Si tu veux optimiser ton aimant, regarde sous l’échelle du micron...

Les aimants permanents ont un rôle crucial à jouer dans l’électrification de notre société – par exemple dans la génération d’énergie renouvelable dans les éoliennes par exemple ou encore dans les véhicules électriques. L'amélioration de leurs performances est donc devenue un défi majeur de la transition vers la neutralité carbone. Par ailleurs, des efforts constants de recherche et de développement cherchent à les rendre également davantage compatibles avec des objectifs de durabilité et d’impact sociétal et humains, ce qui passe en partie par la nécessité d’améliorer la composition et les conditions de fabrication industrielle de ces aimants. Or leurs propriétés sont dues à un arrangement très complexe de multiples phases nanométriques, à la fois aux interfaces entre des phases à l'échelle atomique mais aussi au voisinage de défauts microstructuraux à l’échelle de centaines de micromètres, généralement des joints de grain, qui empêchent les aimants d'atteindre leurs performances théoriques maximales. Afin de continuer l’optimisation des aimants permanents, il est donc primordial de chercher à comprendre les principes qui sous-tendent la formation de la microstructure, la distribution nanométrique de ces phases complexes et les domaines magnétiques, afin d’en rationaliser par la suite les propriétés macroscopiques, et s’éviter ainsi un empirisme lent et coûteux.

Ces recherches ont été menées dans le laboratoire CNRS suivant :

• Groupe de physique des matériaux (GPM, CNRS/INSA Rouen/Université de Rouen Normandie)

Dans un récent article, une collaboration internationale de chercheurs et chercheuses a étudié des aimants permanents samarium-cobalt dans lesquels 20% du cobalt a été remplacé par du fer, un élément plus abondant et moins critique en termes de ressources, mais qui modifie aussi la formation et les équilibres des phases d’intérêt. Par une combinaison de techniques de microscopie optique, de microscopie électronique à balayage et à transmission pour imager la microstructure micrométrique, l’arrangement atomique au sein des phases et la structure des domaines magnétiques, et enfin la sonde atomique tomographique pour déterminer la composition à l’échelle nanométrique, les scientifiques ont réussi à corréler les informations microstructurales et magnétiques recueillies à plusieurs échelles de longueur pour guider des simulations du déplacement des domaines magnétiques. Ces simulations ont quant à elles donné accès à la prédiction des propriétés macroscopiques du matériau magnétique. 

De manière inattendue, les chercheurs et chercheuses ont découvert que ce ne sont pas les joints de grains qui limitent la coercivité – la “stabilité” d’un aimant permanent – mais l’absence de quelques couches atomiques d’une phase particulière (1:5) sur les plaquettes d’une autre phase complexe (Z) dont le rôle est d’isoler magnétiquement les différentes régions magnétiques les unes des autres. La caractérisation multi-échelle permise par la combinaison de techniques de pointe a montré que pour obtenir des propriétés magnétiques optimales, il faut s’attacher principalement à optimiser la microstructure au sein même de chaque grain du matériau. Cette étape importante a conduit à améliorer la fabrication de ces aimants en utilisant une meilleure homogénéité des éléments constitutifs de ces aimants, critiques pour certaines applications à haute température ou dans des environnements corrosifs. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.