PHILIPPE LAPOINTE

DÉVELOPPEMENT D’UN COMPOSITE

MAGNÉTIQUE DOUX AVEC REVÊTEMENT DE

FERRITE NANOMÉTRIQUE

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval

dans le cadre du programme de maîtrise en génie de la métallurgie

pour l’obtention du grade de maître ès science (M. Sc.)

DÉPARTEMENT DE GÉNIE DES MINES, DE LA MÉTALLURGIE ET DES

MATÉRIAUX

FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE

UNIVERSITÉ LAVAL

QUÉBEC

2010

© Philippe Lapointe, 2010

ii

Résumé

Les moteurs électriques, les transformateurs, les électroaimants et autres appareils

électriques nécessitent des matériaux qui sont en mesure de canaliser les lignes de champ

magnétique tout en limitant les pertes qu’elles entraînent. Les matériaux utilisés à cet

escient sont appelés matériaux magnétiques doux. Un des moyens utilisé pour limiter les

pertes dans ces matériaux est d’augmenter leur résistivité. Pour y arriver, on unit des

matériaux très résistifs à des matériaux ferromagnétiques. On obtient ainsi des composites

magnétiques doux.

Depuis plus de 100 ans, le type de composite magnétique doux le plus utilisé consiste en un

empilement de tôles de fer laminées séparées par un matériau isolant. Ces matériaux sont

très efficaces mais ont leur lot d’inconvénients. Depuis quelques années, une nouvelle

technique s’appuyant sur la métallurgie des poudres a été développée. Elle consiste à

envelopper des particules de fer d’un matériau isolant et de les compacter. On obtient ainsi

un matériau qui peut être très résistif.

Ce projet avait pour but de développer un composite magnétique doux à base de poudre

métallique dont le matériau isolant serait de la ferrite NiZn nanométrique. Pour y arriver

deux techniques ont été étudiées. La première consistait à recouvrir les particules de fer par

placage de la ferrite et la seconde consistait à ajouter nanoparticules de ferrite NiZn à la

poudre de fer. Les résultats ont permis de constater que les deux techniques pouvaient être

utilisées pour le développement de composite magnétiques doux. Plus spécifiquement, on a

obtenues des pertes magnétiques de 11,9 W/kg et de 93 W/kg à 60 Hz et 400 Hz

respectivement pour les échantillons préparés par placage de la ferrite et de 13,5 W/kg et de

137 W/kg à 60Hz et 400 Hz respectivement pour les échantillons préparés par ajout de

nanoparticules.

iii

Abstract

Electric motors, transformers, electromagnets and many other electric devices require

materials that can provide a path for magnetic field lines while minimizing losses that they

generate. Materials used for these applications are called soft magnetic materials. One way

to minimize losses in such materials is to increase their resistivity. In order to do so, highly

resistive materials are coupled with ferromagnetic materials. These are called soft magnetic

composites.

For more than one hundred years, the most common type of soft magnetic composite was

made by stacking sheets of rolled iron separated by a thin layer of insulating materials.

These were very simple and efficient but also had their share of drawbacks. During the last

decades, a new technique based on powder metallurgy was developed. It consists in coating

iron particles with an isolating material prior to compaction. This type of materials can be

highly resistive.

The objective of this project was to develop a soft magnetic composite using metal powders

in which the insulating materials would be nanometric NiZn ferrite. Two different

techniques were studied in order to achieve this goal. The first one consists in coating iron

powders with NiZn ferrite using ferrite plating and the second one consists adding

nanoparticles to iron powder. The results obtained throughout this study showed that these

two techniques could certainly be used to develop metal powder based soft magnetic

composites. More specifically, magnetic weight losses of 11,9 W/kg and 93 W/kg were

obtained at 60 Hz and 400 Hz respectively for components prepared using the ferrite

plating technique while losses of 13,5 W/kg and 137 W/kg were obtained at 60 Hz and 400

Hz respectively for components prepared by adding ferrite nanoparticles.

iv

Avant-propos

Je désire remercier sincèrement mon directeur monsieur Carl Blais pour son support et son

encadrement moral et professionnel tout au long de ce projet et ceux qui ont précédé. Il est

la raison pour laquelle j’ai continué mon cheminement en métallurgie.

Un merci particulier à mon co-directeur monsieur Sylvain Pelletier du Centre National de

Recherches du Canada (CNRC), de même qu’à ses collaborateurs messieurs Yannig

Thomas et Maxime Gauthier pour les nombreuses discussions fructueuses sur le projet. Je

souhaite également remercier monsieur Claude Gélinas chez Rio Tinto Metal Powders pour

les nombreuses connaissances qu’il m’a transmises au sujet des composites magnétiques

doux.

Par ailleurs, je désire remercier profondément tous les techniciens qui m’ont assisté dans ce

projet. Notamment, Marie-Josée Bouchard pour son implication dans le projet et toutes les

techniques de chimie qu’elle m’a enseignées. Également, Maude Larouche pour tout son

support au cours des dernières années. J’aimerais aussi remercier les professeurs du

département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux de l’Université Laval

avec qui j’ai eu plusieurs collaborations : messieurs Diego Mantovani, Houshang Darvishi-

Alamdari, Edward Ghali et Daniel Larouche de même que monsieur Richard Laplante.

De plus, je remercie tous mes collègues du laboratoire de métallurgie des poudres de

l’Université Laval (LAMPOUL). Merci pour leur soutien, leur présence et leur

collaboration : François Beaudet, Bernard Tougas, Nicolas Giguère, Jean Desbiens et

Étienne Robert-Perron.

Je remercie du fond du cœur mes parents, mes frères et mes amis pour leur support

inconditionnel tout au long de ce projet, de mes études et plus encore. Et finalement un

énorme merci à ma conjointe, Eve-Marie Babeu-Pelletier, pour son soutien, en particulier

dans les derniers miles du projet.

v

Table des matières

Résumé ................................................................................................................................... ii

Abstract ................................................................................................................................. iii

Avant-propos ......................................................................................................................... iv

Table des matières .................................................................................................................. v

Liste des tableaux ................................................................................................................... ix

Liste des figures ...................................................................................................................... x

1 – Introduction ....................................................................................................................... 1

2 – État des connaissances ...................................................................................................... 4

2.1 – Propriétés magnétiques .............................................................................................. 4

2.1.1 – Concepts fondamentaux ...................................................................................... 5

2.1.2 – Comportements magnétiques .............................................................................. 6

2.1.2.1 – Diamagnétisme ............................................................................................ 6

2.1.2.2 – Paramagnétisme ........................................................................................... 7

2.1.2.3 – Ferromagnétisme ......................................................................................... 8

2.1.2.4 – Antiferromagnétisme ................................................................................. 10

2.1.2.5 – Ferrimagnétisme ........................................................................................ 10

2.1.3 – Pertes dans les matériaux magnétiques ............................................................. 12

