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RÉSUMÉ
Les ferrites sont des oxydes magnétiques dont les propriétés remarquables dépendent de la structure cristallographique, de la composition chimique et de la microstructure. Les ferrites de structure cubique (spinelle et grenat) qui font l’objet de cet article font partie des matériaux magnétiques doux (faible champ coercitif et faibles pertes magnétiques). Ils peuvent être utilisés de 10 kHz à plusieurs dizaines de GHz mais, pour chaque application, l’utilisateur se doit de trouver la meilleure référence parmi une multitude de choix possibles. Cet article a pour but de l’aider dans cette démarche.
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Richard LEBOURGEOIS : Docteur de l'Institut National Polytechnique de Grenoble - Responsable des Études Ferrites et Diélectriques à Thales Research & Technology, Palaiseau, France
INTRODUCTION
La découverte de nouveaux oxydes magnétiques appelés ferrites au début des années 1900 a tout d'abord motivé de nombreux théoriciens qui ont tenté d'expliquer leurs propriétés magnétiques. C'est à partir des années 1940-1950 qu'en France Louis Néel, qui sera prix Nobel de Physique en 1970, a commencé à élaborer sa théorie du ferrimagnétisme qu'il a appliquée à l'ensemble des ferrites avec succès. Cette théorie décrit essentiellement les propriétés magnétiques statiques de ces matériaux : aimantation à saturation et température de transition. 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 distingue les oxydes des métaux.
Les ferrites sont obtenus en faisant réagir à haute température de l'oxyde de fer, principalement l'hématite αFe2O3, avec d'autres oxydes métalliques. 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. Nombreux sont les utilisateurs de ces oxydes qui pour désigner le noyau d'une inductance parlent de « la ferrite », sans doute en référence à la self-inductance (souvent appelée bobine) qu'il permet de réaliser.
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MOTS-CLÉS
électronique de puissance modules hyperfréquences matériaux magnétiques composants passifs
VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 1987 par Patrick BEUZELIN
- Version archivée 2 de févr. 2000 par Richard LEBOURGEOIS
DOI (Digital Object Identifier)
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Ferrites pour hyperfréquences7. Ferrites à basse température de frittage pour composants inductifs intégrés
Parmi les composants électroniques (passifs ou actifs), les plus volumineux sont les composants passifs inductifs (transformateurs, inductances). Leur intégration (bobinage et noyau magnétique) peut être réalisée par cofrittage du matériau magnétique avec un métal conducteur. On utilise alors de l'argent dont la température de fusion est supérieure à 950 °C et des ferrites à basse température de frittage contenant du cuivre.
7.1 Synthèse et composition chimique
Tous les ferrites décrits précédemment (Mn-Zn, Ni-Zn ou YIG) sont synthétisés à haute température, supérieure à 1 000° C pour le chamottage et à 1 300° C pour le frittage (cf. § 3). Les substitutions par le cuivre dans les ferrites Ni-Zn abaissent les températures de formation du matériau : cela autorise des frittages de pièces massives entre 900 et 950° C. Le cofrittage avec l'argent est donc possible à condition de contrôler la réactivité du ferrite de façon à obtenir une bonne densification à basse température (T ≈ 900° C).
Les ferrites Ni-Zn-Cu ont pour composition chimique NixZnyCuzFe2O4 avec x + y + z = 1. Ils sont préparés de façon conventionnelle à partir des oxydes primaires (NiO, ZnO, CuO et Fe2O3). Comme pour la plupart des ferrites spinelles, il est possible de substituer les ions Ni2+, Zn2+, Cu2+ et Fe3+ par un grand nombre de cations métalliques (Mn, Mg ou Co) pour ajuster les propriétés électromagnétiques (résistivité, aimantation à saturation, température de Curie ou anisotropie magnétique). Pour atteindre des températures de frittage suffisamment basses, la proportion d'ions Cu2+ que doit contenir le ferrite est au minimum de 10 % des cations divalents.
Outre l'apport du cuivre, il est possible de diminuer les températures de synthèse en optimisant la réactivité de la poudre (surface spécifique) avant l'opération de frittage. Comme pour la majorité des céramiques, on augmente la surface spécifique de la poudre grâce à des broyages prolongés (plusieurs dizaines d'heures pour des broyeurs à boulets et plusieurs heures pour des broyages par attrition).
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BERTAUT (F.), FORRAT (F.) - Structure des ferrites ferrimagnétiques des terres rares - . CR Hebd. Séan. Acad. Sci. (F) 242, p. 382 (1956).
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(2) - SMIT (J.), WIJN (H.P.J.) - Les ferrites - . Dunod (1961).
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(3) - GUYOT (M.), CAGAN (V.) - Temperature dependence of the domain wall mobility in YIG, deduced from the frequency spectra of the initial susceptibility of polycrystals - . JMMM 27, pp. 202-208 (1982).
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(4) - LEBOURGEOIS (R.), PERRIAT (P.), LABEYRIE (M.) - High and low level frequency losses in Ni-Zn and Mn-Zn spinel ferrites - I. CF 6, Tokyo, p. 1159 (1992).
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(5) - MORINEAU (R.), PAULUS (M.) - Chart of pO2 versus temperature and oxidization degree for Mn-Zn ferrites - . IEEE Trans. Mag., Mag. II, 1975, pp. 1312-1314.
-
(6) - LEBOURGEOIS (R.), GANNE (J.P.), PIGNARD (S.), GARRIN (P.),...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Électronique de puissance. Introduction
-
Alimentations continues stabilisées
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Amplificateurs
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Antennes actives. Principes de conception
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