Développement et application des alliages magnétiques
Le développement et l’application des alliages magnétiques au XXe siècle ont été largement stimulés par les changements dans l’industrie électronique.
Applications des alliages magnétiques
Les alliages magnétiques sont utilisés dans trois applications principales. Tout d’abord, les aimants permanents sont nécessaires pour des appareils tels que les moteurs électriques et les générateurs, les haut-parleurs et les tubes de télévision qui utilisent des champs magnétiques constants.
Deuxièmement, les aciers électriques sont utilisés pour fabriquer des électroaimants, des solénoïdes, des transformateurs et d’autres appareils impliquant des champs magnétiques changeants.
Enfin, ils sont utilisés dans les supports de stockage magnétiques, qui nécessitent des matériaux magnétiques qui conservent l’impression de champs magnétiques externes.
Les types de matériaux magnétiques les plus importants
Les types de matériaux magnétiques les plus importants sont les ferromagnétiques, dont les plus couramment utilisés sont le fer, le cobalt et le nickel. Les ferromagnétiques ont une capacité magnétique élevée, ce qui permet de créer des inductions magnétiques élevées à l’aide de champs magnétiques. Ils conservent également le magnétisme afin de pouvoir être utilisés comme source de champ dans les moteurs électriques ou pour enregistrer des informations. Les ferromagnétiques sont utilisés dans la fabrication d’aciers électriques et de supports magnétiques.
Au début du XXe siècle, les matériaux magnétiques les plus couramment utilisés étaient les alliages d’acier contenant du tungstène ou du chrome. L’acier au chrome en est venu à dominer le marché en raison de son coût inférieur. En 1917, Honda et Takai ont découvert que l’ajout de cobalt doublait la coercivité de l’acier au chrome.
Les aciers au cobalt et au chrome ont été commercialisés au début des années 1920. Le premier alliage majeur à aimant permanent, l’Alnico, a été découvert en 1930 par Mishima et introduit commercialement à la fin des années 1930. Alliage d’acier, d’aluminium, de nickel et de cobalt, l’Alnico a des propriétés magnétiques environ huit fois supérieures à celles des aciers au chrome-cobalt.
Introduites dans les années 1950, les ferrites (matériaux ferromagnétiques céramiques) sont une classe d’aimants fabriqués à partir d’un mélange d’oxyde de fer et d’autres oxydes tels que le nickel ou le zinc. Les ferrites ont une résistivité considérablement accrue car elles sont des oxydes plutôt que des alliages de métaux.
Ils sont également très durs, ce qui est utile dans les applications où l’usure est un facteur, comme les têtes d’enregistrement magnétiques. Contrairement aux métaux en vrac, les aimants en céramique peuvent être moulés directement.
Bien qu’ils ne soient pas aussi puissants en poids unitaire qu’Alnico, les aimants en ferrite sont beaucoup moins chers et représentent la grande majorité des aimants utilisés dans l’industrie à la fin du XXe siècle – environ 90 % en poids dans les années 1990, par exemple.
Les matériaux magnétiques les plus puissants sont les aimants en terres rares, produits à partir d’alliages contenant des éléments de terres rares samarium et néodyme. Les aimants samarium-cobalt ont été introduits au début des années 1970, mais l’augmentation du prix du cobalt due aux troubles au Zaïre a limité leur utilisation.
En 1983, des aimants basés sur un alliage néodyme-fer-bore ont été introduits. Le néodyme est moins cher et plus largement disponible que le samarium, et les aimants néodyme-fer-bore étaient les matériaux magnétiques les plus puissants disponibles à la fin du XXe siècle.
Cependant, toutes les applications ne nécessitent pas le champ magnétique le plus puissant possible. Tout au long du XXe siècle, les électroaimants et les relais électromagnétiques ont été construits presque exclusivement en fer doux. Ce matériau réagit rapidement aux champs magnétiques et est facilement saturé.
Il a également une faible rémanence (une mesure de la force d’un champ magnétique restant), de sorte qu’il y a peu de champ résiduel lorsque le champ magnétique externe est supprimé.
Pour les transformateurs, les propriétés des matériaux souhaitées sont similaires mais pas identiques à celles des électroaimants. La principale propriété supplémentaire souhaitée est une faible conductivité, ce qui limite les pertes par courants de Foucault.
Développé pour la première fois juste après 1900, le matériau principal utilisé pour les transformateurs de puissance est donc un alliage silicium-fer, le silicium représentant environ 3 à 4 % en poids.
