Les aimants nanocomposites à couplage d’échange magnétique « exchange spring ma-gnets » sont composés d’une phase magnétique dure, ayant une forte coercivité, couplée par échange magnétique à une phase douce de haute aimantation. Ces aimants biphasés présentent ainsi des performances supérieures à celles des aimants classiques. Cependant, trois conditions sont requises pour l’obtention d’un couplage d’échange efficace :
— Des particules de phase douce d’une taille deux fois inférieure à la taille de la paroi de Bloch de celles de la phase dure
— Des particules de phase dure d’une taille n’excédant pas la taille critique d’un mono-domaine (pour une coercivité plus élevée)
— Un mélange parfaitement homogène entre les deux phases avec un maximum de sur-face de contact entre les particules
Dans ce travail, l’alliage Fe-Co avec 35 % de Co a été sélectionné comme phase magné-tique douce pour son aimantation à saturation la plus élevée parmi les alliages magnémagné-tiques. Quant à la phase dure, le choix a été porté sur le SrFe12O19pour sa facilité de production et son faible coût. Pour cela, ce travail s’est déroulé en trois étapes consistant à l’élaboration et l’optimisation des propriétés des nanoparticules des matériaux doux et durs puis à leurs assemblages pour l’obtention d’un aimant nanocomposite.
Le défi de de la première étape a été d’élaborer des nanoparticules de Fe-Co d’une taille maximale de 20 nm (la taille de la paroi de Bloch du SrFe12O19étant d’environ 9 nm) en uti-lisant une méthode de synthèse simple à mettre en œuvre et peu coûteuse. Pour cela, la méthode polyol s’est avérée être le meilleur choix.
Dans un premier temps, à titre de référence, des nanoparticules de Fe-Co d’une centaine de nanomètres ont été synthétisées en se basant sur des travaux précédents. Ensuite des tentatives de réduction de la taille des particules ont été réalisées de trois manières :
— La première stratégie visait à ralentir la croissance les nanoparticules via l’utilisation de surfactants. L’acide oléique, le SDS et l’olélyamine, avec différentes concentrations, ont donc été employés. Des effets sur la morphologie ont été observés, cependant au-cun de ces produits n’a donné de résultat concluant quant à la diminution de la taille.
— La seconde stratégie consistait à diminuer la concentration en précurseurs métalliques dans le but d’augmenter la constante de diffusion et ainsi réduire la vitesse de crois-sance des particules. Cette méthode a effectivement permis de diminuer la taille des particules jusqu’à une limite d’une trentaine de nanomètres. Cependant, le contrôle de la composition de l’alliage s’est avéré difficile. Couplé aux très faibles quantités de matière récupérées, cette stratégie s’est montrée peu attrayante.
— Enfin, la dernière stratégie reposait sur l’introduction de germes d’un métal noble qui servent de sites de croissance pour les particules de Fe-Co, supprimant ainsi l’étape de nucléation. L’agent nucléant utilisé est le Ru sous forme de RuCl3. Cette méthode a permis de moduler avec succès la taille des particules de Fe-Co par le simple contrôle de la quantité de ruthénium introduite. Des particules d’une dizaines de nanomètres et présentant un haut niveau de cristallinité ont ainsi été produites. Les propriétés ma-gnétiques de ces dernières se sont révélées très satisfaisantes en comparaison de celles de tailles similaires obtenues par d’autres méthodes.
Au vu des résultats obtenus, c’est cette dernière méthode qui a été retenue pour la synthèse des nanocomposites.
Quant à la phase dure, la synthèse a été réalisée par voie sol gel, méthode à la fois peu coûteuse et permettant de contrôler facilement la taille des particules du fait des nombreux paramètres régissant la synthèse. Ainsi une phase pure de SrFe12O19a été obtenue avec des nanoparticules sous forme de plaquettes d’environ 150 nm de largeur et 50 nm d’épaisseur, soit largement inférieures à la taille critique d’un monodomaine (à savoir environ 500 nm). Cette taille leur confère une coercivité élevée proche de la limite théorique reportée dans la littérature. Cependant, ces particules sont hautement agglomérées ce qui représente un obstacle au couplage d’échange magnétique.
sol-gel modifiée » a été mise en place. Elle se distingue par une calcination dans une matrice de NaCl qui sert de barrière de diffusion inter-particules. Cela a abouti à des nanoparticules monodomaines bien dispersées et possédant des propriétés magnétiques plus élevées que celles obtenues par voie sol gel classique.
Finalement, quelques tentatives d’assemblage des phases dure d’hexaferrite de stron-tium et douce de Fe-Co ont été menées dans le but d’obtenir un aimant nanocomposite à couplage d’échange magnétique.
La première méthode utilisée, dite « ex-situ », consiste en un simple mélange par broyage des deux poudres. Les mesures magnétiques effectuées sur ce composite n’ont malheureu-sement pas montré de couplage entre les deux phases. L’absence de couplage a été attribuée à la présence d’une couche d’oxyde surfacique sur les nanoparticules de Fe-Co.
Cette difficulté a pu être contournée par l’utilisation d’une méthode dite « in-situ » dans laquelle le couplage dur-doux est réalisé lors de la synthèse des nanoparticules de Fe-Co par l’introduction des nanoparticules de SrFe12O19dans le milieu réactionnel. Un couplage d’échange magnétique a été obtenu pour les nanocomposites avec des teneurs de 5 % et 10 % en Fe-Co, ainsi qu’une légère amélioration des propriétés magnétiques pour celui à 5 %.
Ce léger gain en performances magnétiques pourrait être considérablement amélioré par la densification des poudres nanocomposites assurant ainsi une surface de contact inter-phase maximale. Pour cela, une étude préliminaire de la stabilité du mélange a été réalisée par diffraction des rayons X à haute température sous vide. Cette étude montre une oxyda-tion du Fe-Co à partir d’une température de 550 °C. Au vu de ces résultats, des techniques de frittage à basse température tel que le frittage hydro/solvothermal sont envisageables.
Par ailleurs, il serait intéressant d’investiguer l’effet de la taille des particules de la phase douce sur le couplage d’échange magnétique. En effet, la taille critique requise pour un cou-plage d’échange optimal, étant calculée théoriquement à partir des caractéristiques du ma-tériau massif, est généralement sous estimée. Cette étude sera d’autant plus aisée à réaliser que la méthode de synthèse du Fe-Co, développée dans ce travail, permet de moduler fine-ment la taille des particules.