Bref historique des matériaux magnétiques doux

Depuis que Michael Faraday a démontré l’induction électromagnétique en 1831, les matériaux magnétiques doux ont connu une évolution continue. Le choix naturel de Faraday comme matériau de base était le fer, qui a la température ambiante la plus élevée M_sde n'importe quel élément en plus d'un grand μ_r, et un H assez faible_c. Cependant, même dans le cas d'un matériau simple constitué d'un seul élément, des améliorations considérables étaient possibles.

Il a été découvert que le recuit du fer améliorait non seulement ses propriétés mécaniques, mais réduisait également sa coercitivité grâce à la réduction des contraintes, ce qui le rendait mieux adapté à une utilisation dans des applications inductives. En quête de performances encore meilleures, les scientifiques et les ingénieurs ont cherché des moyens d’améliorer les propriétés du fer doux.

En 1900, Robert Hadfield, un métallurgiste anglais, a inventé l'acier au silicium non orienté en ajoutant jusqu'à 3 % de silicium au fer et en augmentant sa résistivité électrique (p) tout en augmentant μ_r. Le métallurgiste américain Norman Goss a inventé l'acier au silicium à grains orientés en 1933 en favorisant la croissance des grains le long d'une direction cristalline de faible anisotropie, augmentant μ_r, Même plus loin . Aujourd'hui encore, les aciers au silicium (ou électriques) représentent une part importante du marché mondial des aimants doux en raison de leur M élevé._set un coût relativement faible.

Les applications les plus courantes de l'acier au silicium sont les transformateurs à grande échelle (acier au silicium à grains orientés) et les machines électriques (l'acier au silicium isotrope non orienté est préféré pour les machines tournantes), où son prix économique constitue un énorme avantage.

Cependant, un faible(-, 0,5 μohm.m) rend les aciers au silicium avec perte à haute fréquence. Récemment, les fabricants d'acier électrique ont développé une méthode pour augmenter la teneur en silicium de leur acier à 6,5 % en utilisant un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Cette approche augmenteà 0,82 μΩ.m mais laisse toujours d'autres matériaux comme de meilleurs choix pour l'électronique de puissance haute fréquence et les machines électriques à vitesse de rotation élevée.

Dans les années 1910, Gustav Elmen des Laboratoires Bell a expérimenté des alliages nickel-fer et a découvert la composition du permalloy riche en nickel (78 %). Un avantage majeur du permalloy est son μ élevé_r, (jusqu'à 100,000). Les alliages nickel-fer sont encore utilisés aujourd'hui dans certaines applications inductives spécialisées, mais ne sont pas courants dans l'électronique de puissance et les machines électriques car ils présentent des pertes par courants de Foucault élevées et l'ajout de nickel diminue M_s. Avec l'ajout d'une petite quantité de molybdène (2 %) au permalloy, de la poudre de molypermalloy (MPP) peut être produite. Le MPP est utilisé pour fabriquer des noyaux de poudre avec les pertes les plus faibles.

À la fin des années 1940, les ferrites magnétiquement douces ont été inventées par JL Snoek. Ces matériaux sont compétitifs du fait de leurs très hautes résistivités électriques (10 - 10⁸μohm.m), ce qui les rend efficaces pour supprimer les pertes par courants de Foucault.

De plus, comme elles sont produites avec des techniques de traitement de la céramique et des matériaux abondants, les pièces en ferrite peuvent être produites à un coût très faible. Le haut

et le prix abordable des ferrites souples maintient ces matériaux très demandés pour les applications inductives, y compris celles à haute fréquence. En fait, leur part du marché mondial des aimants doux est juste derrière l’acier au silicium. Ils souffrent d'un M relativement faible_s. (près d'un quart de celle de l'acier au silicium), ce qui limite la densité énergétique des éléments inductifs contenant un noyau de ferrite.

En 1967, une nouvelle classe de matériaux, les alliages amorphes, est inventée. Au milieu des années 1970, l’intérêt pour les alliages amorphes à base de fer et de cobalt s’est accru et ces alliages ont commencé à trouver leur place dans des applications. Grâce à l'élimination de tout ordre à longue portée, la coercivité est considérablement réduite dans ces alliages.

En 1988, des chercheurs d'Hitachi ont inclus des additifs Nb et Cu et ont ajouté une étape de recuit à la production d'alliages amorphes pour produire de petites cristallites de fer ou de cobalt étroitement espacées (de l'ordre de 10 nm de diamètre) au sein d'une matrice de matériau amorphe. Ce fut le début des alliages magnétiques doux nanocristallins. La formation de cristallites isolées de métaux de transition a réduit les pertes par courants de Foucault de ces matériaux par rapport aux alliages amorphes. Les alliages amorphes et nanocristallins gagnent aujourd'hui des parts de marché dans l'électronique de puissance et les machines électriques à haute fréquence en raison de leurs faibles pertes et de leur compétitivité._s.

Malgré un coût initial plus élevé que l'acier au silicium, ces alliages avancés peuvent réduire les coûts totaux de durée de vie de l'électronique de puissance et des machines électriques, grâce à des pertes réduites.

Au début des années 1990, les noyaux de poudre (également connus sous le nom de composites magnétiques doux ou SMC) ont été acceptés dans certaines applications magnétiques douces. Ces matériaux combinent des particules magnétiques, d'un diamètre compris entre environ 1 et 500 g, et les enrobent ou les mélangent avec un matériau isolant avant de les consolider sous des pressions élevées (MPa voire GPa).

La chaleur peut également être appliquée pendant ou après la densification pour améliorer les propriétés magnétiques. Les particules magnétiques sont le plus souvent des poudres de Fe mais peuvent également être constituées d'alliages tels que le MPP (mentionné précédemment), le Fe-P, le Fe-Si ou le Fe-Co. Du fait de la phase de matrice isolante et amagnétique, ces matériaux présentent un entrefer distribué qui limite leur µ_rdans une plage de 100 à 500. Cependant, la matrice isolante renforce également leur

(10^-3à 10^-1µohm•m), réduisant les pertes par courants de Foucault.

Les SMC peuvent également être pressés dans des géométries finales plus complexes sans aucun usinage (mise en forme du filet), ce qui peut réduire considérablement les coûts de fabrication. Leur nature isotrope, leur faible coût et leur capacité à mettre en forme des pièces complexes ont fait des SMC un assez bon succès dans les machines électriques tournantes.

La brève histoire des matériaux magnétiques doux décrite ci-dessus n’est en aucun cas exhaustive. Au lieu de cela, notre intention est de nous concentrer sur des matériaux qui ont été et continueront d'être compétitifs pour la fabrication de composants magnétiques doux dans l'électronique de puissance haute fréquence et les machines électriques. Mesures de performance telles que M_set la perte de noyau sont extrêmement importantes. Cependant, étant donné que les pièces magnétiques douces devront être utilisées en grande quantité, l’importance du coût ne peut être négligée. Pour cette raison, les ferrites douces restent un matériau de base compétitif à haute fréquence. En raison de leurs excellentes performances à haute fréquence, les alliages amorphes et nanocristallins continueront certainement à être des matériaux clés. Bien que les aciers au silicium représentent encore la majorité du marché mondial des matériaux magnétiques doux, leurs principales applications concernent les grands transformateurs fonctionnant à 50 ou 60 Hz et les machines électriques à vitesse de rotation lente.