2.1.3.1 – Boucle d’hystérésis .................................................................................... 12

2.1.3.2 – Pertes par hystérésis ................................................................................... 16

2.1.3.3 – Pertes excédentaires ................................................................................... 17

2.1.3.4 – Pertes classiques ........................................................................................ 17

2.1.4 – Matériaux magnétiques durs ............................................................................. 19

2.1.5 – Matériaux magnétiques doux ............................................................................ 19

2.2 – Composites magnétiques doux ................................................................................ 20

2.2.1 – Empilements de laminés ................................................................................... 21

2.2.2 – Poudres isolées électriquement ......................................................................... 22

2.3 – Métallurgie des poudres ........................................................................................... 24

2.3.1 – Fabrication de la poudre ................................................................................... 24

2.3.2 – Préparation des mélanges.................................................................................. 26

2.3.3 – Compaction ....................................................................................................... 27

2.3.4 – Frittage .............................................................................................................. 28

vi

2.3.5 – Applications ...................................................................................................... 31

2.4 – Ferrites ..................................................................................................................... 32

2.4.2 – Technique conventionnelle de mise en forme des ferrites ................................ 33

2.4.2.1 – Préparation de la poudre ............................................................................ 33

2.4.2.2 – Compaction ................................................................................................ 35

2.4.2.3 – Frittage ....................................................................................................... 35

2.4.3 – Autres techniques .............................................................................................. 37

2.4.4 – Placage de la ferrite........................................................................................... 37

2.4.4.1 – Électrodéposition ....................................................................................... 38

2.4.4.2 – Déposition autocatalytique ........................................................................ 40

2.4.4.3 – Principe du placage de la ferrite ................................................................ 41

2.4.4.4 – Nouveaux développements ........................................................................ 44

2.4.4.5 – Applications ............................................................................................... 45

3 – Méthode expérimentale ................................................................................................... 49

3.1 – Placage de ferrite ..................................................................................................... 49

3.1.1 – Choix de la méthode de déposition ................................................................... 49

3.1.1.1 – Première technique .................................................................................... 50

3.1.1.2 – Deuxième technique .................................................................................. 53

3.1.1.3 – Modification de la deuxième technique ..................................................... 54

3.1.2 – Choix du traitement de surface ......................................................................... 57

3.1.2.1 – Conditions expérimentales ......................................................................... 57

3.1.2.2 – Vérification du traitement de surface ......................................................... 58

3.1.3 – Amélioration du traitement thermique .............................................................. 62

3.1.3.1 – Atmosphère ................................................................................................ 62

3.1.3.2 – Température ............................................................................................... 63

3.1.4 – Autres paramètres ............................................................................................. 65

3.1.4.1 – Tamisage .................................................................................................... 65

3.1.4.2 – Compaction à tiède .................................................................................... 67

3.2 – Ajout de nanoparticules ........................................................................................... 68

3.2.1 – Ajout de nanoparticules à sec ........................................................................... 69

3.2.2 – Ajout de nanoparticules avec phase liquide ...................................................... 71

3.2.3 – Ajout d’une grande quantité de nanoparticules ................................................ 72

4 – Résultats .......................................................................................................................... 74

4.1 – Placage de la ferrite .................................................................................................. 74

vii

4.1.1 – Choix de la méthode déposition........................................................................ 74

4.1.1.1 – Première technique .................................................................................... 75

4.1.1.2 – Deuxième technique .................................................................................. 79

4.1.1.3 – Deuxième technique modifiée ................................................................... 81

4.1.2 – Choix du traitement de surface ......................................................................... 85

4.1.2.1 – Traitement de surface ................................................................................. 85

4.1.2.2 – Vérification du traitement de surface ......................................................... 88

4.1.3 – Amélioration du traitement thermique .............................................................. 92

4.1.3.1 – Atmosphère ................................................................................................ 92

4.1.3.2 – Température ............................................................................................... 96

4.1.4 – Autres paramètres ........................................................................................... 104

4.1.4.1 – Tamisage .................................................................................................. 104

4.1.4.2 – Compaction à tiède .................................................................................. 106

4.2 – Ajout de nanoparticules ......................................................................................... 107

4.2.1 – Ajout de nanoparticules à sec ......................................................................... 108

4.2.2 – Ajout de nanoparticules avec une phase liquide ............................................. 118

4.2.3 – Ajout d’une grande quantité de nanoparticules .............................................. 121

5 – Discussion ..................................................................................................................... 125

5.1 – Placage de la ferrite ................................................................................................ 125

5.1.1 – Choix de la méthode de déposition ................................................................. 125

5.1.1.1 – Comparaison entre les deux premières techniques .................................. 126

5.1.1.2 – Technique retenue .................................................................................... 128

5.1.2 – Choix du traitement de surface ....................................................................... 131

5.1.2.1 – Comparaison entre les traitements de surface .......................................... 131

5.1.2.2 – Comparaison avec la technique de M. Abe ............................................. 139

5.1.3 – Amélioration du traitement thermique ............................................................ 144

5.1.3.1 – Atmosphère .............................................................................................. 144

5.1.3.2 – Température ............................................................................................. 146

5.1.4 – Autres paramètres ........................................................................................... 151

5.1.4.1 – Tamisage .................................................................................................. 151

5.1.4.2 – Compaction à tiède .................................................................................. 152

5.1.5 – Importance de la résistivité ............................................................................. 154

5.1.6 – Comparaison entre les différentes techniques ................................................ 155

5.2. – Ajout de nanoparticules ........................................................................................ 156

viii

5.2.1 – Ajout de nanoparticules à sec ......................................................................... 156

5.2.2 – Ajout de nanoparticules avec une phase liquide ............................................. 159

5.2.3 – Ajout d’une grande quantité de nanoparticules .............................................. 160

6 – Conclusion .................................................................................................................... 163

7 – Travaux futurs ............................................................................................................... 166

8 – Bibliographie ................................................................................................................ 168

Annexe A – Calcul des caractéristiques du revêtement ...................................................... 171

Annexe B – Protocole d’utilisation de la boîte à gants pour l’utilisation de nanoparticules

............................................................................................................................................ 177

Annexe C – Protocole pour la compaction de poudre contenant des nanoparticules ......... 180

ix

Liste des tableaux

Tableau 1 – Perméabilité et Tc de certains éléments ferromagnétiques ................................. 9 Tableau 2 – Exemples de conditions de frittage en P/M [18] ............................................... 29 Tableau 3 – Quelques statistiques concernant le marché de la M/P [18] ............................. 31 Tableau 4 – Résistivité de matériaux ferromagnétiques [21] ............................................... 32

Tableau 5 – Influence des conditions d’électrolyse sur la microstructure [29] .................... 39 Tableau 6 – Conditions expérimentales pour l’étude du traitement de surface .................... 58 Tableau 7 – Concentrations et temps de mélange pour l’ajout de nanoparticules à sec ....... 70 Tableau 8 – Caractéristiques du revêtement pour la deuxième technique modifiée ............ 82 Tableau 9 – Traitement de surface : Caractéristiques du revêtement ................................... 85

