Brevet FR2934920A1 — publié le 20100212

AIMANTS PERMANENTS La présente invention concerne un aimant permanent présentant un fort champ coercitif ainsi qu'un 5 procédé de fabrication d'un tel aimant. Le champ coercitif d'un matériau ferromagnétique désigne le champ magnétique qu'il est nécessaire d'appliquer à un matériau, ayant initialement atteint son aimantation de saturation, pour annuler l'aimantation du 10 matériau. Le champ coercitif est usuellement noté Hc. L'aimantation rémanente d'un matériau magnétique désigne l'aimantation existant dans le matériau en l'absence de champ magnétique appliqué. L'aimantation rémanente est usuellement notée Mr. 15 Lorsque le champ coercitif d'un matériau magnétique est élevé, le matériau est qualifié de � dur �. A titre indicatif, les valeurs typiques de champ coercitif sont comprises entre 105 A/m et 2 106 A/m. Un tel matériau est alors approprié comme matériau pour la 20 fabrication d'aimants permanents, par exemple à l'intérieur de moteurs électriques utilisés notamment dans l'automobile ou l'électroménager. Un aimant permanent est généralement constitué de matériaux de type ferromagnétique ou ferrimagnétique. 25 Les aimants permanents les plus usuels sont les aimants de type AlNiCo, les aimants ferrites et les aimants à base d'éléments de terres rares. Parmi les aimants à base de terres rares, les aimants en néodyme-fer-bore, par exemple Nd2Fe14B, et ceux 30 de type Sm(CobalFewCuyZrx) , usuellement désignés par l'expression aimants de type 2:17, sont deux catégories principales d'aimant permanent. Les aimants de type NdFeB présentent des valeurs importantes d'aimantation rémanente Mr et de champ 2 coercitif H,, un coût modéré et une facilité de fabrication. La faiblesse principale des aimants de type NdFeB est la valeur modérée de la température de Curie de l'ordre de 590 K. Une décroissance importante du champ coercitif est observée à l'approche de la température de Curie. La valeur du champ coercitif H, à 100 °C est par exemple égale à 50% de la valeur dudit champ coercitif à température ambiante ce qui rend impossible l'utilisation de tels aimants au-dessus d'environ 100°C. Or, de nombreuses applications demandent un fonctionnement occasionnellement ou fréquemment à des températures supérieures à 150°C. Pour celles-ci, il est connu de l'état de la technique que le remplacement d'une partie du néodyme par du dysprosium dans la phase R2Fe14B, où R est du néodyme ou du dysprosium, conduit à la formation d'un composé pseudo-ternaire, (Nd-Dy)2Fe14B. Elle permet d'augmenter substantiellement la valeur du champ coercitif H, du fait de la grande anisotropie de ce composé. Ceci se produit au détriment d'une perte significative en aimantation, ainsi que d'une augmentation substantielle du coût du matériau car le dysprosium est environ 10 fois plus cher que le néodyme. Dans les aimants Sm-Co (aimants SmCo5 ou de type 2 :17) des champs coercitifs supérieurs à ceux des aimants RFeB sont atteints. Ces aimants conservent une coercitivité significative jusqu'à haute température, parfois jusqu'à 400°C. Mais, ils sont de coûts bien supérieurs aux aimants NdFeB et présentent une aimantation rémanente moindre. Il existe donc un besoin pour un aimant permanent qui présente un champ coercitif et une aimantation importants, en particulier qui pourrait être utilisé à haute température sans présenter les 3 inconvénients des solutions de l'état de la technique, en particulier en terme de coût. Un but de la présente invention est de proposer un nouvel aimant permanent à champ coercitif renforcé ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel aimant. L'invention propose ainsi un aimant permanent qui comprend : - un ensemble de grains magnétiques sensiblement monocristallins d'un premier matériau magnétique A 10 présentant une aimantation MA; - un deuxième matériau magnétique B recouvrant au moins 10% de la surface de chaque grain du matériau magnétique A où le deuxième matériau magnétique B est tel que son aimantation MB se couple de façon 15 sensiblement antiparallèle à l'aimantation MA du premier matériau magnétique A, propriété