Matériaux électroniques essentiels : Partie 7 - Matériaux magnétiques
1 Introduction aux matériaux magnétiques
Les matériaux magnétiques sont des substances qui présentent des propriétés magnétiques en raison de leur structure interne, ce qui leur permet de générer un champ magnétique ou d'être affectés par un champ magnétique externe. Ces matériaux peuvent attirer ou repousser d'autres matériaux, et leur comportement magnétique est fondamental pour de nombreux appareils électroniques modernes.
Les matériaux magnétiques sont indispensables à l'industrie électronique en raison de leur capacité à stocker, transférer et convertir l'énergie. Ils sont utilisés dans diverses applications, des appareils à haut rendement énergétique aux technologies de communication avancées. Ces matériaux sont essentiels pour les composants tels que les moteurs, les transformateurs, les capteurs, les dispositifs de stockage magnétique et les antennes, ce qui les rend indispensables pour des industries telles que l'électronique, les télécommunications, l'énergie, l'automobile et les soins de santé.
2 Types de matériaux magnétiques utilisés en électronique
2.1 Matériaux magnétiques durs (aimants permanents)
Les matériaux magnétiques durs, également connus sous le nom de matériaux magnétiques permanents, sont des matériaux qui peuvent conserver leurs propriétés magnétiques pendant une longue période après l'aimantation et qui ne perdent pas facilement leurs propriétés magnétiques. Les principales caractéristiques des matériaux magnétiques durs sont qu'ils peuvent conserver leur magnétisme d'origine pendant une longue période après l'aimantation, qu'ils ont une grande coercivité (Hc=10^4~10^6 A/m), des lignes d'hystérésis plus épaisses et un produit d'énergie magnétique maximale (BH)max et un magnétisme rémanent élevés.
2.1.1 Alliages d'Alnico
Lesalliages d'Alnico sont des matériaux magnétiques permanents couramment utilisés, dotés d'une coercivité et d'un magnétisme rémanent élevés. Les principaux avantages des alliages d'Alnico en tant qu'aimants permanents sont une coercivité élevée, une température de Curie élevée et une bonne stabilité thermique. Les alliages d'Alnico ont une coercivité élevée et peuvent conserver leurs propriétés magnétiques sous l'action d'un champ magnétique externe puissant et ne sont pas facilement démagnétisés. En outre, sa température de Curie peut atteindre 860°C et sa température maximale de fonctionnement est comprise entre 525 et 550°C, ce qui lui permet de conserver de bonnes propriétés magnétiques dans des environnements à haute température. L'alnico possède un magnétisme rémanent élevé et peut conserver ses propriétés magnétiques dans des champs magnétiques plus intenses. Il présente une bonne résistance à la corrosion et peut être utilisé dans des environnements difficiles. La courbe de démagnétisation des alliages d'Alnico varie de manière non linéaire, ce qui signifie qu'ils présentent des propriétés différentes au cours du processus de démagnétisation.
Fig. 1 Aimant en alliage Alnico
2.1.2 Alliage titane-cobalt
L'alliage titane-cobalt est l'un des types d'aimants permanents les plus courants. Les alliages titane-cobalt peuvent maintenir une induction magnétique élevée (1,0-1,25 T) et un produit d'énergie magnétique (2,2×10⁵ erg/cm³) dans la plage d'intensité du champ magnétique allant jusqu'à 8,75-11,94 kA/m. Cette excellente propriété d'hystérésis permet aux alliages Ti-Co d'avoir une faible perte d'énergie lors de l'inversion du champ magnétique, ce qui améliore l'efficacité de la conversion d'énergie et est particulièrement adapté aux systèmes de moteurs avec des charges variables fréquentes. Les alliages titane-cobalt sont capables d'atteindre une induction magnétique allant jusqu'à 1,25 T dans la plage de champ de fonctionnement de 8,75 à 11,94 kA/m. Cette force d'induction magnétique élevée permet de produire des moments magnétiques puissants et d'accroître l'efficacité lors du fonctionnement dans des champs magnétiques élevés. Les alliages de titane et de cobalt peuvent conserver leurs propriétés magnétiques à des températures plus élevées et ne se démagnétisent pas de manière significative, même dans des environnements à haute température. Cela leur permet d'exceller dans les moteurs électriques et les générateurs fonctionnant à des températures élevées ou fluctuantes, garantissant ainsi un fonctionnement fiable. Les alliages de titane et de cobalt peuvent présenter des propriétés magnétiques élevées tout en conservant une grande solidité mécanique et une résistance aux températures élevées grâce à des compositions chimiques proportionnées avec précision (par exemple, cobalt, vanadium et autres éléments). Cela leur permet d'exceller dans une large gamme de conditions de fonctionnement complexes.
