L'histoire des aimants permanents aux terres rares pour moteurs

Éléments de terres rares (aimants permanents de terres rares) sont 17 éléments métalliques au milieu du tableau périodique (numéros atomiques 21, 39 et 57-71) qui ont des propriétés fluorescentes, conductrices et magnétiques inhabituelles qui les rendent incompatibles avec des métaux plus courants tels que le fer) est très utile lorsque alliés ou mélangés en petites quantités. Géologiquement parlant, les terres rares ne sont pas particulièrement rares. Des gisements de ces métaux se trouvent dans de nombreuses régions du monde, et certains éléments sont présents à peu près dans la même quantité que le cuivre ou l'étain. Cependant, les éléments de terres rares n'ont jamais été trouvés à des concentrations très élevées et sont souvent mélangés entre eux ou avec des éléments radioactifs comme l'uranium. Les propriétés chimiques des éléments de terres rares les rendent difficiles à séparer des matériaux environnants, et ces propriétés les rendent également difficiles à purifier. Les méthodes de production actuelles nécessitent de grandes quantités de minerai et génèrent de grandes quantités de déchets dangereux pour extraire seulement de petites quantités de métaux de terres rares, avec des déchets provenant des méthodes de traitement, notamment de l'eau radioactive, du fluor toxique et des acides.

Les premiers aimants permanents découverts étaient des minéraux qui fournissaient un champ magnétique stable. Jusqu'au début du XIXe siècle, les aimants étaient fragiles, instables et fabriqués en acier au carbone. En 1917, le Japon a découvert l'acier magnétique au cobalt, qui a apporté des améliorations. Les performances des aimants permanents n'ont cessé de s'améliorer depuis leur découverte. Pour l'Alnicos (alliages Al/Ni/Co) dans les années 1930, cette évolution s'est manifestée par le nombre maximal de produit énergétique augmenté (BH)max, ce qui améliorait grandement le facteur de qualité des aimants permanents, et pour un volume d'aimants donné, le la densité d'énergie maximale pourrait être convertie en puissance pouvant être utilisée dans des machines utilisant des aimants.

Le premier aimant en ferrite a été découvert par hasard en 1950 dans le laboratoire de physique de Philips Industrial Research aux Pays-Bas. Un assistant l'a synthétisé par erreur - il était censé préparer un autre échantillon à étudier en tant que matériau semi-conducteur. Il a été découvert qu'il était en fait magnétique, il a donc été transmis à l'équipe de recherche magnétique. En raison de ses bonnes performances en tant qu'aimant et de son coût de production inférieur. En tant que tel, il s'agissait d'un produit développé par Philips qui a marqué le début d'une augmentation rapide de l'utilisation des aimants permanents.

Dans les années 1960, les premiers aimants aux terres rares(aimants permanents de terres rares)étaient fabriqués à partir d'alliages de l'élément lanthanide, l'yttrium. Ce sont les aimants permanents les plus puissants avec une magnétisation à saturation élevée et une bonne résistance à la démagnétisation. Bien qu'ils soient coûteux, fragiles et inefficaces à haute température, ils commencent à dominer le marché à mesure que leurs applications deviennent plus pertinentes. La possession d'ordinateurs personnels s'est généralisée dans les années 1980, ce qui a entraîné une forte demande d'aimants permanents pour les disques durs.

Des alliages tels que le samarium-cobalt ont été développés au milieu des années 1960 avec la première génération de métaux de transition et de terres rares, et à la fin des années 1970, le prix du cobalt a fortement augmenté en raison de l'instabilité des approvisionnements au Congo. À cette époque, les aimants permanents samarium-cobalt (BH)max les plus élevés étaient les plus élevés et la communauté des chercheurs a dû remplacer ces aimants. Quelques années plus tard, en 1984, le développement d'aimants permanents à base de Nd-Fe-B a été proposé pour la première fois par Sagawa et al. Utilisation de la technologie de la métallurgie des poudres chez Sumitomo Special Metals, en utilisant le procédé de filage par fusion de General Motors. Comme le montre la figure ci-dessous, (BH)max s'est amélioré sur près d'un siècle, commençant à ≈1 MGOe pour l'acier et atteignant environ 56 MGOe pour les aimants NdFeB au cours des 20 dernières années.

La durabilité des processus industriels est récemment devenue une priorité, et les éléments de terres rares, qui ont été reconnus par les pays comme des matières premières clés en raison de leur risque d'approvisionnement élevé et de leur importance économique, ont ouvert des domaines de recherche sur de nouveaux aimants permanents sans terres rares. Une direction de recherche possible consiste à revenir sur les premiers aimants permanents développés, les aimants en ferrite, et à les étudier plus avant en utilisant tous les nouveaux outils et méthodes disponibles au cours des dernières décennies. Plusieurs organisations travaillent actuellement sur de nouveaux projets de recherche qui espèrent remplacer les aimants aux terres rares par des alternatives plus vertes et plus efficaces.