L’alliage est traité thermiquement et travaillé pour orienter la structure du grain afin d’augmenter la perméabilité dans une direction souhaitée. L’alliage aluminium-fer est également un matériau approprié pour cette application, bien qu’il soit moins utilisé en raison de son coût plus élevé.
Les transformateurs pour les applications qui impliquent l’audio et les fréquences plus élevées utilisent des alliages nickel-fer, avec une teneur en nickel de 30 % ou plus. Les noms commerciaux courants pour ces alliages comprennent Permalloy, Mumetal et Supermalloy.
Ces alliages ont été développés au début du XXe siècle et ont d’abord été fabriqués en quantité pour être utilisés comme blindage de câbles sous-marins. Le déclin de la production de câbles dans les années 1930 a conduit à leur utilisation dans les transformateurs et les applications connexes.
L’enregistrement magnétique a été développé pour la première fois par l’inventeur danois Valdemar Poulsen au début du XXe siècle et utilisé pour l’enregistrement sonore. Le premier matériau utilisé pour l’enregistrement magnétique, le fil d’acier solide ou la bande, a été développé à l’origine pour d’autres applications.
Par exemple, la corde à piano en acier a été utilisée comme support d’enregistrement pour les premiers enregistreurs à fil. Cependant, la propriété qui rend certains alliages d’acier adaptés à l’enregistrement magnétique, un fort magnétisme résiduel, est associée à une rigidité accrue. Ainsi, une bande d’enregistrement ou un fil en acier allié magnétique est très résistant à la flexion. Cela crée des difficultés dans la conception d’un mécanisme permettant de déplacer le support d’enregistrement au-delà de la tête d’enregistrement.
En conséquence, à la fin des années 1930, la plupart des supports d’enregistrement ont été divisés en deux parties. La première partie était un substrat approprié, tel qu’un fil de laiton ou un ruban en plastique qui pouvait être facilement alimenté par un mécanisme de bobine ou de cassette.
La deuxième partie était un revêtement qui avait des propriétés magnétiques appropriées pour l’enregistrement. À la fin des années 1940, il était clair que le support d’enregistrement le moins cher et le plus facile à utiliser pour l’enregistrement sonore était une bande de plastique recouverte de particules d’un type d’oxyde de fer (oxyde ferrique gamma). Ce type de ruban a continué à être utilisé jusqu’à la fin de la
XXe siècle en raison de son faible coût. Au cours des années 1970, de nouvelles particules de dioxyde de chrome et d’oxyde ferrique dopé au cobalt ont été introduites en raison de leurs propriétés magnétiques supérieures, mais leur coût plus élevé signifiait qu’elles n’étaient utilisées que pour des applications d’enregistrement audio plus spécialisées.
À partir des années 1950, des supports magnétiques à base de particules d’oxyde ferrique ont été utilisés pour l’enregistrement de données informatiques. Les premières applications d’enregistrement informatique utilisaient du ruban plastique enduit.
Les disques métalliques recouverts d’oxyde de fer ont été introduits à la fin des années 1950 pour être utilisés dans les lecteurs de disques d’ordinateur. Dans les années 1990, de minces pellicules métalliques en alliage de cobalt ont largement remplacé l’oxyde métallique comme support d’enregistrement des disques durs.
En plus des matériaux ferromagnétiques, il existe deux classes supplémentaires d’alliages magnétiques : les paraaimants et les dia aimants. Mis à part leur utilisation dans l’étude scientifique du magnétisme, les paraaimants ont des utilisations limitées. Une application limitée est la production de très basses températures. Les sels paramagnétiques peuvent être refroidis de manière conventionnelle puis démagnétisés, produisant des températures de l’ordre du millikelvin.
Les matériaux supraconducteurs sont une sous-classe des diaaimants. Lorsqu’ils sont refroidis à une température suffisamment basse, les matériaux supraconducteurs subissent une baisse significative de leur résistance. Cette transition est associée à l’exclusion du flux magnétique du conducteur, le flux se déplaçant vers la surface du conducteur.
Ces propriétés permettent la production de champs magnétiques très élevés lors de l’utilisation d’alliages niobium-étain comme matériau conducteur. Ces matériaux ont également été utilisés dans le développement d’appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM), bien que dans les années 1990, les aimants supraconducteurs aient été remplacés dans cette application par des systèmes d’aimants permanents néodyme-fer-bore.