Il existe plusieurs types de matériaux magnétiques doux.
Fer et aciers à faible teneur en carbone
Le fer et les aciers à faible teneur en carbone sont probablement les matériaux magnétiques doux les plus courants et les moins chers. Ils ont une valeur assez élevée de BS ~ 2,15 T, qui n'est inférieure qu'aux alliages Fe-Co coûteux. Mais leurs résistivités sont plutôt faibles, ce qui limite leur utilisation dans les applications dynamiques. Le fer et les aciers à faible teneur en carbone sont généralement utilisés pour les applications statiques/basse fréquence, telles que le noyau d'électroaimant, les relais et certains moteurs de faible puissance pour lesquels le coût des matériaux est la préoccupation majeure.
Alliages fer-silicium
L'ajout d'un peu de silicium au fer augmentera considérablement sa résistivité et est donc très bénéfique pour inhiber la perte par courants de Foucault. Malgré une légère diminution de l'aimantation à saturation et de la température de Curie, les alliages Fe-Si sont largement utilisés dans les machines électriques fonctionnant entre 50 Hz et plusieurs centaines de Hz. Pour réduire davantage les pertes par courants de Foucault, les alliages Fe-Si sont souvent laminés sous forme de fines bandes. L'épaisseur de l'alliage Fe-Si le plus courant est égale ou inférieure à 0,35 mm. Selon les conditions de laminage et de traitement thermique, l'alliage Fe-Si peut être classé comme à grains orientés (GO) et non orientés (NO). GO Fe-Si est utilisé pour les transformateurs, tandis que NO Fe-Si est utilisé pour les moteurs électriques.
Alliages fer-nickel
Le nickel peut être ajouté au fer pour former des solutions solides uniformes dans une large gamme de compositions allant de 35 en poids. % à 80 en poids. %Ni. Les alliages avec une composition proche de Fe20Ni80 ont été appelés Permalloy (de nos jours, les gens ont tendance à appeler tous les alliages fer-nickel avec une teneur en nickel supérieure à 35 % en poids comme Permalloy). Une teneur mineure en d'autres éléments tels que Mo, Cu et Cr est généralement ajoutée pour améliorer les propriétés magnétiques du Permalloy. Traité par un ajustement délicat de la composition et un traitement thermique, le Permalloy peut être l'un des matériaux magnétiques les plus doux au monde, dont la perméabilité peut atteindre 1 200 000. L'un des inconvénients des Permalloys est leur aimantation à saturation, qui n'est que d'environ 0,8 T, bien inférieure à celle des alliages de fer et Fe-Si. Avec la diminution de la teneur en nickel, la BS augmentera d'abord et atteindra son maximum de 1,6 T avec une teneur en nickel d'environ 48 en poids. %, cependant, la perméabilité ne sera pas aussi bonne que celle des alliages à haute teneur en nickel. L'alliage fer-nickel est l'alliage magnétique le plus polyvalent, ses propriétés magnétiques peuvent être ajustées en ajustant la composition, le recuit magnétique et le laminage mécanique, etc. L'alliage fer-nickel présente également une très bonne formabilité, qui peut être laminé jusqu'à 20 microns. En conséquence, les alliages nickel-fer peuvent être trouvés dans de nombreuses applications telles que le blindage contre les champs magnétiques, les interrupteurs de fuite à la terre, les capteurs magnétiques, les têtes d'enregistrement pour bandes magnétiques, l'électronique de puissance, etc.
Alliages fer-cobalt
L'ajout de cobalt au fer augmentera à la fois la température de Curie et la BS. Pour une teneur en cobalt de l’ordre de 33 en poids. % à 50 en poids. %, le BS peut atteindre 2,4T. Bien qu’ils ne soient pas aussi doux que l’alliage fer-nickel, les alliages fer-cobalt présentent la valeur de BS la plus élevée parmi tous les autres alliages magnétiques. Pour augmenter la formabilité, 2 en poids. % de vanadium est ajouté à l'alliage Fe50Co50, afin qu'il puisse être laminé jusqu'à une épaisseur de 50 microns. L'ajout de vanadium peut également augmenter la résistivité de l'alliage fer-cobalt. En raison de leur BS le plus élevé, les alliages fer-cobalt sont indispensables pour les applications exigeant un rapport puissance/poids élevé, telles que les moteurs et les transformateurs utilisés dans les appareils spatiaux.