Tableau 10 – Traitement de surface : Densité et résistivité .................................................. 86

Tableau 11 – Traitement de surface : Composition atomique en surface ............................ 87 Tableau 12 – Traitement de surface : État de l’oxygène ...................................................... 88 Tableau 13 – Vérification du traitement de surface : Résistivité, densité et résistance en

flexion ................................................................................................................................... 89 Tableau 14 – Vérification du traitement de surface : Composition atomique en surface ..... 90

Tableau 15 – Vérification du traitement de surface : État de l’oxygène .............................. 91 Tableau 16 – Vérification du traitement de surface : Propriétés magnétiques ..................... 92 Tableau 17 – Atmosphère : Résistivité, densité et résistance en flexion .............................. 93

Tableau 18 – Atmosphère : Propriétés magnétiques ............................................................ 95 Tableau 19 – Température : Résistivité, densité et résistance en flexion ............................. 97

Tableau 20 – Température : Propriétés magnétiques .......................................................... 104 Tableau 21 – Tamisage : Résistivité, densité et résistance en flexion ................................ 105

Tableau 22 – Tamisage : Propriétés magnétiques .............................................................. 105 Tableau 23 – Compaction à tiède : Résistivité, densité et résistance en flexion ................ 106

Tableau 24 – Compaction à tiède : Propriétés magnétiques ............................................... 107 Tableau 25 – Ajout de ferrite à sec : Résistivité, densité et résistance en flexion .............. 108 Tableau 26 – Ajout de ferrite avec acétone : Résistivité, densité et résistance en flexion . 118

Tableau 27 – Ajout de 5%-m de ferrite : Résistivité, densité et résistance en flexion ....... 121 Tableau 28 – Ajout de 5%-m de ferrite : Propriétés magnétiques ...................................... 123

Tableau 29 – Comparaisons des échantillons avec et sans revêtement .............................. 154

x

Liste des figures

Figure 1 – Effet de l'application d'un champ magnétique externe [5] .................................... 6 Figure 2 – Orientation des moments atomiques dans un domaine magnétique [5] ................ 8 Figure 3 – Orientation des moments atomiques dans le MnO [5] ........................................ 10 Figure 4 – Structure cristalline de type spinelle [4] .............................................................. 11

Figure 5 – Orientation des moments magnétiques dans différents types de matériaux ........ 12 Figure 6 – Domaines magnétiques dans un monocristal de fer [5] ...................................... 12 Figure 7 – Courbe d’aimantation initiale [5] ........................................................................ 13 Figure 8 – Boucle d’hystérésis .............................................................................................. 14 Figure 9 – Courants induits lors du déplacement d’une paroi de Bloch ............................... 16

Figure 10 – Courants induits par un champ magnétique variable ........................................ 18

Figure 11 – Boucles d’hystérésis caractéristiques de matériaux magnétiques dur et doux .. 20 Figure 12 – Propagation des courants de Foucault dans un empilement de laminés ............ 21 Figure 13 – Courants de Foucault dans un CMD à base de poudres métalliques A) sans

contact fer-fer B) avec contacts fer-fer ................................................................................. 23 Figure 14 – Chambre d’atomisation à l’eau .......................................................................... 25

Figure 15 –Poudre de fer atomisée à l’eau observée au MEB à A) 100X et B) 500X ......... 26 Figure 16 – Cycle de compaction en M/P [18] ..................................................................... 28 Figure 17 – Formation de ponts lors du frittage [18] ............................................................ 30

Figure 18 – Four à courroie en continu pour la M/P [18] ..................................................... 30 Figure 19 – Schéma simplifié du montage expérimental requis pour le placage ................. 38

Figure 20 – Principe du placage de la ferrite [37] ................................................................ 42 Figure 21 – Placage de ferrite à l’aide de la technique « Spin-Spray » [43] ........................ 46

Figure 22 – Traçage de motifs de ferrite à l’aide de laser [43] ............................................. 47 Figure 23 – Schéma du montage de la première technique .................................................. 52

Figure 24 – Schéma du montage de la deuxième technique ................................................. 54 Figure 25 – Schéma du montage de la technique retenue ..................................................... 56 Figure 26 – Profil thermique de l’essai vérifiant le traitement de surface ............................ 61

Figure 27 – Zones riches en ferrite observées au MEB en mode ERD ................................ 66 Figure 28 – Particules de la première technique observées au MEB en mode ERD ............ 75

Figure 29 – Particules d’ATOMET 580 observée au MEB en mode ES ............................. 75 Figure 30 - Spectre DRX de la poudre obtenue à partir de la première technique ............... 76 Figure 31 – Coupe transversale d’une poudre de la première technique en mode ERD au

MEB ...................................................................................................................................... 77 Figure 32 – Précipités au MEB ............................................................................................. 78

Figure 33 – Spectre DRX des précipités présentés à la Figure 32 ........................................ 78

Figure 34 – Particules de la deuxième technique observées au MEB en mode ERD ........... 79

Figure 35 - Coupe transversale d’une particule de la deuxième technique en mode ERD au

MEB ...................................................................................................................................... 80 Figure 36 – Spectre DRX de la poudre de la deuxième technique ....................................... 81 Figure 37 – Particules de la dernière technique observées au MEB en mode ERD ............. 83 Figure 38 – Coupe transversale d’une particule de la dernière technique observée au MEB

en mode ERD ........................................................................................................................ 83

xi

Figure 39 – Spectre DRX de la poudre de la dernière technique. ........................................ 84

Figure 40 – Échantillons 1 (A) et 2 (B) observés au MEB en mode ERD ........................... 90

Figure 41 – Échantillons 1 (A) et 2 (B) observés au MEB en mode ERD ........................... 94 Figure 42 – Coupe transversale d’une poudre au MEB en mode ERD ................................ 95 Figure 43 – Résultats de calorimétrie différentielle à balayage ............................................ 96 Figure 44 – Résistivité en fonction de la température du traitement thermique ................... 98 Figure 45 – Spectre DRX de la poudre avant traitement thermique ..................................... 99

Figure 46 – Spectre DRX de la poudre après traitement thermique ................................... 100 Figure 47 – Échantillons avant (A) et après (B) traitement thermique au MET ................ 101 Figure 48 – Revêtement avant traitement thermique au MET ............................................ 102 Figure 49 – Revêtement après traitement thermique au MET ............................................ 102 Figure 50 – Fragments du revêtement au MET .................................................................. 103

Figure 51 – Fragments du revêtement au MET .................................................................. 103 Figure 52 – Nanoparticules de ferrite au MEB en mode ES .............................................. 109

Figure 53 – Mélange 3 observé au MEB en mode ERD .................................................... 110

