Ionel Chicinaş Dépt. de Science et Technologie des Matériaux, Université Technique de Cluj-Napoca, Roumanie

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Norbert Morel
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1 Matériaux magnétiques nanocomposites de type doux-dur dur obtenus par broyage mécaniquem Ionel Chicinaş Dépt. de Science et Technologie des Matériaux, Université Technique de Cluj-Napoca, Roumanie Olivier Isnard Laboratoire de Cristallographie, CNRS, associé à l Université Joseph Fourier et à l INPG, Grenoble, France Viorel Pop Université Babeş-Bolyai, Faculté de Physique, Cluj-Napoca, Roumanie D. Givord Laboratoire de Magnétisme Louis Néel, CNRS, associé à l Université Joseph Fourier et à l INPG, Grenoble, France Jean Marie Le Breton Groupe de Physique des Matériaux, UMR CNRS 6634, Université de Rouen, France 1

2 Les matériaux nanophasés ont une comportement différent de leurs équivalent macroscopiques parce que leurs dimensions sont de l ordre de grandeur des longueurs caractéristiques des phénomènes physiques qui se manifestent dans les matériaux massifs. 2

3 Matériaux magnétiques nanocomposites de type doux-dur dur forte anisotropie + large aimantation La phase dure échange La phase douce aimants renforcés par l échange (exchange-spring magnets) 3

4 Matériaux magnétiques nanocomposites de type doux-dur dur forte anisotropie + large aimantation La phase dur échange La phase douce aimants renforcés par l échange (exchange-spring magnets) δ = π A / K D cr 2δ h h h D cr = la dimension critique de la phase douce δ h = la largeur de paroi de la phase dure A h et K h sont les constants d échange et d anisotropie h 4

5 Matériaux magnétiques nanocomposites de type doux-dur dur EXPERIMENTAL La présence du mécanisme de renforcement par l échange est montré par: La large réversibilité de la courbe de désaimantation } + Renforcement de la rémanence m r >.5 (m r = M r /M s ) r H = H r Fe T = 4 K θ 4 Fe Fe M (emu/g) µ H (T) Dans les matériaux durs nanocristallins une cristallisation complète ou quasi complète est nécessaire. 5

6 (BH) max = 19 kj/m 3 pour les multicouches nanostructurés Sm 2 Fe 17 N 3 /Fe 65 Co 35 R. Skomski, J. Appl. Phys. 76 (1994) 759 Kronmuller & Coey Magnetic Materials, in European White book on Fundamentel Research in Materials Science Max Planck Inst. Metallforschung, Stuttgart, 21,

7 Les matériaux nanocristallins/nanocomposites (d < 1 nm) peuvent être préparés a partir de: vapeur - condensation dans les gaz inertes, sputtering, dépôt plasma, dépôt de l état de vapeurs. liquide - électrodeposition, solidification rapide solide - broyage mécanique, mécanosynthèse, déformation plastique sévère, spark érosion 7

8 Le matériaux nanocristallin/nanocomposite (d < 1 nm) peuvent être préparés a partir de: vapeur - condensation dans les gaz inertes, sputtering, déposition dans le plasma, déposition de l état de vapeurs. liquide - electrodeposition, solidification rapide solide - broyage mécanique, mécanosynthèse,déformation plastique sévère Co-broyage mécanique, alliage mécanique Matériaux magnétiques nanocristallins/nanocomposites Le RECUIT modifie la structure et la microstructure 8

9 Broyage / Alliage mécanique et trempe phases métastable F Métastable barrière d énergie Instable conditions d équilibre thermodynamique Stable 9

10 préparation Compositions; broyage à haute énergie dans des broyeurs planétaires traitements thermiques (températures et temps) +2% Fe +3% Fe (Nd.92 Dy.8 ) 2 Fe 14 B + 22% Fe SmCo 3 Cu 2 + 3% Fe caractérisation diffraction de rayons X (XRD) microscopie électronique morphologie composition de phase par EDX mesures magnétiques spectrométrie Mössbauer 1

11 Fe Intensity Theta θ ( ) 8h +45 C/.5h 8h 6h+45 C/.5h 6h 4h +45 C/.5h 4h 2h +45 C/.5h 2h SmCo5/2hMM Diagrammes de diffraction de rayons X du composite +2% Fe, obtenus pour différents temps de broyage pour les échantillons après broyage (2, 4, 6 et 8 heures de broyage) et les échantillons recuits pour 3 minutes a 45 C, en comparaison avec le diffractogramme de la phase dure broyée 2 heures. 11

12 Sm 2 O 3 Fe Intensity 8h +65 C/.5h 8h +6 C/.5h 8h +55 C/1.5h 8h +5 C/1.5h 8h +45 C/.5h 8h θ ( ) 2 Theta Diagrammes de diffraction de rayons X du composite +2% Fe, broyée 8 heures et recuit pour les temps et températures indiquées. 12

13 Sm 2 O 3 α-fe Intensity Theta (degrees) 2 θ ( ) 1h MM+55 C/1.5h 8h MM+55 C/1.5h 8h MM 6h MM+55 C/1.5h 6h MM /2h MM Diagrammes de diffraction de rayons X du composite +3% Fe, broyé de 6 h à 1 h et des mêmes échantillons recuits 1,5 h à 55 C. Le diffractogramme de la phase dure broyée 2 heures est aussi présentée. 13

14 α Fe (Nd,Dy) 2 Fe 14 B Intensity (arb. units) 6h MM+8 C/5min 6h MM+65 C/9min 6h MM+55 C/9min 6h MM+45 C/9min θ angle (deg) 6h MM Diagrammes de diffraction de rayons X du composite (Nd.92 Dy.8 ) 2 Fe 14 B + 22% Fe, broyé 6 heures et recuit pour les temps et températures indiquée sur la figure. 14