Fig. 2 Alliage titane-cobalt
2.1.3 Aimants permanents en cobalt et terres rares
Les aimants permanents en cobalt et terres rares sont de deux types : RCo5 et R2Co17, où R représente les éléments de terres rares tels que le samarium, le praséodyme, le cérium et le lanthane, etc. Le premier a une structure cristalline hexagonale CaCu5 et le second une structure cristalline tripartite. Le type RCo5 se caractérise par une forte anisotropie magnétique cristalline, le type R2Co17 par une force d'induction magnétique et un point de Curie élevés. Le fer, le cuivre et d'autres éléments remplacent partiellement le cobalt, ce qui en fait un matériau très performant.
Lesaimants en cobalt se caractérisent par une coercivité et des produits d'énergie magnétique extrêmement élevés, et constituent une classe d'aimants permanents aux performances excellentes. Le processus de préparation adopte principalement la méthode des poudres et la méthode de coulée, et la méthode des poudres adopte le moulage par champ magnétique, la pression hydrostatique, le frittage en phase liquide et d'autres processus. Principalement utilisé dans les tubes à ondes progressives, les magnétrons et autres appareils électriques à vide et appareils à micro-ondes tels que les circulateurs pour fournir le champ magnétique. Il est également largement utilisé dans les domaines des micromoteurs, des microrayons, des paliers magnétiques, des montres électroniques et d'autres petits instruments et compteurs de précision.
Fig. 3 Aimants permanents en terres rares et cobalt
2.2 Matériaux magnétiques doux
On parle de matériaux magnétiques doux lorsque l'aimantation se produit à Hc n'est pas supérieure à 1000A/m. Ces matériaux sont appelés aimants doux. Les matériaux magnétiques doux typiques peuvent atteindre une force d'aimantation maximale avec un champ magnétique externe minimal. Les matériaux magnétiques doux sont des matériaux magnétiques à faible coercivité et à forte perméabilité. Les matériaux magnétiques doux sont faciles à magnétiser et à démagnétiser et sont largement utilisés dans les équipements électriques et électroniques. Les matériaux magnétiques doux les plus utilisés sont les alliages fer-silicium (tôle d'acier au silicium) et une variété de ferrites magnétiques doux, etc.
2.2.1 Aimant doux en acier au silicium
L'aimant doux en acier au silicium présente plusieurs avantages significatifs qui en font un matériau largement utilisé dans l'industrie de l'électronique de puissance. Tout d'abord, l'induction magnétique à saturation élevée de l'acier au silicium permet d'utiliser une section de matériau moins importante dans les mêmes conditions de flux magnétique, ce qui permet d'économiser du matériau et de miniaturiser les composants. Deuxièmement, l'acier au silicium présente de faibles pertes magnétiques, en particulier dans les champs magnétiques alternatifs, et sa résistivité élevée réduit efficacement les pertes par courants de Foucault, tandis que les faibles pertes par hystérésis garantissent d'excellentes performances en cours de fonctionnement. En outre, l'acier au silicium présente également de bonnes performances de traitement, il est facile à transformer en matériaux en feuilles et convient au poinçonnage, à la découpe et à d'autres techniques de traitement. Les formes courantes comprennent les tôles d'acier au silicium laminées à froid, les bandes d'acier électrique non orientées laminées à froid et les bandes d'acier électrique orientées laminées à froid, largement utilisées dans les systèmes électroniques et les appareils électroménagers dans les transformateurs basse fréquence, les selfs et d'autres composants. Enfin, l'acier au silicium est particulièrement performant dans les applications à basse fréquence et à haute puissance, notamment dans les noyaux des transformateurs de puissance, des transformateurs de distribution et des transformateurs de courant, qui sont couramment utilisés dans l'électronique de puissance avec des fréquences allant jusqu'à 400 Hz.