Figure 54 – Mélange 7 observé au MEB en mode ERD .................................................... 110

Figure 55 – Agglomérat de nanoparticules de ferrite au MEB en mode ES ...................... 111 Figure 56 – Spectre rayons X de l’agglomérat illustré à la Figure 55 ................................ 112

Figure 57 – Surface d’une particule de fer au MEB en mode ES ....................................... 113 Figure 58 – Surface d’une particule d’ATOMET 580 sans nanoparticules au MEB en mode

ES ........................................................................................................................................ 113

Figure 59 – Surface d’une particule de fer au MEB en mode ES ....................................... 114 Figure 60 – Surface de particules de fer des mélanges 1 (A) et 5 (B) au MEB .................. 115

Figure 61 – Lubrifiant observé au MEB en mode ES......................................................... 116 Figure 62 - Coupe transversale au microscope optique (A) et au MEB en mode ERD (B)

............................................................................................................................................ 117

Figure 63 – Contacts entre des particules de fer observées au MEB à en mode ES ........... 118

Figure 64 – Derniers mélanges au MEB en mode ERD avec (A) et sans liant (B) ............ 119 Figure 65 – Derniers mélanges au MEB en mode ES avec (A) et sans liant (B) ............... 120 Figure 66 – Amas de nanoparticules au MEB en mode ES avec (A) et sans liant (B) ....... 121

Figure 67 – Mélange comportant 5%-m de ferrite au MEB en mode ERD ....................... 122 Figure 68 - Coupe transversale au microscope optique (A) et au MEB en mode ERD (B)

............................................................................................................................................ 123 Figure 69 – Loi des mélanges ............................................................................................. 135 Figure 70 – Relation entre la résistivité et l’épaisseur des revêtements ............................. 135 Figure 71 – Relation entre la concentration totale en O

2- et la résistivité ........................... 138

Figure 72 – Comparaison des microstructures obtenues par A) placage et B) ajout de

nanoparticules ..................................................................................................................... 162

1

1 – Introduction

Une grande gamme d’applications électromagnétiques ont recourt à des circuits

magnétiques. C’est le cas notamment des moteurs électriques, des transformateurs et des

électroaimants. Le rôle de ceux-ci est de canaliser le flux magnétique de manière à

maximiser l’induction. Dans le cas où on travaille avec un champ magnétique continu, les

pertes sont très faibles ou inexistantes. Pour cette raison, les matériaux utilisés sont des

matériaux présentant une grande induction à saturation et une grande perméabilité. C’est le

cas par exemple du fer et de certains de ses alliages. Les matériaux employés dans la

fabrication de circuits magnétiques sont appelés matériaux magnétiques doux (MMD).

Cependant, lorsque l’on utilise un champ magnétique variable, des pertes importantes

apparaissent et on doit avoir recourt à un autre type de matériau pour limiter ces dernières.

Les matériaux en questions sont appelés composites magnétiques doux (CMD) et consistent

en un mélange d’un matériau magnétique doux tel que le fer et d’un autre matériau très

résistif. L’union de ces deux types de matériaux permet de limiter les pertes associées au

champ magnétique variable.

Il existe deux grandes catégories de CMD qui correspondent en fait à deux façons

différentes d’unir le matériau ferromagnétique au matériau résistif : les empilements de

tôles laminées séparées par une mince couche d’isolant et les poudres métalliques revêtues

d’un matériau isolant. La première technique a été proposée par Thomas Edison il y a plus

de cent ans et depuis son invention elle est de loin la technique la plus employée dans la

fabrication de circuits magnétiques. La deuxième technique quant à elle a aussi été

proposée il y a très longtemps, toutefois la mécanique de l’époque ne permettait pas son

application. Pour cette raison, elle n’a réellement commencée à être étudiée et employée

qu’à partir des années 1980.

Il existe plusieurs méthodes pour isoler les poudres métalliques les unes des autres. Le

matériau isolant utilisé pour recouvrir les poudres est soit fait d’un matériau organique

comme un polymère ou d’un matériau céramique. Bien que les poudres recouvertes de

2

polymère peuvent donner des propriétés très intéressantes, celles recouvertes d’un matériau

céramique ont tendance à donner de meilleurs résultats parce qu’ils permettent d’obtenir

des revêtements plus minces, donc une densité de pièce plus élevée, et parce qu’ils

permettent de faire des traitements thermiques à plus haute température. Néanmoins, dans

un cas comme dans l’autre, les composites magnétiques doux à base de poudres métalliques

tendent à donner des propriétés magnétiques inférieures aux empilements de tôles laminées,

en particulier à des fréquences plus basses (60 Hz – 400 Hz). La principale raison

expliquant ce phénomène est que lors de la compaction des poudres métalliques le

revêtement isolant se déforme ou se brise, ce qui entraîne la formation de contacts entre les

poudres. Ces contacts sont le principal obstacle à l’amélioration des propriétés des CMD

s’appuyant sur la métallurgie des poudres.

Avec les années, certaines techniques ont permis d’éviter ces contacts interparticulaires et

d’atteindre des pertes magnétiques aussi faibles que celles des empilements de laminés

pour des fréquences situées entre 60 Hz et 400 Hz. Cependant, ces méthodes sont aussi

beaucoup plus dispendieuses et pour le moment ne permettent pas des taux de production

très élevés. Les autres techniques utilisées actuellement à l’échelle industrielle donnent

dans certains cas des résultats très intéressants mais les contacts interparticulaires persistent

et il y a encore beaucoup de place à l’amélioration afin de pouvoir rivaliser avec les

empilements de laminés dans le domaine des basses fréquences. C’est pourquoi il importe

de travailler à développer de nouvelles techniques et de nouveaux types de revêtements

pour minimiser les pertes dans les composites magnétiques doux à base de poudres

métalliques.

Les travaux de maîtrise résumés dans ce document découlent de la nécessité d’étudier

d’autres types de revêtements. Le matériau isolant envisagé dans le cadre de ce projet est

une ferrite NiZn car elle possède une résistivité très élevée et de plus il s’agit d’un matériau

ferrimagnétique ayant une perméabilité relativement élevée. L’objectif spécifique de ce

mémoire est de déterminer si la ferrite NiZn peut être un bon matériau isolant dans

l’élaboration d’un composite magnétique doux. Le matériau ferromagnétique recouvert de

ferrite NiZn sera de l’ATOMET 580 produit par Les Poudres Métalliques du Québec Ltée.,

3

soit une poudre de fer de haute pureté (>99,9%-m de fer) atomisée à l’eau. Deux avenues

ont été étudiées pour procéder au recouvrement des poudres. La première technique

consiste à faire un placage de ferrite NiZn sur les poudres de fer. Le placage de la ferrite a

été développé par M. Abe et ses collègues au cours des trente dernières années. Cependant,

ils n’ont jamais produit de dépôt sur des poudres de fer ayant une taille aussi grande et une

morphologie aussi irrégulière que celles des poudres de fer produites par atomisation à

l’eau. De plus, cette technique n’a jamais été utilisée dans le but de produire des CMD. La

deuxième technique consiste à déposer une couche de nanoparticules de ferrite NiZn à la

surface des poudres de fer. L’idée derrière cette technique est que la couche de

nanoparticules en question demeure continue lors de la compaction et réduise les contacts

entre les particules de fer. Des travaux récents ont été effectués sur l’ajout de fines

particules de ferrite NiZn (1 μm à 5 μm de diamètre) à des poudres de fer atomisées à l’eau

pour des fréquences d’utilisation allant de 0 Hz à 500 kHz. Les résultats ont révélés que

l’ajout de 10%-m de ferrite NiZn permettait de réduire les pertes magnétiques, tout en

conservant une bonne perméabilité comparativement au fer pur ou à des ferrites pures [17].