Alliages amorphes et nanocristallins
Les alliages amorphes, également appelés fréquemment verres métalliques, peuvent être produits par solidification rapide. Il n'y a pas d'ordre à longue distance pour les atomes dans les alliages amorphes, par conséquent, la résistivité est généralement élevée et il n'y a pas d'anisotropie magnétocristalline. De plus, des rubans amorphes aussi fins qu'environ 20 à 30 microns peuvent être facilement produits par coulée à flux plan. Toutes ces caractéristiques garantissent que les alliages amorphes sont d'excellents candidats pour les aimants doux. Selon les compositions, la plupart des aimants doux amorphes disponibles dans le commerce peuvent être classés comme à base de fer, à base de cobalt et à base de (Fe, Ni). Pour ces trois types, la teneur totale en Fe, Co et Ni est d'environ 75-90 % en poids, les résidus sont des métalloïdes et des éléments formant du verre tels que Si, B, P, C et Zr, Nb, Mo, etc. Parmi ces types, le type à base de fer a le BS le plus élevé d'environ 1,6 T et le coût le plus bas. Français La perte de fer de l'alliage amorphe à base de Fe n'est que d'un tiers de celle de l'acier Fe-Si. Si l'acier Fe-Si des transformateurs de puissance peut être remplacé par un alliage amorphe à base de Fe, une énorme quantité d'énergie électrique peut être économisée, mais le coût des matériaux pour ce dernier est plus élevé. Les alliages amorphes à base de Co ont généralement un BS inférieur à 0,8 T mais une perméabilité beaucoup plus élevée et une valeur de magnétostriction proche de zéro, comparable au permalloy le plus doux, et peuvent fonctionner encore mieux à des fréquences plus élevées en raison de sa résistivité plus élevée. Les alliages amorphes à base de (Fe, Ni) présentent des propriétés magnétiques moyennes par rapport aux deux autres.
L'état amorphe est un état métastable. Lors du chauffage au-dessus d'une température critique, la nucléation et la croissance des microcristaux se produisent rapidement. Pour les alliages magnétiques doux amorphes classiques, pendant la cristallisation, la taille des microcristaux va croître jusqu'à plusieurs centaines de nanomètres en très peu de temps et dégénérer considérablement les propriétés magnétiques douces. Néanmoins, les chercheurs ont découvert qu'en ajoutant une certaine quantité de Nb et de Cu à l'alliage amorphe à base de Fe, le processus de cristallisation peut être sous contrôle et une distribution uniforme de nanocristaux d'une taille d'environ 10 nm dans la matrice amorphe peut être obtenue. Les propriétés magnétiques d'un tel alliage nanocristallin à base de Fe sont encore plus douces que celles de l'alliage amorphe correspondant, c'est-à-dire une perméabilité plus élevée et une coercivité plus faible, bien que le BS soit également plus faible (~ 1,2 T). La source des excellentes propriétés magnétiques douces des alliages nanocristallins à base de Fe est que la valeur de l'anisotropie magnétocristalline et de la magnétostriction peut être réglée à près de zéro. Les alliages amorphes à base de permalloy et de cobalt peuvent également avoir une valeur proche de zéro d'anisotropie magnétocristalline et de magnétostriction, mais la BS des alliages nanocristallins à base de Fe est beaucoup plus élevée. Par conséquent, les alliages nanocristallins peuvent être l'un des matériaux magnétiques doux les plus prometteurs. Ils sont largement utilisés dans les chargeurs sans fil, les inducteurs haute fréquence, les capteurs magnétiques, les blindages électromagnétiques, les disjoncteurs de fuite à la terre, etc.
Composites magnétiques doux
Comme mentionné précédemment, l'épaisseur des matériaux magnétiques doux joue un rôle important pour réduire les pertes par courants de Foucault, ainsi les alliages magnétiques doux doivent être fabriqués sous forme de laminage mince pour les utilisations dynamiques. Si nous décomposons les deux autres dimensions de la bande magnétique douce, c'est-à-dire que nous utilisons les alliages magnétiques doux sous forme de poudres, les pertes par courants de Foucault peuvent être encore réduites et les composants fabriqués à partir de celles-ci peuvent être utilisés à des fréquences beaucoup plus élevées. Pour réaliser une telle utilisation, les poudres d'alliage sont d'abord préparées (dans la plupart des cas par des méthodes d'atomisation), les particules doivent ensuite être recouvertes d'une couche isolante, après quoi les poudres sont mélangées à une petite quantité de lubrifiant et comprimées à une pression intense de 600-800 MPa jusqu'à la forme finale. Les produits magnétiques doux fabriqués par de tels procédés sont appelés composites magnétiques doux (SMC) ou noyaux en poudre. Un autre avantage des SMC est qu'ils peuvent être transformés en divers noyaux de formes spéciales qui sont difficilement fabriqués par les méthodes traditionnelles d'empilement de laminages, ce qui profite à la conception innovante des dispositifs électromagnétiques. Le principal inconvénient des SMC est que leur perméabilité est relativement faible. De nos jours, les SMC les plus courants sont fabriqués à partir de poudres de Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, d'alliages amorphes et nanocristallins, etc.
