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Auteur(s)
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Jacques DEGAUQUE : Professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse (INSA) Laboratoire de physique de la matière condensée (UMR-CNRS)
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Le sixième du marché des matériaux magnétiques est propre à celui des aimants permanents ; il se développe actuellement à un rythme de 10 % par an. L’ensemble des matériaux pour aimants permanents se répartit en trois familles principales : les métalliques alnico, les céramiques en ferrites durs, les intermétalliques à base de terres rares, auxquels se joignent de faibles quantités d’alliages métalliques (moins de 1 %), tel le coûteux platine-cobalt.
En règle générale, un aimant fait partie intégrante d’un système. Il en résulte que doivent être considérées simultanément des contraintes d’ordres mécanique et magnétique. Selon l’application, une gamme de matériaux sera mieux adaptée qu’une autre, par exemple, selon le volume et la forme de l’espace disponible pour l’aimant (un espace allongé autorise les alnico, un espace plan requiert les ferrites durs ou les alliages à base de terres rares, un volume réduit impose les alliages à base de terres rares). Puis, en fonction des autres conditions susceptibles d’être rencontrées en fonctionnement — champs magnétiques adverses, chocs, températures extrêmes, irradiations, corrosions —, ce choix s’affinera ou se fixera sur une des autres familles avec, bien sûr, une nouvelle conception de l’espace autorisé. Mais il ne faudra pas non plus oublier les contraintes de mise en forme (usinage généralement difficile), de prix, de disponibilité, etc.
Le présent article a pour objectif de présenter les caractéristiques principales, les procédés de fabrication et les causes de durcissement magnétique des matériaux pour aimants permanents appartenant aux trois familles citées ci-dessus. Il devrait ainsi aider les utilisateurs d’aimants permanents à choisir et à exploiter au mieux les matériaux nécessaires à leurs applications.
Cet exposé fait partie d’un ensemble de trois articles :
[M 4 600] Matériaux à propriétés magnétiques dures : notions de base ;
[M 4 601] Matériaux à propriétés magnétiques dures : matériaux industriels ;
Matériaux à propriétés magnétiques dures spécifiques et en devenir ;
auxquels est associé un fascicule de documentation :
Matériaux à propriétés magnétiques dures. « Pour en savoir plus ».
Pour les notations et symboles se reporter à l’article [M 4 600] Matériaux à propriétés magnétiques dures : notions de base.
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3. Matériaux céramiques ou ferrites durs
3.1 Généralités
Il existe deux sortes de ferrites magnétiques : les ferrites doux et les ferrites durs :
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les premiers, dotés d’un champ coercitif faible, sont utilisés principalement dans des applications électroniques, notamment aux fréquences élevées (cf. dans le traité Électronique, article ) ;
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les seconds sont utilisés pour la réalisation d’aimants céramiques. Initialement, ces matériaux furent étudiés dans les années 1950 par les laboratoires Philips à Eindhoven [27] dont les travaux se basaient sur la théorie de Stoner-Wohlfarth des grains fins monodomaines [1], selon laquelle la coercitivité est proportionnelle à l’anisotropie (cf. article [M 4 600], § 4.1). Ils furent commercialisés par la société Philips sous la forme d’aimants denses obtenus par frittage, d’abord dans la nuance isotrope (1952), puis dans la nuance anisotrope (1954).
Parmi les familles d’aimants permanents, les ferrites durs fournissent l’énergie magnétique la plus économique, ce qui explique leur emploi très répandu. Ils représentent aujourd’hui autour de 60 % de la production totale des aimants industriels, en dépit de spécifications magnétiques relativement modestes mais compensées par un prix de revient peu élevé (matières premières ni rares ni stratégiques). Leurs débouchés devraient continuer à croître à un rythme soutenu, voisin de 4 à 5 % par an en moyenne. En plus de la forme dense frittée, ils sont également disponibles sous forme d’aimants liés (plastoferrites) isotropes ou orientés.
Découvert en 1930, le ferrite de plomb ou « magnétoplombite » PbFe12O19 , de structure hexagonale, existe à l’état naturel. Les principaux ferrites magnétiquement durs sont obtenus en remplaçant le plomb soit par du baryum, soit par du strontium. Il s’agit principalement des composés M dont la formule chimique de...
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