conservée lorsque l'aimant permanent est soumis à un champ magnétique extérieur H sensiblement antiparallèle à l'aimantation MA du premier matériau A. 20 Lorsqu'un aimant permanent selon l'invention est placé dans un champ magnétique appliqué Happ, d'orientation opposée à celle de l'aimantation MA du premier matériau magnétique A, l'aimantation du deuxième 25 matériau magnétique B s'oriente selon le champ magnétique appliqué et tend à s'opposer au renversement de l'aimantation du premier matériau magnétique A. Les inventeurs ont mis en évidence que le seuil de 10% de la surface de chaque grain du matériau 30 magnétique A recouvert par le deuxième matériau magnétique B permet d'augmenter la valeur du champ coercitif de manière significative. Par ce mécanisme, le couplage entre le premier et le deuxième matériau magnétique, dit couplage super- 4 ferrimagnétique, est une source d'augmentation de la coercitivité et une source d'amélioration des performances des systèmes à aimants permanents. Un aimant permanent selon l'invention peut en 5 outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons possibles : le deuxième matériau magnétique B recouvre au moins les surfaces sensiblement perpendiculaires à la 10 direction de l'aimantation MA de chaque grain magnétique ; le deuxième matériau magnétique B recouvre au moins 50% de la surface de chaque grain magnétique ; le deuxième matériau magnétique B se présente sous 15 la forme d'au moins une couche sur la surface de chaque grain magnétique d'une épaisseur supérieure ou égale à 1 nm et/ou inférieure ou égale à 5 }gym ; le deuxième matériau magnétique B est disposé de manière à ce que, lorsqu'il recouvre lesdits grains 20 magnétique, ledit deuxième matériau magnétique B présente une aimantation MB sensiblement antiparallèle à l'aimantation MA desdits grains magnétiques ; le premier matériau magnétique A est choisi parmi la 25 liste comprenant FePt, CoPt et les composés de type RM5 ou R2M17 (de type 2 : 17) , ou R2M17N8, ou R2M14B avec R un élément de terre rare et M un élément de la série de transition 3d, ou un composé magnétique dur tel que MnBi ou MnAl, ou un ferrite hexagonal à 30 base de Sr ou de Ba ; le deuxième matériau magnétique B est choisi dans la liste comprenant les composés ou alliages à base de terre rare, les composés ou alliage à base d'un élément de la série de transition 3d, les composés de type R-Fe ou R-Co avec R un lanthanide. le deuxième matériau magnétique B est choisi dans la liste comprenant : les composés et alliages de terres rares (R), R étant majoritairement Gd, Dy ou Tb ou leur association, les composés et alliages de type R-M où R est défini comme ci-dessus et M est majoritairement Mn, Fe, Co, Ni ou leur association, les composés ferromagnétiques ou ferrimagnétiques à base de Mn, par exemple MnAl, MnBi ou un alliage d'Heusler tel que Cu2MnAl, ou les composés ferromagnétiques ou ferrimagnétiques à base de Cr, par exemple CrO2. L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication de grains magnétiques durs, comprenant les étapes suivantes on dispose d'un ensemble de grains magnétiques sensiblement monocristallins composés d'un premier matériau magnétique A présentant une aimantation MA, on recouvre, au moins 10% de la surface de grains magnétiques, d'un deuxième matériau magnétique B, le deuxième matériau magnétique B étant tel que son aimantation MB se couple de façon sensiblement antiparallèle à l'aimantation MA du premier matériau magnétique A. L'invention se rapporte également à un procédé de 30 fabrication d'un aimant permanent comprenant les étapes suivantes . on mélange des poudres contenant un premier matériau magnétique A et un deuxième matériau magnétique B, on densifie ledit mélange des premier et deuxième 6 matériaux magnétiques A et B. Par exemple, le procédé de fabrication selon l'invention peut comprendre une étape de frittage en phase liquide à une température de frittage supérieure ou égale à la température de fusion du deuxième matériau magnétique B et inférieure à la température de fusion du premier matériau magnétique A. Le procédé de fabrication