perspective et contexte
1.2 Les aimants permanents à base de terres rares
1.2.1 Définitions et propriétés principales
Les aimants permanents à base de terres rares (APTR) sont divisés en deux catégories distinctes : les aimants néodyme-fer-bore (NdFeB) et les aimants samarium-cobalt (SmCo). 12,1314
La structure chimique des aimants NdFeB consiste en une phase matricielle de stœchiométrie Nd2Fe14B entourée de parties riches en néodyme et contenant des adjuvants de terres rares - praséodyme, gadolinium, terbium et dysprosium - mais aussi d’autres éléments comme du cobalt, vanadium, titane, zirconium, molybdène ou encore du niobium15. La teneur en adjuvants varie d’un aimant à l’autre en fonction de l’application finale visée. Pour finir, notons que les aimants NdFeB sont très souvent recouverts d’une couche protectrice sous la forme de résine ou d’alliage métallique.
Pour les aimants de type SmCo, deux stœchiométries différentes sont possibles : SmCo5 et Sm2Co17. Contrairement aux aimants NdFeB, aucune autre terre rare n’est insérée dans l’alliage comme adjuvant, mais des métaux de transition, tels que le fer, le zirconium ou le cuivre s’y retrouvent fréquemment.
Sans rentrer dans le détail des propriétés magnétiques, un aimant se caractérise par deux grandeurs importantes, sa capacité à engendrer un champ magnétique - représentée par son produit d’énergie volumique (BH)max - et sa température de Curie. Le Tableau 1.2 présente les valeurs de ces deux grandeurs pour les aimants permanents à base de terres rares et les aimants permanents plus anciens. (BH)max
est la propriété magnétique la plus importante car elle représente l’énergie potentielle maximale de l’aimant par unité de volume. En effet, si un aimant ne crée pas d’énergie, il permet de la transférer et d’en modifier la nature si besoin.
Céline Bonnaud / Thèse / 2017 / Université de Grenoble Alpes
Le Tableau 1.2 montre bien que l’apport des terres rares dans les alliages d’aimants permanents a conduit à une multiplication d’un facteur compris entre 3 et 10 pour cette propriété. L’augmentation de (BH)max a ainsi permis la miniaturisation des aimants mais aussi la conception d’aimants plus puissants. L’autre propriété importante des aimants permanents, présentée également dans le Tableau 1.2, est la température de Curie. Il s’agit de la température à laquelle l’aimant peut se désaimanter et donc de sa température maximale d’utilisation. Cette valeur est quasi-constante pour les différents aimants permanents à l’exception de l’aimant NdFeB qui possède une température de Curie de 320°C, bien inférieure à celle des autres aimants. L’addition d’une autre terre rare, le dysprosium, dans la matrice des aimants de NdFeB permet d’augmenter cette valeur. Pour des raisons évidentes, ce sont les aimants de types SmCo qui sont préférentiellement utilisés dans les applications nécessitant des hautes températures de travail.
Type d’aimant Phase principale (BH)max (kJ m-3) T° Curie (°C)
Ferrite SrFe12O19 28 770
AlNiCo Fe48Al16Ni13Co21Cu2 43 800
SmCo SmCo5 150 800
SmCo Sm2Co17 220 800
NdFeB Nd2Fe14B 300 320
Tableau 1.2. Valeurs du produit d’énergie volumique et de la température de Curie de quelques aimants, les
APTR étant grisés16.
1.2.2 Les applications techniques
Les propriétés présentées ci-dessus ont fait la renommée des aimants permanents. Si les aimants NdFeB ont été fabriqués pour la première fois en 198712,13, il faut attendre 2007 pour que leur marché se développe et représente actuellement 95% du marché des APTR14. Les 5% du marché appartenant aux aimants SmCo concernent principalement l’imagerie médicale et les systèmes de guidage de missiles14. Les applications globales de ces deux aimants sont détaillées dans le
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Tableau 1.3. Il est frappant de constater que 67% des parts de marché sont concentrées dans des applications liées aux moteurs (*).
Application % du marché
Moteurs* 24,0
Disques durs, CD, DVD 16,3
Vélos électriques 8,4
Transducteurs, hauts parleurs 8,1
Séparation magnétique 4,6
IRM 3,9
Couple d’entrainement moteur* 3,3
Capteurs* 3,1
Générateurs* 3,0
Embrayage* 2,8
Air conditionné et ventilateurs 2,4
Système de stockage d’énergie 2,3
Générateurs d’éoliennes* 1,9
Jauges 1,5
Freinage magnétique* 1,5
Relais et commutateurs* 1,3
Systèmes d’inspection des tuyaux 0,9
Système de traction des véhicules électriques et hybrides* 0,8
Reprographie 0,6
Onduleurs 0,3
Autres 9,0
Tableau 1.3. Détail des applications des aimants permanents NdFeB et leur part de marché en 201011.
1.2.3 Le « potentiel recyclage »
En raison de la quantité de TR présentes dans les APTR et de la pression de leur marché, le recyclage de ces métaux est totalement justifié. Parmi les nuées d’applications, seuls les aimants des turbines d’éoliennes, des véhicules électriques et hybrides ou des disques durs ont un réel potentiel de recyclabilité. En effet, la
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principale barrière du recyclage des aimants réside dans les étapes d’isolement de ces derniers. Le procédé le plus utilisé en industrie consiste en la récupération magnétique des aimants. Malheureusement, dans le cas des déchets broyés, l’aimantation des petites quantités d’aimants est faible et la plupart de ces derniers restent collés en position dans des structures complexes17. Le recyclage d’aimants entiers, faciles à isoler, est donc bien plus simple et intéressant industriellement parlant.
La Figure 1.8 illustre parfaitement une autre difficulté rencontrée dans le domaine du recyclage des terres rares. La quantité massique de néodyme et dysprosium disponible pour le recyclage de 2011 à 2030 y est présentée suivant les trois secteurs les plus intéressants mais récents que sont l’éolien, le transport et le stockage de données. La durée de vie moyenne des éoliennes ou véhicules électriques et hybrides varie entre 10 et 20 ans, seuls les disques durs, à durée de vie plus courte, sont d’ores et déjà présents dans les flux de déchets en fin de vie et donc potentiellement recyclables.
Ainsi, jusqu’en 2020, les déchets d’aimants permanents provenant de ces trois applications demeureront relativement faibles par rapport à la demande mondiale de TR dont la croissance est rapide. Il est donc clair qu’au cours de la prochaine décennie, le recyclage ne devrait pas contribuer de manière significative à la sécurité de l’approvisionnement en terres rares. Néanmoins, à moyen et long terme, les flux de déchets vont fortement augmenter et pourront couvrir une part
Figure 1.8. Potentiel de recyclage mondial du néodyme et dysprosium par source d’application (éoliennes,
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substantielle de la demande totale de ces métaux. D’ici 2030, 9% de la demande en néodyme pourrait être remplie par le recyclage. Selon les prévisions, ce n’est que vers 2100 que la ressource provenant du recyclage pourrait répondre à près de 50% de la demande19.
Puisqu’il faut entre cinq et dix ans pour mettre en place une filière de recyclage18, le développement d’infrastructures et de technologies, pour la valorisation des terres rares contenues dans les aimants permanents, est essentiel pour sécuriser au plus vite l’approvisionnement.
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