Présentation
RÉSUMÉ
Les ferrites industriels se décomposent essentiellement en ferrites doux et en ferrites durs. Les ferrites durs sont utilisés comme aimants permanents ; les ferrites doux comme noyaux magnétiques faibles pertes dans les transformateurs et les inductances en électronique de puissance. Cet article débute par la présentation des propriétés physiques de ces oxydes magnétiques. Il poursuit par le choix du matériau et du format du noyau en fonction de l’application, pour s’attarder ensuite sur les ferrites de manganèse-zinc. Les ferrites industriels ont un prix de fabrication très bas, de plus ils permettent un grand nombre de compositions chimiques avec autant de propriétés magnétiques différentes.
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Richard LEBOURGEOIS : Docteur de l’Institut national polytechnique de Grenoble - Ingénieur de l’École nationale supérieure d’électricité de Grenoble - Responsable des Études ferrites à Thales Research and Technology France
INTRODUCTION
Les ferrites sont des oxydes magnétiques présentant un magnétisme particulier appelé ferrimagnétisme. Louis Néel, prix Nobel de Physique en 1970, a largement contribué à l’explication et à la compréhension de leurs propriétés.
Il existe deux grandes familles de ferrites industriels : les ferrites doux et les ferrites durs que l’on trouve essentiellement à l’état polycristallin, sous forme de céramique massive. Cette appellation tire son origine des premiers aimants techniques qui étaient fabriqués à partir d’aciers au début du XX e siècle. En effet, le fer métallique, lorsqu’il contient des impuretés, comme par exemple des inclusions de carbone, présente à la fois un champ coercitif élevé et une dureté mécanique importante ; lorsqu’il est pur, son champ coercitif est faible et sa dureté mécanique diminue (matériau doux, traduction de l’anglais « soft material »).
Les ferrites durs sont donc employés comme aimants permanents (cf. article [1] des TI). Les ferrites doux sont utilisés comme noyaux magnétiques faibles pertes pour la réalisation de transformateurs et d’inductances en électronique de puissance. Leur résistivité électrique élevée (> 1 Ω · m) et leur faible coût de fabrication sont à l’origine des nombreuses applications industrielles de ces matériaux. Leur polarisation magnétique à saturation Js est inférieure à 0,60 T donc plus faible que celle des métaux tels que le fer ou le cobalt. Les champs coercitifs les plus faibles sont proches de 10 A/m, donc 10 fois plus grands que les alliages métalliques les plus doux. Malgré cela, leurs performances à fréquence élevée (f > 100 kHz) sont nettement supérieures à celles de tous les autres matériaux magnétiques.
Les ferrites doux regroupent trois familles de matériaux :
• La 1re famille est celle des ferrites spinelles de manganèse-zinc (Mn-Zn) utilisés pour des fréquences allant de 10 kHz à 1 MHz. Ces matériaux sont principalement utilisés dans les domaines de la conversion d’énergie ou le traitement du signal. Leur résistivité électrique vaut typiquement 1 Ω · m.
• La 2e famille est celle des ferrites spinelles de nickel-zinc et de nickel- zinc-cuivre utilisés entre 1 et 500 MHz. Leur résistivité électrique peut atteindre 108 Ω · m. Comme les ferrites Mn-Zn, ils sont utilisés pour la réalisation de transformateurs ou d’inductances.
• Enfin, la 3e famille est celle des ferrites dits « hyperfréquences » (0,1 à 100 GHz). On trouve dans ce groupe des ferrites de type spinelle et de type grenat. Ils sont utilisés pour la réalisation de composants hyperfréquences spécifiques tels que les circulateurs (ou isolateurs), les filtres accordables et les déphaseurs (cf. article [2] des TI).
Si aujourd’hui les ferrites spinelles de manganèse-zinc constituent la plus grande partie de la production mondiale des ferrites doux, il faut se rappeler qu’avant l’avènement des alimentations à découpage et la montée en fréquence des télécommunications, les ferrites « haute fréquence » de nickel-zinc étaient les plus utilisés. L’industrie des ferrites doux évolue comme le monde de l’électronique et on peut penser que les années qui viennent verront encore des mutations profondes dans ce secteur.