selon l'invention peut également comprendre une étape de compaction par tout procédé adapté, à température ambiante ou à haute température. L'invention concerne également un moteur à aimant comprenant au moins un aimant permanent selon l'invention. L'invention se rapporte aussi à un générateur électrique comprenant au moins un aimant permanent selon l'invention. L'invention concerne également tout système à aimants, par exemple aimants pour l'imagerie médicale, tubes à onde progressive, ou encore paliers magnétiques comprenant au moins un aimant permanent selon l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe d'un aimant permanent selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une coupe d'un aimant permanent selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 représente des cycles d'hystérésis d'aimants permanents. 7 Pour des raisons de clarté, les différents éléments représentés sur les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle. On entend par � grain magnétique � au sens de l'invention un morceau de matière de structure sensiblement monocristalline présentant des propriétés ferromagnétiques ou ferrimagnétiques. Dans le cadre de l'invention on note X-Y l'alliage des éléments X et Y, XY le composé constitué 10 des éléments X et Y. L'invention se rapporte à un aimant permanent comprenant des premier et deuxième matériaux magnétiques. Les premier et deuxième matériaux sont tels que le couplage d'échange interfacial entre les deux matériaux 15 favorise l'antiparallélisme des aimantations des dits premier et deuxième matériaux magnétiques. Selon un premier mode de réalisation représenté à la figure 1, l'aimant permanent 10, comprend un ensemble de grains magnétiques 12 d'un premier matériau 20 magnétique A présentant une aimantation MA et un deuxième matériau magnétique B recouvrant les surfaces 14 des grains magnétiques 12 sensiblement perpendiculaires à la direction de l'aimantation MA des grains magnétiques 12. Le premier matériau magnétique A présente des 25 propriétés ferromagnétiques ou ferrimagnétiques dures. Le premier matériau magnétique A peut être constitué d'un composé de type RM5 à forte anisotropie, dans lequel R désigne un élément de terre rare ou une association d'éléments de terre rare, par exemple Sm, Pr ou Y, et M 30 désigne un élément de la série de transition 3d par exemple Co. Le premier matériau magnétique A peut aussi être un composé anisotrope uniaxial de type R-M dans lequel R désigne un élément de terre rare ou une association 8 d'éléments de terre rare et M désigne un élément de la série des transitions 3d, Fe et incluant éventuellement des éléments additionnels tels que Zr, Cu. Le premier matériau magnétique A peut aussi être 5 un composé de type R2M14B dans lequel R est choisi parmi Nd et/ou Pr et M est majoritairement Fe ou Co. Le premier matériau magnétique A peut aussi être un composé de type FePt ou Co ou Pt. Selon l'invention, le deuxième matériau 10 magnétique B recouvre au moins 10 % de la surface de chaque grain magnétique 12 et son aimantation MB est sensiblement antiparallèle à l'aimantation MA du premier matériau magnétique lorsque l'aimant permanent selon le mode de réalisation représenté à la figure 1 est soumis à 15 un champ magnétique extérieur H sensiblement antiparallèle à l'aimantation MA du premier matériau magnétique 1. Le deuxième matériau magnétique B peut être un métal de terre rare de la deuxième série, par exemple Gd, 20 Tb ou Dy ou un alliage à base de tels éléments. Le matériau B peut également être composé d'un alliage d'un tel métal de terre rare de la seconde série et d'un élément non magnétique tel que Al, Zn pour constituer un matériau ferromagnétique. 