Fig. 4 Aimant doux en acier au silicium
2.2.2 Ferrite magnétique douce
Laferrite magnétique douce se caractérise par une faible densité de flux de saturation, une faible perméabilité, une faible température de Curie, une faible perte aux fréquences moyennes et élevées et un faible coût. Les trois premières caractéristiques sont ses défauts, qui limitent le champ de son utilisation, et que l'on s'efforce aujourd'hui (au début du 21e siècle) d'améliorer. Les deux dernières sont ses avantages, facilitant l'accès au marché des hautes fréquences, que l'on s'efforce actuellement (au début du 21e siècle) d'élargir.
Fig. 5 Ferrite magnétique doux
Les matériaux magnétiques doux sont largement utilisés en électronique en raison de leurs excellentes propriétés magnétiques. Ils sont couramment utilisés comme matériaux de base pour les transformateurs, les inducteurs et les transformateurs de courant et de tension, où leur faible perte d'hystérésis et leur force d'induction magnétique élevée à saturation améliorent l'efficacité de ces composants et réduisent les pertes d'énergie. Les matériaux magnétiques doux sont également largement utilisés dans les sections stator et rotor des moteurs électriques et des générateurs pour améliorer la densité de puissance et l'efficacité, en particulier dans les moteurs à haute fréquence. En outre, ils sont utilisés pour le blindage électromagnétique afin de réduire les interférences électromagnétiques (EMI) dans les équipements électroniques et d'assurer un fonctionnement stable. Les matériaux magnétiques doux jouent également un rôle important dans la technologie du chauffage par induction, améliorant l'efficacité du chauffage en interagissant avec les courants à haute fréquence dans une large gamme d'applications telles que le chauffage des métaux, le moulage des plastiques et le soudage. Dans les systèmes de gestion de l'énergie, les matériaux magnétiques doux sont utilisés dans les filtres et les équipements d'alimentation électrique pour améliorer la stabilité et l'efficacité grâce à leurs caractéristiques de faible perte magnétique. En outre, les matériaux magnétiques doux sont utilisés dans les capteurs magnétiques, les composants passifs et d'autres assemblages électroniques, tels que les capteurs de position, les capteurs de vitesse, les condensateurs et les commutateurs magnétiques. Dans l'ensemble, grâce à leurs excellentes propriétés magnétiques et à leur facilité de mise en œuvre, les matériaux magnétiques doux jouent un rôle clé dans l'industrie électronique dans divers domaines, de la gestion de l'énergie aux communications, en passant par l'automatisation et les appareils médicaux.
2.3 Alliages magnétiques
Les alliages magnétiques sont des alliages composés de fer et d'autres éléments métalliques (cobalt, nickel, terres rares, etc.), qui possèdent d'excellentes propriétés magnétiques et sont largement utilisés dans de nombreux domaines, tels que l'électronique, les communications et l'énergie. En fonction de leurs différentes propriétés magnétiques, les alliages magnétiques sont généralement divisés en deux catégories : les alliages magnétiques doux et les alliages magnétiques durs.
Alliages magnétiques doux : Ces alliages se caractérisent par une faible perte d'hystérésis et une bonne perméabilité, ce qui les rend excellents pour des applications telles que les transformateurs, les moteurs et les inducteurs. Les alliages magnétiques doux courants, tels que l'acier au silicium et les alliages fer-nickel, sont principalement utilisés dans l'électronique de puissance, les appareils électroménagers, l'électronique automobile et d'autres domaines.
Alliages magnétiques durs : Les alliages magnétiques durs ont un produit d'énergie magnétique et une force de champ magnétique élevés, peuvent conserver des propriétés magnétiques stables et sont généralement utilisés dans la fabrication d'aimants permanents. Les alliages magnétiques durs les plus courants sont le néodyme-fer-bore (NdFeB), l'aluminium-nickel-cobalt (AlNiCo) et les alliages à base de cobalt. Ils sont largement utilisés dans des domaines de haute technologie tels que les moteurs électriques, les capteurs, les haut-parleurs et l'imagerie par résonance magnétique (IRM).