Ferrites douces
Tous les matériaux magnétiques doux mentionnés ci-dessus sont des métaux, par conséquent, l'effet de courant de Foucault ne peut pas être évité. Les ferrites douces se distinguent par le fait qu'elles sont des composés ioniques et ont une résistivité de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des matériaux magnétiques doux métalliques. Par conséquent, pour les applications avec une fréquence allant jusqu'à 1 MHz, les ferrites douces sont les meilleurs choix en ce qui concerne les pertes d'énergie. Le principal inconvénient des ferrites douces est que le BS est relativement faible. Les deux types de ferrites douces les plus courantes sont les ferrites Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) et les ferrites Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Les ferrites Mn-Zn sont couramment utilisées en dessous de 1 MHz, tandis que les ferrites Ni-Zn peuvent être utilisées à des fréquences beaucoup plus élevées, mais le BS et la perméabilité de ces dernières sont plus faibles.
Pour conclure, les matériaux magnétiques doux sont sensibles aux champs magnétiques externes, ce qui les rend indispensables pour de nombreuses applications, notamment dans le domaine de l'électrotechnique, comme les transformateurs, les moteurs électriques, les chargeurs sans fil, les appareils électroniques de puissance, etc. Pour un bon aimant doux, sa densité de flux de saturation, sa perméabilité, sa résistivité et sa température de Curie doivent être aussi élevées que possible, tandis que sa coercivité et son coefficient de magnétostriction doivent être aussi faibles que possible. Il n'existe pas un seul type de matériaux magnétiques doux qui puisse surpasser tous les autres dans tous les aspects des performances. Pour choisir le matériau le plus adapté, un compromis entre le coût, la perte de fer, la densité de flux de saturation et la perméabilité doit être fait.
Le fer et les aciers à faible teneur en carbone ont une excellente densité de flux de saturation, mais leurs résistivités sont faibles, ce qui limite leur utilisation pour les applications dynamiques. Divers éléments d'alliage peuvent être ajoutés au fer pour optimiser ses performances magnétiques dans certains aspects. Les alliages Fe-Si ont des résistivités beaucoup plus élevées que le fer pur et des densités de flux de saturation relativement élevées, ils sont largement utilisés pour les transformateurs et les moteurs électriques fonctionnant à 50/60 Hz et occupent la plus grande part de l'ensemble du marché des matériaux magnétiques doux. Les alliages amorphes à base de Fe fonctionnent bien mieux que les alliages Fe-Si en ce qui concerne les pertes de fer et peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées, mais le coût est également plus élevé. Les alliages Fe-Co présentent la valeur la plus élevée de densité de flux de saturation. Avec la même puissance de sortie/couple, les machines électriques fabriquées à partir d'alliages Fe-Co peuvent avoir une taille plus petite et une masse moindre. Les alliages Fe-Ni, les alliages amorphes à base de Co et les alliages nanocristallins à base de Fe sont les matériaux magnétiques les plus doux, car les valeurs d'anisotropie magnétocristalline et de coefficient de magnétostriction pour eux peuvent être réglées à près de zéro simultanément. Parmi ceux-ci, les alliages nanocristallins à base de fer ont la densité de flux de saturation la plus élevée, ils sont l'un des types de matériaux magnétiques doux les plus prometteurs. Les SMC ou les noyaux en poudre fonctionneront mieux à des fréquences plus élevées que les autres matériaux magnétiques doux métalliques sous forme de bande mince car les particules sont séparées par des couches isolantes, ce qui permet d'inhiber considérablement l'effet de courant de Foucault. Les inconvénients des SMC sont la faible perméabilité et la perte d'hystérésis élevée. Les ferrites douces ont des résistivités de plusieurs ordres de grandeur supérieures à celles des matériaux magnétiques doux métalliques, par conséquent, elles sont pour l'instant le meilleur choix pour les fréquences de fonctionnement proches ou supérieures à 1 MHz, mais leurs densités de flux de saturation sont faibles. Certains spécialistes pensent que dans certaines applications, les ferrites douces pourraient être remplacées par des SMC pour réduire la taille et la masse des dispositifs haute fréquence si la technologie de traitement des SMC peut être améliorée.