25 Le deuxième matériau magnétique B peut être constitué d'un alliage ferromagnétique ou ferrimagnétique R-M, où R contient un ou plusieurs éléments de la seconde partie de la série des lanthanides et M contient Fe et/ou Co. 30 Le deuxième matériau magnétique B peut être un composé ou alliage ferromagnétique ou ferrimagnétique à base d'éléments de la série des transitions 3d, par exemple Mn ou Cr. Le deuxième matériau magnétique B peut par exemple être choisi parmi les composés suivants : 9 MnBi de structure hexagonale, MnAl de structure L10, des alliages d'Heusler, par exemple Cu2MnAl CrO2. Selon un mode de réalisation représenté à la figure 2, l'aimant permanent 10 comprend un ensemble de grains magnétiques 12 sensiblement monocristallins d'un premier matériau magnétique A présentant une aimantation MA et un deuxième matériau magnétique B recouvrant sensiblement toute la surface des grains magnétiques 12 et étant disposés de manière à ce que l'aimantation MB du deuxième matériau magnétique B soit sensiblement antiparallèle à l'aimantation MA du premier matériau magnétique A lorsque l'aimant permanent 10 est soumis à un champ magnétique extérieur H sensiblement antiparallèle à l'aimantation MA du premier matériau magnétique A. Avantageusement, une telle disposition du deuxième matériau magnétique B permet d'augmenter la valeur du champ coercitif de l'aimant permanent 10. Les premier et deuxième matériaux magnétiques A et B peuvent présenter la même composition que dans le premier mode de réalisation. Un aimant permanent selon l'invention peut comprendre des grains magnétiques durs préparés selon un procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : on dispose de l'ensemble des grains magnétiques 12 sensiblement monocristallins composés d'un premier matériau magnétique A présentant une aimantation MA, on dispose d'un deuxième matériau magnétique B, par exemple sous la forme d'une poudre, on réalise le frittage en phase liquide à une température de frittage supérieure ou égale à la température de fusion du deuxième matériau 10 magnétique B et inférieure à la température de fusion du premier matériau magnétique A. Un aimant permanent selon l'invention peut être obtenu par un procédé comprenant les étapes suivantes : - on mélange des poudres comprenant un premier matériau magnétique A et un deuxième matériau magnétique B, - on densifie ledit mélange des matériaux A et B par tout procédé adapté. Le procédé selon l'invention peut également comprendre une étape de densification du mélange A-B à basses températures. Un aimant selon l'invention peut être obtenu par enrobage des grains magnétiques 12, puis un procédé de compaction adapté, par exemple sous l'effet d'un champ magnétique pulsé. Avantageusement, un tel procédé de compaction permet une densification à base température, préservant le couplage d'échange interfacial entre le premier matériau magnétique A et le deuxième matériau magnétique B selon la configuration des aimantations dite super-ferrimagnétique. Un procédé de fabrication selon l'invention permet d'obtenir avantageusement un aimant permanent à fort champ coercitif. Un procédé de fabrication selon l'invention peut également comprendre une étape où l'on recouvre les grains A d'une poudre d'une couche de B, par exemple selon une structure de type cœur/coquille. Un aimant permanent selon l'invention peut également être obtenu au moyen d'un procédé comprenant le dépôt de couches successives des matériaux magnétiques A et B, par exemple par une technique telle que la pulvérisation cathodique, le dépôt laser pulsé ou toute autre méthode adaptée. 11 Un procédé de fabrication selon l'invention peut également comprendre une étape de gravure. La figure 3 représente des cycles d'hystérésis illustrant l'augmentation du champ coercitif des aimants 5 selon l'invention. Le cycle d'hystérésis 20 sur la figure 3 correspond à celui d'une couche d'un premier matériau magnétique de NdFeB de 100nm d'épaisseur. Le champ coercitif correspondant au cycle d'hystérésis 20 de la 10 figure 3 est égal à 0,01 Tesla. Le cycle d'hystérésis 22 représenté sur la figure 3 correspond à une couche de GdFe2 de 50 nm d'épaisseur, le champ coercitif d'une telle couche peut être mesuré à 0,002 Tesla. 