15 Fe broyé 2 heures broyé 8 heures Images MEB de poudres composites +2wt%Fe 15

16 analyse EDX du composite +2% Fe broyé 2 heures analyse EDX du composite +2% Fe broyé 8 heures 16

17 15 +2%Fe 1 M (emu/g) h MM 4h MM 6h MM 8h MM /2h MM µ H (T) Composites brutes de broyage M (emu/g) %Fe 2h MM 4h MM 6h MM 8h MM /2h MM µ H (T) 17

18 1 5 +2%Fe MM + annealing Traitement thermique bénéfique sur Hc et Mr! M (emu/g) -5 2h MM+45 o C.5h 4h MM+45 o C.5h -1 6h MM+45 o C.5h 8h MM+45 o C.5h SmCo 5 /2h MM 1 +2%Fe µ H (T) Composites obtenus après: broyage et recuit broyage M (emu/g) h MM 4h MM 6h MM 8h MM /2h MM µ H (T)

19 1 + 2Fe/8h MM 5 M (emu/g) -5-1 as milled 45 o C.5h 5 o C 1.5h 55 o C 1.5h 6 o C.5h 65 o C.5h /2h MM µ H (T) Courbes d hysteresis à 3 K du composite +2% Fe, broyé 8 heures et recuit, en comparaison avec celle de la phase dure broyée 2 heures. 19

20 8 6 /2%Fe 8h_M (emu/g) 8h+45C/.5h 8h+55C/1.5h 8h+65C/.5h M (emu/g) µ H (T) 2

21 x% Fe T = 3 K M (emu/g) h/55 o C-1.5h_2%Fe 6h/55 o C-1.5h_3%Fe 8h/55 o C-1.5h_2%Fe 8h55 o C-1.5h_3%Fe 2hMM_ µ H (T) Courbes d hysteresis à 3 K du composite +x% Fe (x=2 ou 3), broyé 6 et 8 heures et recuit à 55 C 1.5 heures, en comparaison avec celle de la phase dure broyée 2 heures 21

22 M (emu/g) (Nd,Dy) 2 Fe 14 B+22%Fe 6h MM+annealing 6h MM 6h MM+45 C 9 min 6h MM+55 C 9 min 6h MM+6 C 9 min 6h MM+65 C 9 min 6h MM+8 C 5 min -1,5-1 -,5,5 1 1,5 µoh (T) Courbes d hysteresis à 3 K du composite (Nd.92 Dy.8 ) 2 Fe 14 B + 22%α-Fe, broyé 6 heures et recuit de 45 a 8 C. (Nd.92 Dy.8 ) 2 Fe 14 B + 22% Fe H C (koe) M R (emu/g) M S (emu/g) Annealing temperature ( C) Evolution en fonction de la température de recuit, de l aimantation (à 1 T), de l aimantation rémanente et de la coercitivité du nanocomposite (Nd.92 Dy.8 ) 2 Fe 14 B + 22%α-Fe, broyé 6 heures. Temps de recuit de 1,5 heures22

23 15 1 SmCo 3 Cu 2 +3 wt% Fe T = 3K SmCo 3 Cu 2 + 3% Fe M (emu/g) 5 1.5h MM 3h MM 5h MM 7h MM 9h MM SmCo 3 Cu 2 +3 wt% Fe T = 3K Propriétés magnétiques modestes! -5 M (emu/g) SmCo 3 Cu 2 2h MM 3h MM 3h MM+45C/.5h 7h MM 7h MM+45C/.5h μ H (T) μ H (T) %Fe MM + annealing Courbe d hysteresis à 3 K du composite SmCo 3 Cu 2 +3% Fe, broyé de 1,5 à 9 heures. Dans l insert sont présentées les courbes d hysteresis des échantillons broyés 3 et 7 heures et recuits à 45 C pour,5 h. La courbe d hysteresis de SmCo5 broyée 2 heures est présentée pour comparaison. M (emu/g) h MM+45 o C.5h 4h MM+45 o C.5h 6h MM+45 o C.5h 8h MM+45 o C.5h SmCo /2h MM H (T) 23

24 + 2% Fe h+45C/.5h 2h+45C.5h 2 SmCo5_2 wt%fe T = 3K M (emu/g) T = 4 K dm/dh h/45C3' 4h/45C3' 6h/45C3' 8h/45C3' H (T) H (T) Doux Dur 24

25 Velocity ( mm / s ) h-as milled C/.5 h C/1.5 h C/1 h.99 25

26 Velocity ( mm / s ) h-as milled C/.5 h 45 C/1.5 h Intensité relative (%) α-(fe,co) Sm(Co,Fe) C/1 h Durée du broyage (h).99 26

27 Conclusions La combinaison de broyage de haute énergie et de traitements thermiques contrôlés a permis de réaliser un couplage magnétique par l échange pour les deux systèmes /α-fe et (Nd.92 Dy.8 ) 2 Fe 14 B/α-Fe; Le système SmCo 3 Cu 2 /α-fe n a pas permis d obtenir des coercitivités significatives; Pour +2%Fe les meilleurs résultats ont été obtenus sur les échantillons broyés 6 ou 8 heures suivit d un recuit de,5-1,5 heures à 55-6 C; Pour le système (Nd.92 Dy.8 ) 2 Fe 14 B+22%Fe le champ coercitif et l aimantation rémanente ont été simultanément optimisée pour un broyage de 6-8 heures suivit d un recuit d une heure trente minutes entre 55 et 6 C 27

28 Merci de votre attention Mulţumesc 28

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