrication de poudres magnétiques Sm₂Fe₁₇Nₓ hautes performances, avec une capacité de production annuelle supérieure à 100 tonnes. L'entreprise a également collaboré avec des fabricants en aval pour développer des moteurs à base de Sm₂Fe₁₇Nₓ destinés aux véhicules à énergies nouvelles et à l'automatisation industrielle.
Au Japon, Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. et Nichia Chemical Industries Co., Ltd. ont également industrialisé la production de Sm₂Fe₁₇Nₓ par des procédés de réduction-diffusion. Ces entreprises ont obtenu une grande régularité de production et fournissent des aimants Sm₂Fe₁₇Nₓ aux constructeurs automobiles et électroniques.
2.2.3 Optimisation des performances
Pour concurrencer les aimants NdFeB, les chercheurs se concentrent sur l'amélioration du (BH)ₘₐₓ de Sm₂Fe₁₇Nₓ grâce à :
- Diffusion aux joints de grains (DGB) : revêtement de particules de Sm₂Fe₁₇Nₓ par des terres rares lourdes (par exemple, Dy, Tb) pour améliorer la coercivité sans réduire significativement la rémanence. Cette approche, appliquée avec succès aux aimants NdFeB, est actuellement adaptée au Sm₂Fe₁₇Nₓ.
- Nanostructuration : La réduction de la taille des grains de Sm₂Fe₁₇Nₓ à l'échelle nanométrique peut supprimer le mouvement des parois de domaine et augmenter la coercivité. Cependant, obtenir une nanostructuration uniforme sans introduire de défauts reste un défi.
- Conception composite : L'association de Sm₂Fe₁₇Nₓ avec d'autres matériaux magnétiques (par exemple, oxydes de fer, ferrites) pour former des aimants hybrides permet d'équilibrer coût et performances. Par exemple, un moteur conçu par l'Université du Jiangsu a utilisé une combinaison d'aimants NdFeB et ferrite pour réduire de 50 % la teneur en terres rares tout en conservant 91,6 % du couple de sortie initial.
3. Comparaison avec les aimants NdFeB
3.1 Indicateurs de performance
| Métrique | Aimants NdFeB | α"-Fe₁₆N₂ (théorique) | α"-Fe₁₆N₂ (expérimental) | Sm₂Fe₁₇Nₓ |
|---|---|---|---|---|
| (BH)ₘₐₓ (MGOe) | 50–60 | >100 | 40 | 30–40 |
| Mₛ (émeu/g) | 130–140 | 280 | ~200 | 120–130 |
| Hₐ (kOe) | 10–30 | Élevé (théorique) | Faible (expérimental) | 10–20 |
| Tₐ (°C) | 310–400 | Faible (<250) | Faible (<250) | 700–800 |
| Résistance à la corrosion | Pauvre | Modéré | Modéré | Bien |
3.2 Considérations relatives aux coûts et aux ressources
- Dépendance aux terres rares : Les aimants NdFeB utilisent du néodyme (Nd) et du praséodyme (Pr), classés comme matières premières critiques par l'Union européenne en raison des risques d'approvisionnement. En revanche, le Sm₂Fe₁₇Nₓ utilise du samarium (Sm), plus abondant que le Nd, et l'α"-Fe₁₆N₂ est entièrement exempt de terres rares.
- Coût des matières premières : Le coût des aimants NdFeB est fortement influencé par le prix des terres rares, qui peut fluctuer considérablement. Les aimants Sm₂Fe₁₇Nₓ devraient être 20 à 30 % moins chers que les aimants NdFeB à grande échelle, tandis que les aimants α"-Fe₁₆N₂ pourraient être encore moins chers si les défis de la production de masse sont surmontés.
- Potentiel de recyclage : Les aimants NdFeB bénéficient d'une infrastructure de recyclage bien établie, avec des taux de recyclage dépassant 90 % dans certaines régions. Le potentiel de recyclage des aimants Sm₂Fe₁₇Nₓ et α"-Fe₁₆N₂ est encore à l'étude, mais leurs compositions plus simples pourraient faciliter le recyclage.