Dans le cas présent, il s’agirait plutôt de poudres de ferrite nanométriques (20 nm à 30 nm)

et on viserait des fréquences d’application beaucoup plus basses.

Le chapitre qui suit introduira les concepts théoriques reliés à la problématique décrite

précédemment de même que différentes notions reliées aux techniques utilisée lors de cette

étude. Une fois la théorie nécessaire exposée, on présentera au chapitre 3 la méthode

expérimentale utilisée. Au chapitre 4, les résultats obtenus au terme des manipulations

effectuées seront présentés pour ensuite être analysés et discutés au chapitre 5. Le tout sera

suivit d’une conclusion et de suggestions de travaux futurs aux deux derniers chapitres.

4

2 – État des connaissances

Ce chapitre présente les différents concepts reliés aux composites magnétiques doux

produits par métallurgie des poudres, de même que les notions reliées aux techniques

utilisées au cours de ce projet. D’abord, les propriétés magnétiques et les concepts qui s’y

rattachent seront présentés pour bien comprendre l’importance des composites magnétiques

doux dans la fabrication de circuits magnétiques. Ensuite, le procédé de la métallurgie des

poudres sera abordé, car il s’agit de la technique qui est littéralement au cœur des

composites magnétiques doux à base de poudres. Finalement, les caractéristiques des

ferrites et leurs méthodes de mise en forme seront abordées, notamment le placage de la

ferrite, car il s’agit d’une des techniques employées pour déposer le revêtement isolant à la

surface des particules dans ce projet.

2.1 – Propriétés magnétiques

Le magnétisme est un phénomène connu de l’homme depuis des milliers d’années. Déjà

600 avant Jésus-Christ, certains récits de Thalès de Milet faisaient mention de la magnétite.

Il s’agit en fait probablement d’un des plus vieux sujets scientifiques qui soit. Néanmoins,

ce n’est qu’au 19ième siècle que la science a commencé à fournir des modèles avancés du

phénomène avec les travaux de Michael Faraday (1791 – 1867) et de James Clerk Maxwell

(1831 – 1879). Le but de cette section est de permettre la compréhension de tous les

éléments se rattachant aux composites magnétiques doux. Les concepts de base en

électromagnétisme seront donc présentés. Tout d’abord, les différentes propriétés physiques

liées au magnétisme et les lois régissant les phénomènes magnétiques seront introduites. À

partir de ces notions, les différents comportements électromagnétiques que l’on retrouve

dans la nature seront présentés. Par la suite, le phénomène d’hystérésis et les différents

types de pertes dans les matériaux ferromagnétiques seront décrits. Finalement, les sections

2.1.4 et 2.1.5 introduiront les concepts de matériaux magnétiques durs et doux.

5

2.1.1 – Concepts fondamentaux

Tel que dicté par la deuxième loi de Maxwell (Théorème d’Ampère), une charge électrique

en mouvement engendre un champ magnétique. Pour cette raison, un électron tournant sur

lui-même (spin) et autour du noyau d’un atome (orbital) crée des dipôles magnétiques. Ce

sont ces mêmes moments magnétiques qui dictent les propriétés magnétiques des

matériaux. À l’application d’un champ magnétique extérieur, les moments magnétiques

causés par le mouvement des électrons dans un matériau vont réagir différemment en

fonction de leur configuration et produiront différentes réactions. La réaction à l’application

d’un champ magnétique extérieur H est appelée induction magnétique B, aussi appelée

densité de flux magnétique, et est donnée par la formule suivante :

Équation 1

Le champ magnétique extérieur H est exprimé en ampère par mètre (A/m) et l’induction

magnétique B est exprimée en tesla (T) où un tesla est égal à un weber par mètre carré (1 T

= 1 Wb/m2). La constante de proportionnalité µ est une constante propre au matériau

appelée perméabilité magnétique. La perméabilité du vide µ0 est égale à 4π x 10-7

Wb/(A·m). On peut aussi parler de la perméabilité relative µr qui correspond simplement au

ratio de la perméabilité du matériau sur celle du vide :

Équation 2

Pour la plupart des matériaux, on peut aussi exprimer l’induction B en fonction de la

somme du champ magnétique extérieur H et de la magnétisation M du matériau.

Équation 3

La magnétisation correspond en fait au moment magnétique dipolaire résultant par unité de

volume dans la direction du champ H. On peut aussi relier le champ magnétique extérieur

H à la magnétisation par la relation suivante :

Équation 4

Où χ est la susceptibilité magnétique du matériau (sans unités). Avec cette équation on peut

exprimer la perméabilité relative en fonction de la susceptibilité magnétique telle que :

6

Équation 5

Tout dépendamment de la valeur de cette constante, on peut retrouver différents types de

comportements magnétiques. Il existe trois grandes catégories de comportements

magnétiques: le diamagnétisme, le paramagnétisme et le ferromagnétisme. En plus de ces

trois principaux comportements, il existe des cas particuliers où on peut trouver deux autres

types de comportements: l’antiferromagnétisme et le ferrimagnétisme. Comme le nom

l’indique, le comportement magnétique des ferrites entre dans la catégorie du

ferrimagnétisme. Les prochaines sections expliqueront chacun de ces comportements.

2.1.2 – Comportements magnétiques

2.1.2.1 – Diamagnétisme

Le diamagnétisme est produit par la

déformation des orbitales des atomes par

l’application d’un champ magnétique

extérieur. Effectivement, l’application d’un

champ magnétique extérieur a pour effet de

modifier la trajectoire des électrons et, tel

que stipulé par la loi de Faraday, un courant

induit et son champ magnétique associé

s’établie dans une direction telle qu’il

s’oppose à la variation du flux magnétique

appliqué. Le résultat de ce phénomène

entraîne la formation d’un dipôle magnétique

orienté dans la direction opposée au champ magnétique appliqué et il en résulte une

induction nette plus faible que celle que l’on aurait dans le vide (µr < 1). La Figure 1a)

illustre schématiquement l’orientation des moments magnétiques des atomes en l’absence

(gauche) et en présence (droite) d’un champ magnétique appliqué pour un matériau

diamagnétique.

