Des chercheurs de l’Institut des matériaux critiques (CMI) du Département de l’énergie et du Laboratoire national d’Ames ont amélioré les propriétés d’un matériau d’aimant permanent sans terres rares et ont démontré que le processus peut être mis à l’échelle pour la fabrication. Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de fabrication d’aimants manganèse-bismuth (MnBi) basée sur l’ingénierie des microstructures. Ce processus est une étape vers la fabrication de moteurs compacts et économes en énergie sans l’utilisation de terres rares.
Les aimants permanents à haute puissance sont de plus en plus importants pour une variété de technologies d’énergie renouvelable, y compris les éoliennes et les voitures électriques. Selon Wei Tang, chercheur au CMI et scientifique du laboratoire Ames, ces aimants sont actuellement construits à partir d’éléments de terres rares tels que le néodyme et le dysprosium. Cependant, il a expliqué que ces éléments sont à faible stock et à forte demande, ce qui entraîne une chaîne d’approvisionnement peu fiable et des prix élevés. Une solution à ce problème consiste pour les scientifiques à trouver des matériaux alternatifs, tels que le MnBi utilisé dans cette recherche.
Les aimants permanents utilisés pour les moteurs nécessitent une densité d’énergie élevée ou des niveaux élevés de magnétisme et de coercivité. La coercivité est la capacité d’un aimant à maintenir son niveau actuel de magnétisme, malgré une exposition à une chaleur élevée et à des influences extérieures qui pourraient le démagnétiser.
« Si nous utilisons des aimants à haute densité de puissance, nous pouvons réduire la taille du moteur et fabriquer un moteur plus compact », a déclaré Tang. « À l’heure actuelle, il est très important que nous puissions rendre certains appareils plus petits et plus compacts, plus économes en énergie. »
Le défi avec MnBi est que les méthodes de fabrication traditionnelles nécessitent une chaleur élevée pour transformer les matériaux individuels en un grand aimant. La chaleur nécessaire réduit la densité d’énergie de l’aimant. Pour résoudre ce problème, l’équipe a développé un processus alternatif.
Tang a déclaré qu’ils avaient commencé avec une poudre très fine pour chacun des matériaux, ce qui augmente le niveau d’énergie magnétique de départ. Ensuite, ils ont utilisé une méthode de chauffage à chaud plutôt qu’une méthode à haute température pour former l’aimant. Enfin, la clé de leur nouveau procédé était d’ajouter un composant non magnétique qui empêcherait les particules de grain de se toucher. Cet élément supplémentaire, appelé phase limite de grain, fournit plus de structure à l’aimant et empêche le magnétisme traversant les particules/grains individuels de s’affecter les uns les autres.
« C’est comme le matériau structurel », a déclaré Tang. « C’est comme si nous utilisions du béton pour construire un mur. Avec juste le béton lui-même, c’est faible, mais si nous mettons d’abord une barre d’armature en acier à l’intérieur puis coulons le béton, cela deviendra plusieurs dizaines de fois plus résistant. »
L’effet de la température chaude sur les propriétés magnétiques du MnBi est unique. Les chercheurs s’attendaient à ce que la coercivité et le magnétisme diminuent avec l’augmentation de la température, ce qui est vrai pour la plupart des matériaux magnétiques. Cependant, pour MnBi, la température chaude a augmenté la coercivité et diminué l’aimantation. Cette coercivité accrue aide à maintenir l’aimant plus stable à des températures élevées que d’autres aimants connus.
L’équipe s’est également concentrée sur la fabrication d’aimants plus grands, par rapport aux aimants généralement petits développés en laboratoire. L’augmentation de la taille des aimants aide à démontrer aux entreprises de fabrication qu’elles peuvent construire de grands aimants à l’échelle commerciale.
« Si nous ne pouvons pas fabriquer le plus grand, nous ne pouvons l’utiliser pour aucune application », a déclaré Tang. « Nous avons besoin d’un gros aimant, et nous devons lui donner la forme nécessaire. De plus, nous devons pouvoir produire en masse à faible coût. C’est important pour les applications futures. »
L’équipe travaille actuellement avec PowderMet Inc., utilisant leurs techniques en instance de brevet pour poursuivre la production de masse des aimants MnBi à utiliser dans de nouveaux moteurs électriques. Ce projet est financé par le programme de recherche sur l’innovation des petites entreprises du DOE. Le projet est déjà entré dans la phase II, ce qui signifie que le projet s’est avéré réalisable et qu’un financement supplémentaire a été accordé pour développer et démontrer davantage la technologie.
Cette recherche est discutée plus en détail dans l’article « Microstructure d’ingénierie pour améliorer la coercivité de l’aimant MnBi en vrac« , écrit par Wei Tang, Gaoyuan Ouyang, Xubo Liu, Jing Wang, Baozhi Cui et Jun Cui, et publié dans le Journal du magnétisme et des matériaux magnétiques.
Plus d’information:
Wei Tang et al, microstructure d’ingénierie pour améliorer la coercivité de l’aimant MnBi en vrac, Journal du magnétisme et des matériaux magnétiques (2022). DOI : 10.1016/j.jmmm.2022.169912