De nouveaux aimants pourraient résoudre nos problèmes de terres rares

Des aimants plus puissants et plus légers pourraient entrer sur le marché dans les prochaines années, rendant possibles des moteurs de voiture et des éoliennes plus efficaces. Les chercheurs ont besoin de nouveaux matériaux car les meilleurs aimants d'aujourd'hui utilisent des métaux des terres rares, dont l'offre devient peu fiable alors même que la demande augmente.

Les chercheurs travaillent donc maintenant sur de nouveaux types d'aimants nanostructurés qui utiliseraient de plus petites quantités de métaux des terres rares que les aimants standard. De nombreux obstacles demeurent, mais GE Global Research espère faire la démonstration de nouveaux matériaux magnétiques au cours des deux prochaines années.

Les aimants les plus puissants reposent sur un alliage de néodyme, une terre rare, qui comprend également du fer et du bore. Les fabricants d'aimants ajoutent parfois d'autres métaux des terres rares, notamment le dysprosium et le terbium, à ces aimants pour améliorer leurs propriétés. L'approvisionnement de ces trois terres rares est menacé en raison de la demande croissante et de la possibilité que la Chine, qui produit la plupart d'entre elles, restreigne les exportations.

Cependant, il n'est pas clair si les nouveaux aimants arriveront sur le marché avant que la demande de métaux des terres rares ne dépasse l'offre. Le département américain de l'Énergie prévoit que la production mondiale d'oxyde de néodyme, un ingrédient clé des aimants, totalisera 30 657 tonnes en 2015. Dans l'un des scénarios projetés du DOE, la demande pour ce métal sera un peu plus élevée que ce nombre en 2015. Le Les scénarios du DOE impliquent des conjectures, mais l'estimation la plus prudente indique que la demande de néodyme dépasse l'offre d'ici 2020.

Une grande partie de l'histoire des terres rares s'est concentrée sur la Chine et l'exploitation minière, explique Steven Duclos, responsable de la durabilité des matériaux chez GE Global Research. Nous pensons que la technologie peut jouer un rôle dans la résolution de ce problème. Le DOE finance le projet Magnet de GE, et celui dirigé par des chercheurs de l'Université du Delaware, par le biais du programme Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), qui encourage la recherche sur les technologies de rupture.

Trouver de nouveaux matériaux magnétiques n'est pas facile, dit George Hadjipanayis , président du département de physique et d'astronomie de l'Université du Delaware. Hadjipanayis a participé au développement d'aimants en néodyme dans les années 1980 alors qu'il travaillait à Kollmorgen. À cette époque, nous avons peut-être tous eu de la chance, dit-il à propos du développement initial des aimants en néodyme. Dans le passé, les chercheurs fabriquaient de nouveaux aimants pour cristalliser des alliages et rechercher de nouvelles formes avec de meilleures propriétés. Cette approche ne fonctionnera pas à l'avenir. Les performances des aimants en néodyme ont atteint un plateau, déclare Frank Johnson, qui dirige le programme de recherche sur les aimants de GE. Hadjipanayis est d'accord. L'espoir maintenant, ce sont les nanocomposites, dit-il.

Les matériaux magnétiques nanocomposites sont constitués de nanoparticules des métaux que l'on trouve dans les alliages magnétiques actuels. Ces composites comportent par exemple des nanoparticules à base de néodyme mélangées à des nanoparticules à base de fer. Ces régions nanostructurées dans l'aimant interagissent d'une manière qui conduit à des propriétés magnétiques supérieures à celles trouvées dans les alliages magnétiques conventionnels.

L'avantage des nanocomposites pour les aimants est double : les nanocomposites promettent d'être plus forts que d'autres aimants de poids similaire, et ils devraient utiliser moins de métaux des terres rares. Ce qui permet de meilleures propriétés magnétiques dans ces nanocomposites est une propriété appelée couplage d'échange. La physique est complexe, mais le couplage entre différentes nanoparticules dans le composite conduit à des propriétés magnétiques globales supérieures à la somme des parties.

Le couplage d'échange ne peut pas se produire dans des matériaux magnétiques purs, mais apparaît dans des composites constitués de mélanges de nanoparticules des mêmes métaux qui sont utilisés pour fabriquer des aimants conventionnels. L'avantage des aimants plus puissants est que les machines dans lesquelles vous les installez peuvent être plus petites et plus légères, explique Johnson.

GE ne divulgue pas les matériaux qu'elle utilise pour fabriquer les aimants, ni ses méthodes de fabrication, mais Johnson dit que la société s'appuiera sur les techniques qu'elle a développées pour travailler avec d'autres métaux. Le principal problème auquel l'entreprise est confrontée, explique Johnson, est d'augmenter la production pour fabriquer de gros aimants. Jusqu'à présent, il n'a été possible de fabriquer que des films minces de nanocomposites. La société dispose d'un financement d'environ 2,25 millions de dollars de l'ARPA-E.

Hadjipanayis rapporte que son groupe, un consortium multi-instituts, a reçu près de 4,5 millions de dollars de financement ARPA-E. Il est possible de fabriquer les nanoparticules nécessaires en petites quantités en laboratoire, mais la mise à l'échelle sera difficile. Ce sont des matériaux très réactifs, dit-il.

Le groupe expérimente avec un large éventail de différents types de nanoparticules, y compris des combinaisons de nanoparticules à base de néodyme avec des nanoparticules de fer-cobalt. Un autre défi consiste à assembler les nanoparticules dans un mélange qui garantit qu'elles ont suffisamment de contact les unes avec les autres pour obtenir un couplage d'échange. C'est une étape à la fois, dit Hadjipanayis.

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