• Aimants élémentaires
• Aluminium-nickel-cobalt

Aimants Samarium Cobalt

L'abréviation SmCo désigne un alliage de samarium et de cobalt. L'élément argent samarium a été découvert par le minéralogiste allemand Heinrich Rose, qui l'a à son tour nommé d'après l'ingénieur minier russe Wassili Samarski-Bykhovets. Le métal est l'une des terres rares et à ce jour n'est extrait qu'en Chine.

Le cobalt appartient à la catégorie des éléments de métaux de transition, plus précisément c'est un métal de transition ferromagnétique avec une température de Curie de 1150° C. Le métal lourd gris acier, extrêmement résistant, convient comme bon conducteur de chaleur et d'électricité.

Les aimants jouent un rôle indispensable dans de nombreux secteurs de l'économie. Cela s'applique à la fois au magnétisme causé par le courant électrique dans les électro-aimants et au magnétisme permanent dans les aimants permanents. Les matières premières importantes pour la production d'aimants permanents sont entre autres les alliages de samarium-cobalt: les alliages SmCo5 sans teneur en fer, développés en 1966, et l'alliage Sm2Co17, développé en 1972 avec une teneur en fer d'environ 20 à 25 % de fer, sont utilisés. Dans ce but. Jusque dans les années 1970, l'alliage samarium-cobalt était le matériau ayant la densité d'énergie magnétique la plus élevée connue.

Notions de base du magnétisme

En général, les champs magnétiques sont induits par le mouvement de particules chargées électriquement. Par conséquent, chaque fois que du courant circule dans un conducteur électrique (métaux tels que le cuivre, l'aluminium et autres), un champ magnétique. Mais aussi les particules chargées électriquement en rotation (particules avec spin), telles que les électrons, génèrent un moment magnétique et représentent donc un petit aimant. Puisque tous les électrons ont ce qu'on appelle un spin, on peut supposer que toute matière à certaines propriétés magnétiques. Dans la plupart des cas, cependant, les moments magnétiques s'annulent de sorte que le matériau apparaît non magnétique à l'extérieur. Cependant, lorsqu'elles sont exposées à un champ magnétique externe, les propriétés magnétiques de toute substance sont modifiées. Selon le comportement sous l'influence d'un fort champ magnétique externe, on distingue les matériaux diamagnétiques, paramagnétiques, ferromagnétiques, antiferromagnétiques et ferrimagnétiques. En principe, toutes les substances sont initialement diamagnétiques, car elles contiennent toutes des électrons appariés avec des spins opposés sans exception. Lorsqu'il est exposé à un champ magnétique externe, un faible champ opposé se forme dans le matériau, ce qui le pousse hors du champ externe. Cependant, l'effet est si faible qu'il n'est généralement même pas remarqué. Si des électrons non appariés sont également présents, ils sont alignés par un champ magnétique externe, ce qui entraîne généralement une magnétisation instable (paramagnétisme) qui tire doucement le matériau dans le champ magnétique. Après avoir supprimé ou désactivé le champ magnétique externe, le champ magnétique généré s'effondre à nouveau. Même le paramagnétisme est généralement si faible qu'il ne peut pas être observé du tout sans aides techniques. Cependant, lorsque le même alignement de spin d'électrons non appariés peut être stabilisé, on parle de ferromagnétisme. Ces matériaux sont alors adaptés à la réalisation d'aimants permanents.

Aimants permanents

La base de la production d'aimants permanents est constituée de matériaux aux propriétés ferromagnétiques. Ce sont des substances qui ont des électrons non appariés avec des spins parallèles dans leurs atomes pour des raisons de mécanique quantique et peuvent donc former leur propre champ magnétique. Sous l'effet d'un champ magnétique externe, les zones de même spin électronique s'alignent et génèrent ainsi un champ magnétique permanente. Ces matériaux comprennent les métaux fer, cobalt, nickel, certains lanthanides et certains alliages tels que le samarium-cobalt, AlNiCo, néodyme ou ferrite.