Les alliages magnétiques présentent des caractéristiques de performance différentes dans les applications pratiques. Par exemple, les aimants néodyme-fer-bore (NdFeB) sont devenus des matériaux indispensables dans l'industrie et l'électronique modernes grâce à leur produit d'énergie magnétique élevé et à leur force magnétique puissante, et sont largement utilisés dans les moteurs électriques, les éoliennes, les haut-parleurs et d'autres produits. Les alliages Alnico, quant à eux, sont couramment utilisés pour les composants magnétiques dans des environnements spéciaux et à haute température en raison de leur bonne résistance à la température et de leur stabilité.
Fig. 6 Aimants néodyme-fer-bore (NdFeB)
3 Propriétés des matériaux magnétiques pour l'électronique
3.1 Perméabilité magnétique
Laperméabilité magnétique est une grandeur physique qui caractérise les propriétés magnétiques d'un milieu magnétique. Elle indique la résistance au flux magnétique ou la capacité à conduire des lignes de force magnétiques dans un champ magnétique après que le courant ait traversé une bobine dans l'espace ou l'espace du noyau. Sa formule μ = B / H, où H = intensité du champ magnétique, B = intensité de l'induction magnétique, symboles couramment utilisés μ, μ pour la perméabilité du milieu, ou perméabilité absolue.
La perméabilité magnétique dans les produits électroniques sur l'impact des propriétés électromagnétiques est très importante, principalement dans l'induction électromagnétique, l'inductance et la fermeture magnétique, le blindage électromagnétique, et d'autres aspects. Dans le processus d'induction électromagnétique, la perméabilité magnétique détermine la capacité du matériau à répondre aux changements du champ magnétique, qui à son tour affecte la taille du courant induit.
La sélection de matériaux présentant une perméabilité appropriée peut améliorer l'efficacité et les performances de dispositifs tels que les transformateurs et les inducteurs. Dans les inducteurs, les matériaux à haute perméabilité peuvent améliorer la relation entre le courant induit dans la bobine et l'intensité du champ magnétique, améliorant ainsi l'efficacité et la sensibilité du dispositif. Dans les matériaux de confinement magnétique, les matériaux à haute perméabilité magnétique peuvent réduire efficacement les fuites de champ magnétique et améliorer la concentration et l'efficacité du champ magnétique.
En outre, la perméabilité magnétique joue également un rôle important dans le blindage électromagnétique, et la sélection de matériaux à haute perméabilité magnétique peut absorber, réfléchir ou disperser efficacement l'énergie des ondes électromagnétiques, et réduire les interférences et les dommages causés par les rayonnements électromagnétiques sur les équipements électroniques, les équipements de communication et les équipements aérospatiaux. La perméabilité magnétique joue donc un rôle crucial dans l'optimisation des performances électromagnétiques des produits électroniques, l'amélioration de l'efficacité des équipements et la réduction des interférences électromagnétiques.
Fig. 7 Perméabilité magnétique
3.2 Densité de flux magnétique à saturation
Ladensité de flux magnétique à saturation (DFPS ) désigne une valeur limite de l'intensité de l'induction magnétique (intensité du champ magnétique) dans un matériau magnétique qui est progressivement atteinte à mesure que l'intensité du champ magnétique appliqué augmente. Lorsque l'intensité du champ magnétique augmente encore, l'intensité du champ magnétique à l'intérieur du matériau n'augmente plus, et cette valeur limite est la densité de flux magnétique de saturation du matériau. En résumé, l'induction magnétique à saturation est l'intensité maximale du champ magnétique qu'un matériau peut supporter. L'intensité de l'induction magnétique à saturation a un impact important sur l'application, qui se reflète principalement dans plusieurs aspects.
Tout d'abord, la force d'induction magnétique à saturation d'un matériau détermine l'énergie magnétique maximale qu'il peut stocker dans un champ magnétique intense, au-delà de laquelle le matériau ne peut plus améliorer ses propriétés magnétiques, ce qui est crucial pour la conception de composants magnétiques à haute performance (par exemple, inductances, transformateurs, aimants permanents, etc.) Les matériaux ayant une force d'induction magnétique à saturation élevée peuvent fonctionner à des intensités de champ magnétique plus élevées, fournissant un flux magnétique plus important pour les dispositifs à haute puissance et à haut rendement.
