Ferrites faibles pertes pour applications fréquentielles

La découverte de nouveaux oxydes magnétiques appelés ferrites au début du siècle a motivé tout d’abord de nombreux théoriciens qui ont tenté d’expliquer leurs propriétés magnétiques. C’est à partir des années 1940 que Louis Néel a commencé à élaborer sa théorie du ferrimagnétisme qu’il a appliqué à l’ensemble des ferrites avec succès. Cette théorie décrit essentiellement les propriétés magnétiques statiques de ces matériaux : aimantation à saturation et température de transitions. Par la suite, on a découvert de nombreuses applications à ces nouveaux matériaux, notamment pour les utilisations à haute fréquence rendues possibles grâce à leur résistivité électrique élevée (> 1 Ω · m) qui caractérise la plupart des oxydes.

Outre la résistivité, les paramètres essentiels qui caractérisent les ferrites sont :

• l’aimantation à saturation M_s : elle varie de 0,15 à 0,60 T ;

• le champ d’anisotropie H_a : il caractérise la rigidité avec laquelle l’aimantation est maintenue dans des directions privilégiées du cristal. Plus l’aimantation peut se déplacer facilement sous l’action d’un faible champ magnétique extérieur, plus le matériau a un champ coercitif faible, une perméabilité grande et des pertes faibles si les fréquences d’utilisation ne sont pas trop élevées. On appelle ferrite « dur » un ferrite « difficile » à aimanter présentant des champs coercitif et d’anisotropie élevés (H_a > 100 kA/m) et « ferrite doux » un ferrite « facile » à aimanter présentant des champs coercitif et d’anisotropie faibles (H_a < 10 kA/m).

Les ferrites de structure cristallographique hexagonale comme la magnétoplombite (hexaferrites) sont anisotropes. Leurs propriétés dans le plan de base (a,b) sont très différentes de celles suivant l’axe c perpendiculaire. Ce sont des matériaux magnétiques durs et sous forme polycristalline on les utilise principalement pour la production d’aimants permanents. Les ferrites hexagonaux les plus répandus sont les hexaferrites de strontium (baryum) de type M de composition chimique SrFe₁₂O₁₉(BaFe₁₂O₁₉).

À la différence des hexaferrites, les ferrites doux sont isotropes. Ils ont une structure cristallographique cubique et peuvent être classés en deux groupes selon leurs applications techniques.

• Le premier groupe est celui des ferrites doux utilisés pour des fréquences allant de 10 kHz à 500 MHz dont nous parlerons dans les premiers paragraphes de cet article. Leur formule générique est MeFe₂O₄ où Me représente un métal de transition divalent ou une combinaison d’ions (cas d’un ferrite mixte). Leur nom de spinelles vient du minéral MgAl₂O₄ de même structure cristallogra-phique. Ces matériaux sont utilisés dans de vastes domaines tels que la conversion d’énergie ou le traitement du signal. Suivant la gamme de fréquence, on utilise :

  • des ferrites spinelles de manganèse-zinc (Mn-Zn) de 10 kHz à 1 MHz. Ces ferrites sont couramment appelés ferrites de puissance car ils sont largement utilisés comme composants inductifs en électronique de puissance (transformateurs ou inductances). Leur formule chimique est Mn_xZn_yFe_zFe₂O₄ avec x+y+z=1. Leurs aimantations sont parmi les plus élevées des ferrites (jusqu’à 0,60 T) mais leurs résistivités électriques sont parmi les plus faibles (≈ 1 Ω · m). Ces matériaux font l’objet de la première partie de cet article ;

  • des ferrites spinelles de nickel-zinc (Ni-Zn) de 1 à 500 MHz. Leur formule chimique est Ni_xZn_1-xFe₂ O₄. Les aimantations sont plus modestes que pour les ferrites Mn-Zn (  0,50 T) mais les résistivités électriques atteignent 10⁶ Ω · m ce qui en fait des matériaux adaptés pour les radiofréquences (f > 1 MHz). Ces matériaux font l’objet de la seconde partie de cet article. Les ferrites Ni-Zn-Cu à basse température de frittage dérivent de cette famille et font l’objet de la troisième partie.

• Le second groupe est celui des ferrites doux pour hyperfréquences utilisés dans des dispositifs fonctionnant de 0,1 à 100 GHz. Ces ferrites sont soit du type grenat (même structure que le minéral Mn₃ Al₂Si₃O₁₂ ) comme le grenat d’yttrium-fer (YIG) de formule Y₃ Fe₅ O₁₂, soit du type spinelle comme les ferrites Mg-Mn, Li-Zn, Ni-Zn et Ni-Al. Ces matériaux font l’objet de la dernière partie de cet article.

La grande diversité des ferrites vient des nombreuses possibilités de substitutions cationiques dans leurs solutions solides. Cela donne autant de propriétés magnétiques différentes que de combinaisons possibles. Nous essaierons de montrer que pour chaque type d’application (niveau de puissance, gamme de fréquence, gamme de température) il existe un matériau optimisé et que son optimisation passe par une analyse détaillée de son environnement électrique. Nous terminerons cette introduction en précisant que le nom « ferrite » désignant les oxydes ferrimagnétiques est masculin mais qu’il existe aussi la ferrite qui désigne une variété allotropique du fer.