Outre leur bas coût de fabrication, le succès industriel des ferrites est dû aux innombrables compositions chimiques qu’il est possible de réaliser et qui conduisent à autant de propriétés magnétiques différentes. Pour chaque type d’application (niveau de puissance, gamme de fréquence, gamme de température...), il existe un matériau optimisé et son optimisation passe par une analyse détaillée de son environnement électrique. Dans le paragraphe 5, nous tenterons de situer les différentes variétés de ferrites doux par rapport aux autres types de matériaux magnétiques utilisables en électronique de puissance, notamment les alliages métalliques nanocristallins, sous forme de ruban enroulé.
Pour finir, il est bon de préciser que le nom « ferrite » désignant les oxydes magnétiques est masculin et qu’il ne faut pas confondre avec la ferrite qui désigne une variété allotropique du fer contenant des inclusions de carbone en faible quantité.
VERSIONS
- Version courante de mai 2022 par Richard LEBOURGEOIS
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2. Synthèse des ferrites
Les ferrites sont des oxydes synthétiques mixtes élaborés à haute température à partir des oxydes primaires de métaux de transition. Par exemple, les ferrites de manganèse-zinc Mnx Zn(1–x) Fe2O4 sont synthétisés à partir des oxydes de fer, de manganèse et de zinc, respectivement Fe2O3 , Mn3O4 et ZnO. Leur synthèse conduit soit à des matériaux polycristallins qui représentent aujourd’hui les céramiques magnétiques les plus vendues, soit à des monocristaux dont l’importance industrielle est moindre.
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Ferrites monocristallins
Les ferrites monocristallins sont synthétisés par différentes méthodes : synthèse hydrothermale, croissance en milieu d’oxydes fondus et synthèse par tirage. C’est cette dernière que l’on utilise pour les monocristaux industriels. L’avantage de ce type de produit est d’avoir un matériau très dense avec un état de surface de très bonne qualité (un polissage est néanmoins nécessaire). Les inconvénients sont plus nombreux : hétérogénéité de la composition chimique, formats limités (plaque ou disque), usinage délicat et coût élevé. Les ferrites à l’état de monocristal ont surtout été utilisés jusqu’à présent pour des applications spécifiques de têtes d’enregistrement magnétique. L’avènement des techniques optiques dans ce domaine réduit considérablement leur intérêt à l’heure actuelle.
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Ferrites polycristallins
Les ferrites polycristallins industriels sont élaborés selon un procédé céramique conventionnel.
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Matières premières : avant tout, on choisit les matières premières qui sont le plus souvent les oxydes des métaux sous forme de poudres qui constitueront le ferrite. Ces oxydes sont par exemple Fe2O3 , Mn3O4 , ZnO pour les ferrites de manganèse-zinc et Fe2O3 , NiO, ZnO, CuO pour les ferrites de nickel-zinc et de nickel-zinc-cuivre. La pureté des matières premières est choisie en fonction des performances électromagnétiques souhaitées. La répartition granulométrique de chaque poudre d’oxyde joue également un rôle important. En général, on préfère...
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Synthèse des ferrites
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SMIT (J.), WIJN (H.P.J.) - Les ferrites. - Dunod (1961).
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(2) - SNELLING (E.C.) - Soft ferrites. - Iliffe Books Ltd (1969).
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(3) - MORINEAU (R.), PAULUS (M.) - Chart of PO2 versus temperature and oxidization degree for Mn-Zn ferrites. - IEEE Trans. Mag., Mag. II, p. 1312-1314 (1975).
-
(4) - LEBOURGEOIS (R.), PERRIAT (P.), LABEYRIE (M.) - High and low level frequency losses in Ni-Zn and Mn-Zn spinel ferrites. - ICF 6, Tokyo, p. 1159 (1992).
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(5) - LEBOURGEOIS (R.), GANNE (J.P.), LLORET (B.) - High frequency Mn-Zn power ferrites. - ICF 7, Bordeaux, C1-105 (1996).
-
(6) - LEBOURGEOIS (R.), AGERON (J.), VINCENT (H.), GANNE (J.P.) - Low losses NiZnCu ferrites. - ICF 8, Kyoto, p. 576-578 (2000).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1 Références des matériaux ferrites équivalents
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Ferrites de puissance Mn-Zn
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Ferrites haute perméabilité Mn-Zn
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Ferrites Ni-Zn
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