Les propriétés des matériaux ferromagnétiques

Les matériaux ferromagnétiques contiennent des soi-disant aimants élémentaires, qui sont générés par des électrons redressés non appariés avec des spins parallèles. Un champ magnétique externe ne fait qu'aligner ces aimants élémentaires et magnétise ainsi le matériau, son intensité de champ magnétique étant indépendante du champ externe. Lors de l'aimantation des matériaux ferromagnétiques, des processus complexes de physique quantique provoquent des interactions dites d'échange entre les électrons alignés, qui stabilisent l'alignement et créent ainsi un champ magnétique stable. Dans le processus, l'énergie magnétique est fournie au matériau, dont la taille est indiquée par produit énergétique. Cependant, les matériaux magnétiques doux perdent leur magnétisation immédiatement après la suppression du champ magnétique externe. Dans le cas des matériaux ferromagnétiques, une aimantation résiduelle (Rémanence) subsiste. La force de la rémanence détermine maintenant la stabilité du champ magnétique généré. Avec certains matériaux, il peut être si grand qu'il crée un aimant permanent avec un champ magnétique puissant. Le champ magnétique ne peut donc être réduit que par chauffage (Température de Curie) ou traitement mécanique du matériau et en appliquant un fort champ extérieur opposé (champ coercitif). Le défi dans le développement d'aimants permanents est de trouver des matériaux capables de créer un champ magnétique puissant capable de résister à des températures élevées, à de fortes contraintes mécaniques et à de puissants champs magnétiques externes. Les alliages de SmCo, néodyme, ferrite et AlNiCo ont particulièrement bien fait leurs preuves dans ce cas.

Les propriétés des alliages de samarium et de cobalt

Les deux alliages peuvent développer une densité d'énergie magnétique très élevée, pouvant atteindre 130 à 200 kJ/m3 pour SmCo5 et 160 à 260 kJ/m3 pour Sm2Co17. Leur produit énergétique est donc très élevé. De plus, son champ magnétique est extrêmement stable et insensible aux influences extérieures. Les alliages samarium-cobalt sont difficiles à démagnétiser. La température de Curie est de 450 degrés. Au-dessus de cette température, l'aimantation disparaît. L'aimant peut être utilisé jusqu'à environ 350 degrés sans aucune perte de champ magnétique. Le coefficient de température de la densité de flux restante est très faible, allant de 0,03 à 0,04 % par degré Celsius. Cela signifie que le champ magnétique ne diminue que légèrement par degré d'augmentation de la température. De plus, la force du champ coercitif est extrêmement élevée et dépasse parfois de loin les autres aimants permanents. Les alliages samarium-cobalt présentent également l'avantage d'être très résistants à la corrosion. Cependant, ils sont attaqués par les acides inorganiques et les alcalis.

La production d'aimants samarium et cobalt

Les matières premières samarium et cobalt sont fondues dans une atmosphère de gaz inerte d'argon et fondues sous forme de lingot car elles réagiraient avec l'oxygène de l'air. Divers ajouts d'alliage dans le bain améliorent ses propriétés thermiques. Lors de la solidification de la masse fondue, des structures cristallines se créent qui empêchent la stabilisation du champ magnétique. L'alliage résultant peut être facilement démagnétisé et ne convient pas comme matériau magnétique. Un traitement supplémentaire est donc nécessaire. L'alliage résultant est ensuite d'abord pulvérisé à nouveau sous un gaz protecteur et la poudre est soumise à un processus de frittage à des températures comprises entre 1150 et 1250 degrés. Les particules de poudre individuelles cuisent ensemble. Le pressage avec du plastique est également possible. La magnétisation doit se produire en parallèle au cours de ce processus. Le matériau est amené dans la forme initiale souhaitée. Le traitement ultérieur des matériaux aimantés frittés n'est plus possible car les outils ferromagnétiques peuvent être aimantés et les puces éventuellement formées ne peuvent plus être facilement séparées du corps de base par aimantation. De plus, le matériau peut éclater et la poudre finement divisée peut s'enflammer spontanément. Le post-traitement de la poudre de samarium cobalt pressée dans le plastique est plus facile, mais les aimants résultants ont des propriétés inférieures à celles des matériaux magnétiques frittés. Les éléments utilisés étant rares sur terre, le prix des aimants SmCo puissants est relativement élevé. Il faut également être prudent avec eux, car ce matériau fragile se désagrège assez rapidement. De plus, il existe un processus de fabrication relativement complexe.

L'utilisation d'aimants permanents

Les aimants permanents, qui comprennent également des alliages de samarium cobalt, trouvent une variété d'applications dans la vie quotidienne, par ex. dans les systèmes de verrouillage, dans les réfrigérateurs, pour sécuriser des objets et bien plus encore.

Cependant, ils sont d'une importance particulière dans la production d'énergie et la conversion d'énergie. La production d'électricité tire parti du fait qu'un champ magnétique changeant met en mouvement des particules électriques en mouvement, telles que des électrons. Peu importe que le champ magnétique change en termes réels ou qu'il semble changer en raison d'un mouvement relatif par rapport à un conducteur électrique. Dans les générateurs, par exemple, le rotor est constitué d'aimants permanents rotatifs dont les champs magnétiques génèrent un courant électrique dans les bobines statiques (stator) d'un fil conducteur de courant (cuivre ou fil de cuivre argenté). Inversement, les aimants permanents peuvent également être utilisés dans les moteurs électriques pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique.

