Nanocomposites magnétique de type doux-dans-dur – SHAMAN

Les propriétés d’un aimant sont caractérisées par le produit énergétique, représentant le travail qu’il peut fournir. Le produit énergétique a doublé tous les 12 ans pendant le siècle dernier, grâce à la découverte de nouvelles phases magnétiques ¬¬¬¬de meilleures propriétés intrinsèques et au contrôle de microstructures optimisées, obtenues par des processus métallurgiques complexes. La découverte des aimants terres rares – métaux de transition a révolutionné la conception de machines électriques et les aimants Néodyme-Fer-Bore ont acquis une importance cruciale pour des chaines de valeur stratégiques, telle la génération d’énergie électrique (éoliennes, hydroliennes), le transport (voitures électrique et hybride) ou l’électronique (ordinateur, téléphone portable).
Le produit énergétique n’a pratiquement plus évolué durant les 20 dernières années. Aucune phase magnétique n’a été découverte de propriétés supérieures à celle du composé Nd2Fe14B, et le produit énergétique atteint avec les aimants NdFeB est proche de sa valeur limite théorique. Une approche élégante pour augmenter le produit énergétique est de produire un matériau nanocomposite, combinant une phase magnétique dure couplée par échange à une phase douce de haute aimantation. Ce phénomène a été découvert par Coehoorn et son concept formalisé par Kneller et Hawig. Skomski et Coey ont montré que la taille caractéristique de la phase douce devait être de l’ordre de l’épaisseur des parois magnétiques de la phase dure (quelques nanomètres) et ils ont suggéré la possibilité d’atteindre un produit énergétique de 1 MJ/m3 dans un tel matériau optimisé.
Les efforts pour produire des nanocomposites doux/durs ont porté à ce jour sur des procédés métallurgiques appliqués à des matériaux massifs, des approches chimiques et la synthèse de films minces. Dans presque tous les cas, les produits énergétiques atteints étaient inférieurs à ceux des aimants monophasés. Les propriétés, inférieures à celles escomptées, doivent être attribuées à la difficulté à combiner (1) une taille de grains de phase douce suffisamment faible et de distribution étroite (paramètre déterminant la coercitivité), (2) une texturisation de la phase dure et (3) un matériau dense (paramètres (2) et (3) déterminant l’aimantation rémanente et le forme des cycles). De plus, un travail théorique de Skomski a montré qu’une nanostructure de grains doux dans une matrice dure conduirait à une coercivité supérieure à celle obtenue pour des grains durs dans une matrice douce.
L’objectif de SHAMAN est d’évaluer le vrai potentiel des matériaux nanocomposites pour le développement d’une famille d’aimants dont les propriétés surpasseraient celles des aimants actuels à haute performance. Le projet :
- utilisera les outils modernes de la nanoscience (dépôt de clusters de basse énergie, lithographie électronique) pour produire des matériaux en couches, modèles d’aimants fondés sur des matériaux nanocomposites durs/doux.
- exploitera des outils de caractérisation uniques à l’échelle du laboratoire ou de grands équipements (dichroïsme circulaire des rayons X), pour démontrer le lien fondamental entre processus d’élaboration et propriétés magnétiques fonctionnelles.
- développera la modélisation pour guider la recherche et évaluer les résultats obtenus.
Des aimants nanocomposites de très hautes performances permettraient de réduire significativement la teneur en terres rares des aimants à hautes performances. C’est un aspect important en raison de la crise causée par les inquiétudes sur l’approvisionnement et le prix des éléments de terres rares.
La démonstration du potentiel offert par les aimants nanocomposites guiderait le développement de procédés d’élaboration d’aimants fondés sur l’utilisation de tels matériaux. Une retombée de ces recherches serait l’utilisation possible des films magnétiques au sein de micro/nanosystèmes qui réclament des matériaux magnétiques durs de grand produit énergétique.