Figure 1 – Effet de l'application d'un champ

magnétique externe [5]

7

Comme ce phénomène n’a rien à voir avec la configuration des dipôles magnétiques dans le

matériau, il s’agit d’un phénomène que l’on retrouve en fait dans tous les matériaux sauf

que dans bien des cas, celui-ci est masqué par d’autres phénomènes plus importants tels que

le paramagnétisme ou le ferromagnétisme par exemple. Il s’agit d’un phénomène de très

faible intensité. La susceptibilité magnétique des matériaux diamagnétiques est

généralement de l’ordre de -10-5

et celle-ci ne varie pas avec la température ni avec

l’intensité du champ magnétique appliqué. Pour cette raison, le diamagnétisme présente très

peu d’intérêt d’un point de vue pratique1. Lorsque l’on place de tels matériaux dans un

champ magnétique très intense, ils seront attirés vers les zones où la densité de flux

magnétique est la moins intense. Le cuivre, l’argent, l’or, le bismuth et tous les gaz inertes

sont quelques exemples de matériaux diamagnétiques.

2.1.2.2 – Paramagnétisme

Plus haut il a été mentionné que les atomes, de par le mouvement de leurs électrons,

peuvent posséder un moment dipolaire intrinsèque. Toutefois, puisque dans chaque orbitale

complète le moment magnétique dipolaire résultant de tous les électrons est nul, seuls les

atomes dont toutes les orbitales ne sont pas remplies peuvent avoir un moment dipolaire

résultant non nul. En absence d’un champ magnétique extérieur, le moment dipolaire de

chaque atome sera orienté de manière aléatoire, ce qui entraîne une induction totale nulle.

Cependant, en appliquant un champ magnétique au matériau, les dipôles magnétiques de

chaque atome tendent à s’orienter dans la direction du champ magnétique appliqué. C’est

ce comportement qui est à l’origine du paramagnétisme et il entraîne une induction nette

plus élevée que celle que l’on aurait normalement dans le vide. La Figure 1b) illustre

l’orientation du moment magnétique des atomes avec et sans champ magnétique appliqué

dans les matériaux paramagnétiques.

1 Exception faite des matériaux supraconducteurs.

8

Tout comme le diamagnétisme, le paramagnétisme est un phénomène de faible intensité. La

susceptibilité magnétique des matériaux paramagnétiques se trouve généralement entre 10-6

et 10-2

. Par ailleurs, la susceptibilité tend à décroître avec l’augmentation de la température

car l’agitation thermique a pour effet de limiter l’alignement des dipôles dans le sens du

champ appliqué. La loi de Curie fait justement le lien entre la température et la

susceptibilité magnétique des matériaux paramagnétiques :

Équation 6

Où N est le nombre d’atomes par unité de volume, pm est le moment magnétique par atome,

k est la constante de Boltzmann, C est la constante de Curie et TC est la température de

Curie. Des exemples communs de matériaux paramagnétiques sont entre autres

l’aluminium, le magnésium, le palladium, le platine et le titane. Lorsque ces matériaux sont

placés dans un champ magnétique intense ils sont attirés vers les zones où la densité de flux

magnétique est la plus importante.

2.1.2.3 – Ferromagnétisme

Contrairement aux deux comportements magnétiques précédents,

le ferromagnétisme est un phénomène qui peut se présenter sous

une forme très intense. Pour cette raison, beaucoup d’applications

du magnétisme relèvent de ce comportement. Toutefois, les

raisons physiques derrière ce comportement relèvent de la

physique quantique et sont très complexes. On peut malgré tout

dire que les atomes des matériaux ferromagnétiques bénéficient

d’un moment magnétique qui provient de la somme non-nulle des

spins des électrons et des mouvements orbitaux. Les moments

magnétiques de chaque atome interagissent les uns avec les autres pour s’aligner

ensembles, ce qui leur donne une aimantation permanente même en l’absence de champ

magnétique extérieur. Il en résulte des zones, appelées domaines magnétiques, au sein

desquelles les moments magnétiques de tous les atomes sont orientés dans la même

Figure 2 – Orientation des

moments magnétiques des

atomes dans un domaine

magnétique [5]

9

direction. La taille de ces domaines magnétiques est de l’ordre du micromètre et un grain

dans un matériau polycristallin peut en contenir plusieurs. En l’absence de champ

magnétique extérieur, la direction de chaque domaine magnétique est aléatoire et par

conséquent l’aimantation résultante est nulle. Cependant, en appliquant un champ

magnétique extérieur, ces domaines se déforment afin de se réaligner dans la direction du

champ appliqué, d’où en découle une perméabilité de beaucoup supérieure à 1. La Figure 2

illustre schématiquement l’orientation des moments magnétiques des atomes à l’intérieur

d’un domaine magnétique en l’absence de champ magnétique externe.

La susceptibilité des matériaux ferromagnétiques est supérieure par beaucoup d’ordres de

grandeur à celle des matériaux paramagnétiques. Celle-ci peut aller de 50 à 10000 et même

plus pour certains alliages. Quelques exemples d’éléments ferromagnétiques et leur

perméabilité relative sont donnés au Tableau 1. Outre ces quelques éléments connus,

plusieurs terres rares sont également ferromagnétiques. En connaissant certains critères

relevant de la mécanique quantique et de la thermodynamique, on peut arriver à faire des

alliages ferromagnétiques à partir d’éléments qui à l’état pur ne le seraient pas. Quelques

exemples de ces alliages sont entre autres les systèmes Cu-Mn, Cu-Mn-Sn et Cu-Mn-Al.

Comme le paramagnétisme, le ferromagnétisme dépend de la température. Effectivement,

l’agitation thermique a pour effet de nuire à l’alignement du moment magnétique des

atomes les uns avec les autres. La susceptibilité de ces matériaux diminue donc avec

l’augmentation de la température jusqu’à la température de Curie (Tc) où le phénomène

disparaît complètement pour laisser place au paramagnétisme. Le Tableau 1 donne

quelques valeurs de température de Curie.