Deuxièmement, dans les composants magnétiques tels que les inducteurs et les transformateurs, une force d'induction magnétique à saturation élevée signifie qu'une plus grande quantité d'énergie magnétique peut être stockée dans le même volume, ce qui permet des conceptions miniaturisées. Par exemple, l'utilisation de matériaux à force d'induction magnétique à saturation élevée dans les transformateurs permet de réduire la taille du noyau et de diminuer le poids du dispositif tout en maintenant des performances et une efficacité élevées.
En outre, les exigences en matière de force d'induction magnétique à saturation varient selon les applications. Dans les équipements électroniques à haute fréquence, le traitement des signaux et les équipements électriques de grande puissance, le choix de matériaux à force d'induction magnétique à saturation élevée peut améliorer efficacement les performances du système. Dans les transformateurs de puissance, cette caractéristique peut augmenter la densité du flux magnétique, réduire les pertes du noyau et donc améliorer l'efficacité du transformateur.
Enfin, l'induction magnétique à saturation est également affectée par la température, la plupart des matériaux ayant une induction magnétique à saturation décroissante à mesure que la température augmente, ce qui est particulièrement important pour les applications dans des environnements de fonctionnement à haute température, notamment dans l'électronique automobile, l'aérospatiale et l'équipement énergétique, où il est essentiel de sélectionner des matériaux qui maintiennent une induction magnétique à saturation élevée à des températures élevées.
Fig. 8 Densité de flux magnétique à saturation
3.3 Coercivité
Lacoercivité est l'une des propriétés importantes des matériaux magnétiques et désigne la capacité d'un matériau à conserver ses propriétés magnétiques après la suppression du champ magnétique, ou l'intensité minimale du champ magnétique externe nécessaire pour inverser le sens de l'aimantation du matériau. Elle reflète la capacité du matériau à résister à l'inversion de l'aimantation et est donc essentielle à la performance des aimants permanents. L'influence de la coercivité sur les aimants permanents se reflète principalement dans la stabilité magnétique, la résistance à la désaimantation, l'intensité du champ magnétique en fonction du volume et la sélection des applications. Une coercivité élevée signifie que le matériau peut conserver des propriétés magnétiques fortes, même sous l'influence d'un champ magnétique ambiant externe ou de changements de température, pendant une période plus longue, ce qui est essentiel pour les applications nécessitant une stabilité à long terme, telles que les moteurs électriques, les générateurs et les capteurs.
En outre, plus la coercivité est élevée, plus la capacité de démagnétisation du matériau est forte. Même à des températures élevées ou sous l'influence de champs magnétiques externes puissants et d'autres environnements difficiles, le matériau ne perd pas facilement ses propriétés magnétiques, de sorte que les performances des aimants permanents à haute coercivité dans des environnements de fonctionnement complexes sont supérieures et qu'ils sont largement utilisés dans l'automobile, l'aérospatiale et d'autres domaines. Les aimants permanents à haute coercivité permettent d'obtenir des champs magnétiques plus puissants dans un volume plus petit, ce qui est particulièrement important pour les équipements miniaturisés, les instruments de précision et les appareils mobiles. Par exemple, dans les moteurs miniatures, les capteurs et les entraînements magnétiques à haut rendement, les aimants permanents à haute coercivité peuvent fournir une force magnétique suffisante pour améliorer l'efficacité et les performances de l'équipement. Les exigences en matière de coercivité varient d'une application à l'autre, les matériaux à haute coercivité étant souvent choisis pour les applications qui nécessitent des champs magnétiques puissants et stables, comme les moteurs électriques, les générateurs à aimants permanents et les entraînements magnétiques, tandis que les matériaux à faible coercivité sont suffisants pour les applications qui ne nécessitent pas de champs magnétiques puissants, ce qui permet de réduire les coûts.
4 Les matériaux magnétiques dans les appareils électroniques
Les matériaux magnétiques jouent un rôle crucial dans divers dispositifs électroniques, notamment les alimentations électriques, les transformateurs, les systèmes de stockage de données, les moteurs, les capteurs et les dispositifs de communication sans fil, en raison de leur capacité à interagir avec les champs magnétiques et à faciliter la conversion d'énergie, le stockage de données et la transmission de signaux.