15 Le cycle d'hystérésis 24 représenté sur la figure 3 correspond à celui d'un aimant permanent selon l'invention. Ledit aimant permanent comprend une structure telle que représentée à la figure 1 avec comme premier matériau magnétique A une structure colonnaire de 20 NdFeB d'environ 100 nm de longueur et 30 nm de section et comme deuxième matériau magnétique deux couches de GdFe2 de 50 nm d'épaisseur chacune. Chaque colonne de NdFeB correspond à un grain monocristallin selon l'invention. Les couches de GdFe2 recouvrent les surfaces des 25 structures colonnaires de NdFeB sensiblement perpendiculaires à la direction de l'aimantation permanente desdites structures colonnaires de NdFeB. Le champ coercitif dudit aimant permanent à température ambiante est d'environ 1 Tesla, soit environ 30 100 x supérieur à celui de la couche de NdFeB seul. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisations décrits et ne sera pas interprétée de façon limitative, et englobe tout mode de réalisation équivalent. REVENDICATIONS1. Aimant permanent (10) comprenant: un ensemble de grains magnétiques (12) sensiblement monocristallins d'un premier matériau magnétique (A) présentant une aimantation (MA); un deuxième matériau magnétique B recouvrant au moins 10% de la surface de chaque grain du matériau magnétique A où le deuxième matériau magnétique B est tel que son aimantation MB se couple de façon sensiblement antiparallèle à l'aimantation MA du premier matériau magnétique A. 2. Aimant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième matériau magnétique (B) recouvre au moins les surfaces (14) sensiblement perpendiculaires à la direction de l'aimantation (MA) de chaque grain magnétique (12). 3. Aimant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième matériau magnétique (B) recouvre au moins 50% de la surface de chaque grain magnétique (12). 4. Aimant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième matériau magnétique (B) se présente sous la forme d'au moins une couche sur la surface de chaque grain magnétique (12) d'une épaisseur supérieure ou égale à 1 nm et/ou inférieure ou égale à 5 um. 5. Aimant selon l'une quelconque desrevendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième matériau magnétique (B) est disposé de manière à ce que lorsqu'il recouvre lesdits grains magnétique (12) ledit deuxième matériau magnétique (B) présente une aimantation (MB) sensiblement antiparallèle à l'aimantation (MA) desdits grains magnétiques (12). 6. Aimant selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que : le premier matériau magnétique (A) est choisi parmi la liste comprenant FePt, CoPt et les composés de type RM5 ou R2M17 (de type 2 : 17) , ou R2M17N3, ou R2M14B avec R un élément de terre rare et M un élément de la série de transition 3d, ou un composé magnétique dur tel que MnBi ou MnAl, ou un ferrite hexagonal à base de Sr ou de Ba ; le deuxième matériau magnétique (B) est choisi dans la liste comprenant les composés ou alliages à base de terre rare, les composés ou alliage à base d'un élément de la série de transition 3d, les composés de type R-Fe ou R-Co avec R un lanthanide. 7. Procédé de fabrication de grains magnétiques durs, comprenant les étapes suivantes : on dispose d'un ensemble de grains magnétiques (12) sensiblement monocristallins composés d'un premier matériau magnétique (A), on recouvre, au moins 10% de la surface de grains magnétiques (10), d'un deuxième matériau magnétique (B), le deuxième matériau magnétique (B) étant tel que son aimantation (MB) se couple de façon sensiblement antiparallèle à l'aimantation permanente (MA) du premier matériau magnétique (A). 8. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant les étapes suivantes : on mélange des poudres comprenant un premier matériau magnétique A et un deuxième matériau magnétique B, on densifie ledit mélange des premier et deuxième matériaux A et B. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de compaction. 10. Moteur à aimant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un aimant permanent (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 11. Générateur électrique caractérisé en ce qu'il comprend au moins un aimant permanent (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 12. Système à aimant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un aimant permanent (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.