Tableau 1 – Perméabilité et Tc de certains éléments ferromagnétiques

Élément Perméabilité relative (µr) Température de Curie (TC, en K)

Nickel 250 1043

Cobalt 600 1403

Fer 4000 631

10

2.1.2.4 – Antiferromagnétisme

Outre les trois comportements magnétiques déjà mentionnés,

il en existe d’autres moins courants. L’antiferromagnétisme

est un de ces autres comportements moins répandus. Dans la

section précédente, il a été mentionné que le ferromagnétisme

était causé par l’interaction des moments magnétiques des

atomes les uns avec les autres et que de cette interaction

apparaissait une aimantation permanente. Dans les matériaux

antiferromagnétiques il y a aussi un couplage entre les

moments magnétiques des atomes sauf qu’au lieu de tous

s’aligner dans le même sens, ils s’alignent de manière antiparallèle. C’est-à-dire que les

moments s’alignent dans la même direction mais de sens opposés les uns par rapport aux

autres, ce qui entraîne l’annulation du moment magnétique total. Quelques exemples de

matériaux antiferromagnétiques sont le chrome, certains oxydes (FeO, NiO, MnO, CoO) et

d’autres composés (MnS, CrSb, FeCO3, MnF2, FeCl2, CoCl2, NiCl2, MnTe). La Figure 3

montre la configuration des moments magnétiques dans le MnO. Puisqu’il s’agit d’un

phénomène de faible intensité les matériaux antiferromagnétiques ne présentent pas

beaucoup d’intérêt outre le fait qu’ils ont beaucoup aidé à comprendre l’origine des

différents comportements magnétiques.

2.1.2.5 – Ferrimagnétisme

Le dernier type de comportement magnétique est particulièrement important dans le cadre

de cet ouvrage puisqu’il s’agit du comportement adopté par les ferrites. Les matériaux

ferrimagnétiques sont en fait des oxydes dont la formule chimique est généralement la

suivante MFe2O4, ou encore MO-Fe2O3, où M peut représenter plusieurs métaux bivalents

tels que le fer, le manganèse, le magnésium, le nickel, le zinc, le cadmium, le cobalt, le

cuivre, l’aluminium ou un mélange de ces éléments. La structure cristalline de ceux-ci est

souvent de type spinelle (voir Figure 4). Dans cette structure, les anions O2-

forment une

maille élémentaire cubique à faces centrées dont les sites tétraédriques sont occupés par les

Figure 3 – Orientation des

moments magnétiques des

atomes dans le MnO [5]

11

cations bivalents M2+

et les sites octaédriques sont

occupés par les cations trivalents Fe3+

. Certaines

ferrites ont une variante de cette structure appelée

spinelle inverse. Il s’agit de la même structure que

le spinelle normal, à la différence que la moitié

des cations trivalents occupent les sites

tétraédriques alors que les autres occupent au

hasard les sites octaédriques. La ferrite la plus

connue, soit la magnétite dont la formule est

Fe3O4, a justement la structure de type spinelle

inverse. Les ferrites de magnésium MgFe2O4 et

de zinc ZnFe2O4 sont toutes deux de type spinelle

normale.

D’autres ferrites ont une structure et une formule très différente de celles mentionnées. Par

exemple, le Ferroxdure, qui est une ferrite utilisée pour faire des aimants permanents, a la

formule chimique BaO-6Fe2O3. Sa structure est alors hexagonale plutôt que de type

spinelle. Finalement, les grenats de terres rares sont aussi un autre type de ferrite dont la

formule chimique ne fait pas partie de celles mentionnées plus haut. Elle prend plutôt la

forme 5Fe2O3-3M2O3 où dans ce cas M est une terre rare trivalente, souvent l’yttrium. La

structure atomique de ces ferrites est plutôt complexe et est expliquée de manière détaillée à

la référence [26].

Les ferrites sont à mi-chemin entre les matériaux ferromagnétiques et les matériaux

antiferromagnétiques en ce sens qu’ils se comportent comme un matériau ferromagnétique

sauf que l’origine de leur perméabilité élevée provient d’un cas particulier

d’antiferromagnétisme. En effet, tout comme pour les matériaux antiferromagnétiques les

atomes des matériaux ferrimagnétiques bénéficient de moments dipolaires non-nuls et sont

orientés de manière antiparallèle les uns aux autres. Par contre, pour les matériaux

ferrimagnétiques, les moments magnétiques des atomes ne sont pas tous égaux et pour cette

Figure 4 – Structure cristalline de type spinelle

[4]

12

raison, contrairement aux matériaux antiferromagnétiques, ils possèdent un moment

magnétique global non-nul. Comme pour les matériaux ferromagnétiques, la susceptibilité

des matériaux ferrimagnétiques est largement supérieure à 1. Par exemple, la perméabilité

de la ferrite Ni0,36-Zn0,64 ((NiO)0,36-(ZnO)0,64-Fe2O3) est d’environ 2000 et celle de la ferrite

Mn0,48-Zn0,52 ((MnO)0,48-(ZnO)0,52-Fe2O3) est d’environ 4000. La Figure 5 montre

schématiquement la différence entre l’orientation des moments magnétiques dans un

matériau ferromagnétique, antiferromagnétique et ferrimagnétique.

Figure 5 – Orientation des moments magnétiques dans différents types de matériaux

2.1.3 – Pertes dans les matériaux magnétiques

2.1.3.1 – Boucle d’hystérésis

À la section 2.1.2.3 on a mentionné qu’au sein des

matériaux ferromagnétiques il existait des zones

où les moments magnétiques de tous les atomes

s’alignaient dans la même direction. Ces zones

appelées domaines magnétiques sont séparées les

unes des autres par des interfaces appelées parois

de Bloch. La Figure 6 montre les domaines

magnétiques dans un monocristal de fer et montre

comment ils se déforment sous l’application d’un

champ magnétique. En l’absence d’un champ

magnétique appliqué H, l’orientation de chacune

de ces zones est aléatoire et il en découle une

induction magnétique résultante nulle. Lorsque

Figure 6 – Domaines magnétiques dans un

monocristal de fer [5]

13

l’on applique un champ magnétique, les parois de Bloch se déplacent de manière à ce que

les domaines magnétiques dont l’orientation du moment magnétique est près de celle du

champ magnétique appliqué prennent de l’expansion, au détriment des domaines dont

l’orientation est près de la direction opposée au champ magnétique. Ce phénomène fait en

sorte que l’induction magnétique dans les matériaux ferromagnétiques est supérieure à celle

du vide. Il va sans dire que ce phénomène est aussi présent dans les matériaux

ferrimagnétiques.

Contrairement à ce que laisse prétendre l’équation

1, l’induction magnétique B ne varie vraiment pas

de manière proportionnelle avec le champ

magnétique appliqué H. En réalité, la valeur de la

perméabilité peut varier beaucoup. Pour mieux

comprendre le phénomène décrit au paragraphe

précédent, le schéma de la Figure 7 est très utile.

On peut voir qu’au départ (H=0), l’orientation du

moment magnétique de chaque domaine est

aléatoire et qu’au fur et à mesure que le champ

magnétique appliqué augmente, les domaines se

déforment pour qu’ultimement (à l’aimantation à saturation Ms ou Bs) le moment

magnétique de tous les atomes soit orienté dans la direction du champ appliqué. On peut

aussi voir qu’il ne s’agit effectivement pas d’une droite et que la valeur de la perméabilité

varie beaucoup. Elle a d’abord une valeur de départ appelée perméabilité initiale µi et elle

augmente jusqu’à l’atteinte de sa valeur maximale µm pour finalement redescendre

progressivement (voir Figure 8). La courbe illustrée à la Figure 7 est appelée courbe

d’aimantation initiale et est valable seulement pour les matériaux ferromagnétiques que

l’on expose pour la première fois à un champ magnétique intense.

