Nanoparticules de Fe16N2 pour la fabrication d’aimant permanent. – FENMAG

Le projet « FENMAG » répond au besoin de développer de nouveaux nanomatériaux pour la production d’aimants permanents de forte puissance et présentant une empreinte écologique réduite tout au long de leur cycle de vie.
La question des aimants permanents est redevenue stratégique cette dernière décennie. Les aimants sont composés de matériaux magnétiques qualifiés de « durs », c’est à dire à forte aimantation spontanée et forte anisotropie, capables de stocker de fortes énergies magnétiques par unité de masse et de volume. A ce jour, les aimants à moyenne et forte performance nécessitent des matériaux à base de terres rares comme le SmCo ou le NdFeB. Ce dernier doit être dopé au dysprosium au coût prohibitif pour maintenir leur niveau de performance jusqu’à 100-150°C. Avec le développement de l’électrification des systèmes, la production d’énergie électrique à partir d’énergies renouvelables (éolien, maritime), les véhicules hybrides, le besoin croît très rapidement. Les applications militaires, avec l’augmentation de la puissance électrique embarquée, l’augmentation du nombre d’organes à commande électrique n’échappent pas à cette tendance. Or, les ressources en terres rares sont limitées, chères et un quasi-monopole de la Chine. Pour réduire cette dépendance, il est nécessaire de produire de nouvelles phases magnétiques avec des performances accrues, et de mettre en œuvre des solutions alternatives à l’usage des terres rares. Pour répondre à ce besoin fondamental, le projet FENMAG a pour objectif de produire des nanoparticules (NPs) monodomaines magnétiques à base de nitrure de Fer (phase a’’- Fe16N2) qui pourraient être intégrées comme nouvelles briques dans les aimants permanents. La phase visée a’’- Fe16N2 présente de sérieux atouts :
- une aimantation spontanée supérieure à celle du Fe massif.
- la plus forte anisotropie pour un matériau ne comprenant pas de métal lourd, métal noble ou terre rare.
- l’absence de risque de pollution diffuse en cas de dissémination, et de non recyclage.
- le plus faible coût au regard des éléments qui la composent.
- un potentiel d’énergie stockée théorique de 135 MGOe, supérieur aux meilleurs matériaux dopés aux terres rares (60 MGOe)
Pour mener ce projet ambitieux, FENMAG associe 3 laboratoires toulousains qui ont des expertises complémentaires en science des nanomatériaux : le LCC pour la synthèse par voie chimique de NPs métalliques et magnétiques parfaitement calibrées, le CEMES pour l’étude de l’ordre chimique et structural et la mise en forme par frittage SPS (spark plasma sintering), et le LPCNO pour l’étude des propriétés magnétiques de NPs. Les objectifs du projet sont :
- développer une voie de synthèse chimique nouvelle, univoque et reproductible de NPs modèles de nitrure de Fer a’’- Fe16N2 (composition, ordres chimique et atomique contrôlés)
- qualifier cette phase pour la fabrication d’aimants, potentiellement dans la zone intermédiaire entre les aimants de terre rare et les ferrites.
- mettre en forme ces NPs pour fabriquer un petit aimant à base de nitrure de Fer a’’- Fe16N2 (masse de 1g).
- poser les premiers jalons pour aller vers un scale-up de la production de ces NPs (et donc des aimants correspondants).
La démarche associera des sous-traitants industriels pour la phase de scale-up.