Un aimant doux mécaniquement solide et ductile avec une coercivité extrêmement faible

Nature volume 608, pages 310-316 (2022)Citer cet article

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Les matériaux magnétiques doux (SMM) servent dans les applications électriques et l'approvisionnement en énergie durable, permettant une variation du flux magnétique en réponse aux changements du champ magnétique appliqué, avec une faible perte d'énergie1. L’électrification des transports, des ménages et de l’industrie manufacturière entraîne une augmentation de la consommation d’énergie en raison des pertes par hystérésis2. Il est donc crucial de minimiser la coercitivité, qui accroît ces pertes3. Pourtant, atteindre cet objectif ne suffit pas : les SMM des moteurs électriques doivent résister à des charges mécaniques sévères ; c'est-à-dire que les alliages nécessitent une résistance et une ductilité élevées4. Il s’agit d’un défi de conception fondamental, car la plupart des méthodes améliorant la résistance introduisent des champs de contraintes qui peuvent fixer les domaines magnétiques, augmentant ainsi la coercivité et les pertes par hystérésis5. Nous présentons ici une approche pour surmonter ce dilemme. Nous avons conçu un alliage multicomposants (MCA) Fe – Co – Ni – Ta – Al avec une matrice ferromagnétique et des nanoparticules paramagnétiques cohérentes (d'une taille d'environ 91 nm et d'une fraction volumique d'environ 55 %). Ils empêchent le mouvement de dislocation, améliorant ainsi la résistance et la ductilité. Leur petite taille, leur faible contrainte de cohérence et leur faible énergie magnétostatique créent un volume d'interaction inférieur à la largeur de la paroi du domaine magnétique, conduisant à un blocage minimal de la paroi du domaine, maintenant ainsi les propriétés magnétiques douces. L'alliage a une résistance à la traction de 1 336 MPa à 54 % d'allongement en traction, une coercivité extrêmement faible de 78 A m−1 (moins de 1 Oe), une magnétisation à saturation modérée de 100 A m2 kg−1 et une résistivité électrique élevée de 103 μΩ cm.

La coercitivité la plus faible possible et la résistivité électrique la plus élevée possible sont les principaux objectifs des SMM, afin de réduire les pertes d'énergie liées à l'hystérésis et aux courants de Foucault, le bruit et les dommages matériels associés1,2,3. En outre, de nouveaux SMM dotés d'une résistance et d'une ductilité supérieures sont nécessaires pour fonctionner dans des conditions de charge mécaniquement exigeantes pour les pièces critiques pour la sécurité dans les transports et l'énergie4. La résistance élevée et la ductilité servent également à mesurer de nombreuses autres propriétés mécaniques, telles qu'une dureté élevée5 et une ténacité à la rupture6. Ce profil multi-propriétés crée un dilemme fondamental. La résistance mécanique des matériaux métalliques est produite par les défauts de réseau et leurs interactions élastiques avec des défauts de réseau linéaires qui entraînent une déformation inélastique, appelées dislocations. Cependant, les défauts interagissent également avec les parois du domaine magnétique et les épinglent. La perte de mouvement des parois du domaine augmente la coercivité, de sorte que les matériaux perdent leurs caractéristiques magnétiques douces. Par conséquent, les SMM actuels suivent la règle de conception consistant à éviter les défauts de réseau afin de minimiser la coercivité7. D’autre part, augmenter la résistance mécanique d’un alliage nécessite d’augmenter son niveau de contrainte interne via des défauts tels que des dislocations, des joints de grains et des précipités8. Cela signifie que la tâche consistant à rendre les aimants souples mécaniquement résistants est un compromis entre deux stratégies de conception mutuellement exclusives, à savoir la résistance mécanique et le mouvement non affecté des parois du domaine.

La théorie de la dépendance granulométrique de la coercivité9 montre sa proportionnalité à la puissance six de la taille des grains pour le cas des matériaux nanocristallins, relation qui peut également s'appliquer aux particules10. La conception actuelle des SMM s’est donc concentrée sur l’utilisation de petites particules (moins de 15 nm)10,11 et de tailles de grains (moins de 100 nm)12,13,14. Selon la théorie des déformations magnétiques, la coercivité dépend de l’énergie nécessaire pour déplacer les parois du domaine afin de surmonter les barrières du réseau15. Ici, nous introduisons des particules dans une matrice de solution solide massive à plusieurs composants et augmentons leur taille de la plage couramment utilisée de 5 à 15 nm à 90 à 100 nm. Ainsi, le niveau de contrainte interne et l’énergie globale de non-ajustement de la cohérence élastique sont réduits grâce à la plus petite surface spécifique (surface totale par unité de volume) des particules, provoquée par le grossissement. Nous proposons ensuite que la conception des particules doit suivre quatre règles principales. Premièrement, un épinglage minimal des parois de domaine nécessite une distribution granulométrique bien ajustée et bien contrôlée avec un équilibre optimal entre la diminution de la surface spécifique et l'augmentation de l'énergie magnétostatique lors du grossissement des particules. Deuxièmement, la taille des particules doit rester inférieure à la largeur de la paroi du domaine pour éviter un fort blocage, c'est-à-dire une forte résistance à la rotation de spin8. Troisièmement, la composition chimique et la structure cristalline des particules déterminent leur magnétisation à saturation ; par conséquent, les éléments antiferromagnétiques sont généralement exclus. Quatrièmement, le renforcement des alliages est déterminé par l'interaction entre les dislocations et les particules et par les forces de frottement exercées sur les dislocations dans la matrice massive de la solution solide. Ainsi, les particules intermétalliques intrinsèquement fortes avec un minimum d’inadaptation du réseau sont ciblées. Celles-ci nécessitent des forces élevées pour couper les dislocations (fournissant la résistance), mais des coupes répétées par les dislocations suivantes émises par la même source les cisaillent avec une facilité progressive le long des sections transversales restantes et réduisant progressivement les particules (fournissant la ductilité).