4.1 Alimentations et transformateurs
Dans les alimentations électriques et les transformateurs, les matériaux magnétiques sont essentiels pour la conversion et la régulation de la tension. Les transformateurs, par exemple, reposent sur des noyaux magnétiques constitués de matériaux magnétiques doux tels que l'acier au silicium ou la ferrite. Ces matériaux améliorent l'efficacité de l'induction électromagnétique, ce qui permet au transformateur d'augmenter ou de diminuer la tension de manière efficace. Les propriétés magnétiques permettent le transfert d'énergie électrique d'une bobine à l'autre sans contact électrique direct, ce qui rend les transformateurs indispensables dans les systèmes de distribution d'énergie, où ils convertissent l'électricité à haute tension pour une utilisation sûre dans les foyers et les industries.
4.2 Stockage de données
Les matériaux magnétiques sont également essentiels dans les applications de stockage de données, en particulier dans les disques durs (HDD) et les bandes magnétiques. Dans les disques durs, de fines couches de matériaux magnétiques sont utilisées pour stocker des informations numériques. Les têtes de lecture/écriture du disque modifient l'alignement magnétique sur la surface du disque, ce qui permet d'écrire ou de récupérer des données. Les bandes magnétiques, couramment utilisées pour le stockage de sauvegarde, utilisent également des principes similaires pour stocker les données dans un champ magnétique, ce qui permet la conservation des données à long terme.
4.3 Moteurs et capteurs
Dans les moteurs et les capteurs, les matériaux magnétiques facilitent la conversion de l'énergie électrique en mouvement mécanique et vice versa. Par exemple, les aimants permanents et les électro-aimants sont utilisés dans la conception des moteurs électriques, y compris les moteurs sans balais, qui sont largement utilisés dans des applications allant de l'automobile à la robotique. Les capteurs, tels que les capteurs de courant, utilisent des matériaux magnétiques pour détecter et mesurer les champs magnétiques produits par les courants électriques, fournissant ainsi un retour d'information essentiel dans les systèmes de contrôle.
Fig. 9 Capteurs magnétiques
Les matériaux magnétiques sont également importants dans les technologies de communication sans fil. Dans les appareils sans fil, les composants tels que les antennes, les modulateurs, les démodulateurs et les composants radiofréquences (RF) reposent sur des matériaux magnétiques pour optimiser la transmission et la réception des signaux. Ces matériaux aident à focaliser et à guider les ondes électromagnétiques, améliorant ainsi les performances des systèmes de communication, tels que les téléphones mobiles, les routeurs Wi-Fi et les communications par satellite.
5 Conclusion
Les matériaux magnétiques sont essentiels dans un large éventail de dispositifs électroniques, jouant un rôle clé dans la conversion de l'énergie, le stockage des données, le contrôle des mouvements et la transmission des signaux. Dans les alimentations électriques et les transformateurs, ils permettent une régulation efficace de la tension, tandis que dans les systèmes de stockage de données tels que les disques durs et les bandes magnétiques, ils facilitent l'enregistrement et la récupération fiables des données. Dans les moteurs et les capteurs, les matériaux magnétiques font partie intégrante de la conversion de l'énergie et des mesures précises, alimentant tout, des véhicules électriques aux robots industriels. En outre, les composants magnétiques des appareils de communication sans fil améliorent les performances des antennes et des composants RF, garantissant une transmission et une réception optimales des signaux. Dans l'ensemble, les matériaux magnétiques sont essentiels à la fonctionnalité et aux performances de l'électronique moderne.
Stanford Advanced Materials (SAM) est un fournisseur clé de matériaux magnétiques de haute qualité, qui soutient ces applications critiques grâce à des solutions matérielles fiables.
Pour en savoir plus :
Matériaux électroniques essentiels : Partie 1 - Silicium
Matériaux électroniques essentiels : Partie 2 - Carbure de silicium
Matériaux électroniques essentiels : Partie 3 - Germanium
Matériaux électroniques essentiels : Partie 4 - Composés du gallium
Matériaux électroniques essentiels : Partie 5 - Matériaux à base de carbone
Matériaux électroniques essentiels : Partie 6 - Matériaux conducteurs et isolants