Les principaux domaines d'application de SmCo

Les aimants en alliages samarium-cobalt sont utilisés là où des champs magnétiques très puissants sont requis dans des conditions extrêmes (températures comprises entre -40 et 350 degrés). Les principaux domaines d'application sont entre autres:

• Générateurs
• Moteurs
• Capteurs
• de nombreux appareils de mesure

Le samarium cobalt est principalement utilisé pour divers aimants permanents. Deux structures cristallines peuvent être utilisées pour l'application: SmCo5 ou Sm2Co17 (avec du fer, du cuivre ou du zirconium comme éléments d'alliage supplémentaires) Les deux formes de l'alliage ont été développées respectivement en 1966 et 1972 et étaient les matériaux jusqu'à la découverte du néodyme-fer -bore en 1982 avec la densité d'énergie magnétique la plus élevée connue. En raison de leurs propriétés, les aimants permanents SmCo sont difficiles à démagnétiser et à maintenir leurs forces magnétiques jusqu'à température de fonctionnement de 450 ° C. Le coefficient de température résiduelle étant très faible, le champ magnétique ne perd qu'une petite partie de son effet par degré d'augmentation de température. De plus, en raison de leur champ coercitif élevé, ils sont extrêmement résistants aux champs de démagnétisation et ont une énorme résistance à la corrosion. Aujourd'hui encore, l'alliage Sm2Co17 est principalement utilisé pour les aimants permanents car il est moins cher en raison de la moindre utilisation de samarium. Cependant, des domaines d'application spéciaux rendent l'utilisation de SmCo5 nécessaire, en particulier lorsque des intensités de champ magnétique très élevées sont requises.

Comparaison d'autres types d'aimants avec des aimants samarium-cobalt

Comme les autres aimants permanents, les aimants au samarium cobalt ont une densité d'énergie élevée, une bonne résistance à la température et une coercivité élevée. Cependant, il existe certaines différences, dont certaines peuvent être bénéfiques et d'autres peuvent être désavantageuses.

Comparaison avec les aimants en néodyme

Les aimants en néodyme sont fabriqués à partir d'un alliage de néodyme, de fer et de bore, un matériau utilisé depuis les années 1970. Sa densité énergétique est nettement supérieure à celle du samarium cobalt. Cependant, l'aimant en néodyme ne peut être utilisé que jusqu'à des températures de 80 degrés. De plus, il est plus sensible à la corrosion que l'aimant samarium-cobalt. Bien que certains ajouts à l'alliage puissent augmenter la résistance à la température et à la corrosion, ils n'approchent pas les valeurs de l'alliage samarium-cobalt. Pour cette raison, les aimants au néodyme n'ont pas encore été remplacés par des aimants au samarium-cobalt dans les applications dans des conditions extrêmes.

Comparaison avec les aimants en ferrite

Les aimants en ferrite sont fabriqués à partir d'oxyde de fer et de carbonate de baryum ou de strontium. Le matériau obtenu est similaire à la céramique. Les aimants en ferrite sont très populaires dans le monde entier car ils sont bon marché et en même temps très résistants à la corrosion. En outre, ils peuvent être utilisés dans une plage de températures allant de -40 degrés à 250 degrés. Cependant, si des intensités de champ magnétique très élevées sont requises, des aimants en néodyme ou en samarium-cobalt doivent être réutilisés.

Comparaison avec les aimants AlNiCo

Les aimants AlNiCo sont fabriqués à partir d'un alliage d'aluminium, de cobalt et de nickel. Ils peuvent être utilisés jusqu'à 550 degrés, sont très résistants à la corrosion et ont une rémanence élevée. Cependant, les aimants AlNiCo ont une coercivité très faible et peuvent donc être facilement démagnétisés par des champs magnétiques externes. Il a déjà été remplacé par des aimants en ferrite dans de nombreux domaines d'application. Cependant, si des intensités de champ élevées en combinaison avec des températures élevées sont requises, l'utilisation d'aimants samarium-cobalt a fait ses preuves.

Conclusion

Les aimants SmCo ont une densité d'énergie magnétique élevée, peuvent être utilisés à des températures élevées jusqu'à 350 degrés, sont à peine affectés par les champs magnétiques externes et sont également très résistants à la corrosion. Cependant, leur production est très coûteuse car le samarium est l'un des éléments rares. Leur utilisation s'est avérée particulièrement efficace dans les zones où des intensités de champ magnétique élevées sont requises à des températures élevées. Cela s'applique, entre autres, aux générateurs, moteurs, capteurs et appareils de mesure.

Caractéristiques magnétiques des aimants samarium-cobalt