4. Perspectives d'avenir et défis
4.1 Défis techniques
- α"-Fe₁₆N₂ : Le principal défi est de stabiliser la phase métastable à des températures élevées. Les chercheurs explorent le dopage, le revêtement et l'ingénierie microstructurale pour améliorer la stabilité thermique. De plus, l'intensification de la synthèse à des niveaux industriels tout en maintenant la pureté de la phase reste un obstacle.
- Sm₂Fe₁₇Nₓ : Bien que l'industrialisation ait été réalisée, de nouvelles améliorations du (BH)ₘₐₓ sont nécessaires pour concurrencer les aimants NdFeB de haute qualité. Cela nécessite des progrès dans l'ingénierie des joints de grains, la nanostructuration et la conception des composites.
4.2 Adoption par le marché
- Industrie automobile : Les constructeurs de véhicules électriques sont contraints de réduire leurs coûts et leur dépendance aux terres rares. Les aimants Sm₂Fe₁₇Nₓ sont déjà évalués pour une utilisation dans les moteurs de traction, où leur température de Curie élevée et leur bonne résistance à la corrosion sont avantageuses. Les aimants α"-Fe₁₆N₂ pourraient trouver des applications de niche dans les environnements à basse température, comme les capteurs automobiles.
- Électronique grand public : La tendance à la miniaturisation de l'électronique exige des aimants à haute densité d'énergie magnétique. Si les aimants NdFeB dominent actuellement ce marché, les aimants Sm₂Fe₁₇Nₓ et α"-Fe₁₆N₂ pourraient gagner du terrain s'ils atteignent, voire dépassent, les performances du NdFeB à moindre coût.
- Énergies renouvelables : Les éoliennes et autres systèmes d'énergie renouvelable nécessitent des aimants capables de résister à des conditions environnementales difficiles. L'excellente stabilité thermique et chimique du Sm₂Fe₁₇Nₓ en fait un candidat de choix pour ces applications.
4.3 Facteurs politiques et environnementaux
- Soutien réglementaire : Les gouvernements du monde entier encouragent le développement d'aimants non composés de terres rares par le biais de financements de la recherche et d'incitations fiscales. Par exemple, l'Institut des matériaux critiques du Département de l'Énergie des États-Unis a donné la priorité à la recherche sur les composés Fe-N.
- Impact environnemental : La production d'aimants NdFeB génère d'importants déchets et nécessite des produits chimiques toxiques pour son traitement. En revanche, les composés Fe-N peuvent être synthétisés par des méthodes plus écologiques, réduisant ainsi leur empreinte environnementale.
5. Conclusion
Les matériaux magnétiques permanents non issus de terres rares, notamment les composés fer-azote comme l'α"-Fe₁₆N₂ et le Sm₂Fe₁₇Nₓ, représentent une alternative prometteuse aux aimants NdFeB. Si l'α"-Fe₁₆N₂ offre des avantages théoriques en termes de performances, son application pratique est entravée par des problèmes de synthèse et de stabilité. Le Sm₂Fe₁₇Nₓ, quant à lui, a déjà atteint l'industrialisation et est activement adopté dans divers secteurs.
À court et moyen terme, les aimants Sm₂Fe₁₇Nₓ sont susceptibles de gagner des parts de marché dans les applications où le coût et la stabilité thermique sont prioritaires sur les performances magnétiques maximales. Les aimants α"-Fe₁₆N₂ peuvent trouver des utilisations de niche dans les environnements à basse température une fois leurs défis de production surmontés.
À long terme, le remplacement des aimants NdFeB dépendra de la poursuite des recherches sur la stabilisation des matériaux, l'optimisation des performances et la réduction des coûts. Grâce à des investissements et à des innovations soutenus, les matériaux magnétiques permanents non issus de terres rares ont le potentiel de révolutionner les industries dépendantes des aimants haute performance, réduisant ainsi leur dépendance aux terres rares et favorisant un avenir plus durable.
