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1 - MATÉRIAUX FERROMAGNÉTIQUES AMORPHES

2 - MATÉRIAUX FERROMAGNÉTIQUES NANOCRISTALLINS

3 - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

| Réf : D2150 v1

Matériaux ferromagnétiques nanocristallins
Matériaux ferromagnétiques amorphes et nanocristallins

Auteur(s) : Jean-Claude PERRON

Date de publication : 10 nov. 1997

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  • Jean-Claude PERRON : Directeur de recherches au CNRS

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INTRODUCTION

L’ensemble des ferromagnétiques « doux », cristallins ou non, sont des constituants essentiels de presque tous les dispositifs électriques ou électroniiques de notre civilisation moderne. Ils ont pour rôle principal de canaliser et concentrer les flux magnétiques. Le marché actuel de ces matériaux (cf. tableau ci-dessous) peut être divisé en quatre grandes familles : (a) les aciers électriques (essentiellement les alliages Fe-3 %Si), (b) les alliages fer-nickel et fer-cobalt, (c) les ferrites douces et (d) les alliages métalliques amorphes et nanocristallins.

L’intérêt économique de ces matériaux est à l’image de leurs productions mondiales annuelles. Par exemple, la famille (a) peut être scindée en deux : les tôles Fe-Si à grains orientés (GO) avec une production mondiale de 1 MT/an surtout utilisée pour la fabrication des transformateurs de distribution, et les tôles non orientées (NO) avec une production de 5 MT/an utilisée principalement dans la réalisation des machines électriques. La production des matériaux des familles (b) et (c) atteint respectivement 12 kT et 200 kT/an avec une utilisation importante en électronique. Une estimation raisonnable du tonnage mondial des matériaux de la famille (d), qui nous intéressent ici, est de 20 kT/an avec une progression probable vers 100 kT/an à la fin du millénaire, leurs applications sont décrites par la suite.

Ces matériaux (d) peuvent être obtenus par divers procédés, nous nous intéresserons ici à ceux préparés sous forme de rubans par solidification rapide d’un liquide. Le produit sera amorphe c’est-à-dire que les atomes le constituant ne présentent pas d’ordre à grande distance. Pour certaines compositions atomiques particulières, il sera possible par une cristallisation contrôlée de l’alliage amorphe d’obtenir des matériaux biphasés comportant une phase nanocristalline incluse dans une matrice qui reste amorphe. Les matériaux amorphes et nanocristallins présentent une faible anisotropie magnétique qui peut être adaptée aux applications visées par des traitements thermiques post-trempe. Leurs propriétés magnétiques sont remarquables : un faible champ coercitif, de fortes perméabilités (d’impédance ou initiale), de faibles pertes électromagnétiques. Suivant leurs compositions, ces alliages ont des inductions à saturation comprises entre 0,5 et 1,7 T avec des valeurs de la magnétostriction qui peuvent être voisines de zéro jusqu’à atteindre 35 x 10−6Ce grand éventail des propriétés magnétiques fait que ces matériaux peuvent, pour certaines applications, rentrer en concurrence avec les trois autres catégories de ferromagnétiques doux (a, b, c). Ils sont en effet utilisables dans un large spectre de fréquences qui vont du continu jusqu’à 1 MHz environ. Dans le domaine des basses fréquences on peut citer : les transformateurs de distribution de moyenne puissance et les inductances ; pour les fréquences plus élevées, les composants magnétiques pour l’électronique de puissance. De nombreuses autres applications existent : blindage magnétique, capteurs variés... Si l’on se place d’un point de vue économique, on peut dire schématiquement que les applications basses fréquences sont pilotées par le coût alors que celles en hautes fréquences sont pilotées par la qualité magnétique. Actuellement, dans les pays européens et en ce qui concerne les matériaux sujets de cet article, ce sont ces dernières qui ont le plus intéressé les industriels.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d2150


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2. Matériaux ferromagnétiques nanocristallins

Ces dernières années un nouveau domaine de la physique est né : celui des matériaux nanocristallins. Ce sont des milieux cristallins présentant des grains dont les dimensions se situent dans la gamme de quelques nm à 100 nm environ. Parmi ces matériaux, on peut citer des céramiques dont les propriétés mécaniques sont intéressantes, des semi-conducteurs nanocristallins (silicium par exemple), des composites variés (précipitations de nanograins semi-conducteurs dans des verres d’oxydes) et des matériaux magnétiques doux ou durs. Cette petite taille des grains entraîne des propriétés physiques nouvelles qui peuvent avoir de nombreuses applications. Dans ce paragraphe, nous nous intéressons uniquement aux nanocristallins qui présentent des propriétés ferromagnétiques douces, c’est-à-dire, en particulier, un faible champ coercitif.

2.1 Préparation-Structure

Les ferromagnétiques nanocristallins peuvent être préparés de diverses manières par exemple par mécanosynthèse (broyage contrôlé), ou par recuit adapté de certains rubans amorphes. Nous nous limiterons ici à cette dernière catégorie de matériaux.

Si nous revenons à la figure 1, la ligne BC correspond à la cristallisation de l’alliage amorphe au cours du temps à température constante et elle est néfaste au point de vue des propriétés magnétiques. Au cours des traitements thermiques des rubans amorphes, nécessaires après leur trempe pour améliorer leurs propriétés magnétiques 2.4, on doit absolument éviter la cristallisation du matériau qui détériore les propriétés magnétiques du fait de la croissance de gros grains dont les dimensions sont supérieures à quelques centaines de nm voir au mm. Si l’on veut obtenir des nanograins, favorables au magnétisme doux (cf. § 2.2),...

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1 Fabricants

Liste non exhautive

Metglas Inc. http://www.metglas.com

VAC, Vacuumschmelze GmbH. http://www.vacuumschmelze.de

Importateur P. Balloffet-Technicome. http://www.technicome.com

Imphy Ugine Précision (Groupe Arcelor). http://www.iup-online.com

Toshiba (Japon). http://www.toshiba.co.jp

Hitachi (Japon). http://www.hitachi.co.jp

Hitachi Metals Europe. http://www.hitachi-eu.com

HAUT DE PAGE

2 Références bibliographiques

###

DUWEZ (P) - Trans. Am. Soc. Metals, - 60, 607, 1967.

MIROSHNICHENKO (IS) - SALLI (IV) - Ind. Lab. - , 25, 1463, 1959.

POND (R) - MADDIN (R) - * - TMS-AIME, 245, 2475, 1969.

DUWEZ (P) - LIN (SCH) - J. Appl. Phys., - 38, 4096, 1967.

HASEGAWA (R) - TSUEI (CC) - Phys. Rev., - B2, 1631, 1970.

DAVIES (HA) - Dans Amorphous Metallic Alloys. - (cf. [69]), p. 8.

JANOT (C) - MANGIN (P) - MARCHAL (G) - PIECUCH (M) - * - C.R. du 21e Colloque de Métallurgie,...

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