Lorsque l’on applique un champ magnétique à un matériau de manière à atteindre

l’induction maximale et qu’ensuite on diminue l’intensité du champ, on réalise que

Figure 7 – Courbe d’aimantation initiale [5]

14

l’induction ne suit pas la même courbe que lors de l’aimantation initiale. Il s’agit d’un

phénomène de retard ou de décalage entre le champ appliqué et l’induction appelé

hystérésis. Ce phénomène est causé par le fait que le champ appliqué lors de l’aimantation

initiale a déplacé les parois de Bloch de manière irréversible et qu’il faut un champ minimal

pour entraîner le déplacement de ces parois. Comme l’illustre la Figure 8, lorsque l’on

retire complètement le champ magnétique, il demeure une induction non-nulle appelée

induction rémanente Br. Si on applique un champ magnétique dans la direction opposée, on

atteindra éventuellement un point où l’induction devient nulle. Le champ magnétique

requis pour obtenir une induction nulle après avoir atteint l’aimantation à saturation est

appelé champ coercitif Hc. Si on continue à appliquer un champ magnétique dans la

direction opposée, on obtiendra aussi une induction maximale Bm (aussi appelée

magnétisation ou aimantation à saturation Ms ou Bs). On peut répéter le phénomène dans la

direction opposée pour faire un cycle complet. On obtient ainsi une boucle appelée boucle

d’hystérésis.

Figure 8 – Boucle d’hystérésis

Le déplacement irréversible des parois de Bloch qui est à l’origine du phénomène

d’hystérésis entraîne des pertes énergétiques lorsque l’on applique un champ magnétique

variable à un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique. La somme des pertes

15

énergétiques est proportionnelle à la surface engendrée par la boucle d’hystérésis et on peut

connaître la quantité d’énergie perdue par cycle d’aimantation à l’aide de l’équation

suivante :

Équation 7

Où P/f sont les pertes volumiques par cycle (J/m3), f est la fréquence d’utilisation (Hz), V

est le volume de matériau magnétique (m3), j(r,t) est la densité de courant induit en fonction

de la position et du temps (A/m3) et σ est la conductivité électrique du matériau (S/m).

Il n’y a qu’un moyen connu de disperser de l’énergie à partir d’un champ magnétique

variable dans un matériau magnétique. Il s’agit de faire circuler un courant électrique induit

dans un matériau résistif, d’où en découle une production de chaleur. Les courants

électriques induits par le champ magnétique variable sont mieux connus sous le nom de

courants de Foucault. Bien qu’il n’y ait réellement qu’un seul phénomène à l’origine des

pertes magnétiques, on a tout de même séparé arbitrairement les pertes en trois catégories :

les pertes par hystérésis, les pertes excédentaires et les pertes classiques. Chacune d’elle se

distingue par l’échelle spatio-temporelle à laquelle le phénomène se produit et elles seront

décrites dans les prochaines sections. La somme des différentes pertes est donnée par

l’équation suivante :

Équation 8

Où Ptot correspond à la densité de pertes magnétiques totales (W/kg), Phys correspond à la

densité de pertes par hystérésis (W/kg), Pexc correspond à la densité de pertes excédentaires

(W/kg) et Pcl correspond à la densité de pertes classiques (W/kg).

Ce qui est très intéressant avec cette séparation des pertes est que, bien qu’ultimement ils

s’agissent toujours de pertes par courants de Foucault et que ces différents phénomènes

sont interreliés, les différentes origines de ces courants de Foucault font qu’il est possible

de traiter chacun de ces mécanismes séparément comme s’ils étaient indépendants. Les

trois prochaines sous-sections expliqueront chacun de ces mécanismes.

16

2.1.3.2 – Pertes par hystérésis

Les pertes par hystérésis proviennent de la création de courants de Foucault induits par le

déplacement des parois de Bloch. Le mouvement des parois correspond à un changement

de magnétisation localisé et c’est ce changement de magnétisation qui est à l’origine de

l’induction des courants de Foucault rattachés aux pertes par hystérésis. Les courants

induits en question produiront à leur tour un champ magnétique qui s’oppose à la variation

d’aimantation. Ces mouvements s’effectuent de manière saccadée, d’une position stable des

parois à une autre. La Figure 9 illustre schématiquement le courant Jind induit par le

mouvement d’une paroi de Bloch.

Figure 9 – Courants induits lors du déplacement d’une paroi de Bloch

Les pertes par hystérésis sont données par la formule suivante :

Équation 9

Où Phys correspond aux pertes par hystérésis (W/kg), Chys est un coefficient de

proportionnalité, f correspond à la fréquence d’utilisation (Hz), B correspond à l’induction

17

crête (T) et x est un nombre réel qui représente la relation entre l’induction et les pertes

(sans unités).

L’importance des pertes par hystérésis sera dictée par l’état du réseau cristallin du matériau.

De manière générale, on peut dire que plus le réseau cristallin comportera de défauts (joints

de grains, dislocations, lacunes, inclusions, changements de phases, etc.), plus les pertes par

hystérésis seront grandes. Donc pour limiter ces pertes dans certains cas il pourra être

essentiel de faire un recuit.

2.1.3.3 – Pertes excédentaires

Les pertes excédentaires quant à elles découlent de l’interaction des domaines magnétiques

lors de la magnétisation du matériau. Cette interaction donne naissance à une présence

accrue de courants de Foucault à proximité des parois des domaines magnétiques en

mouvement. Les pertes excédentaires sont données par la formule qui suit :

Équation 10

Où Pexc correspond aux pertes excédentaires (W/kg), Cexc est un coefficient de

proportionnalité, f correspond à la fréquence d’utilisation (Hz) et B correspond à

l’induction crête (T). Tout comme pour les pertes par hystérésis, l’importance des pertes

excédentaires dépend de l’état du réseau cristallin du matériau. Donc, encore une fois, plus

il y a de défauts, plus les pertes excédentaires seront importantes.

2.1.3.4 – Pertes classiques

Les pertes classiques, aussi appelées simplement pertes par courants de Foucault, se

produisent quant à elles à une échelle bien plus grande. Elles proviennent de la circulation

des courants de Foucault induits directement par variation du champ magnétique appliqué.

Contrairement aux types de pertes précédents, ces courants de Foucault ne sont pas

contraints aux voisinages de parois de Bloch en mouvement, mais plutôt à toute la pièce.

Comme c’est bien connu, les courants de Foucault sont une conséquence directe de la loi de

18

Faraday (Équation 11). Celle-ci dit que la force électromotrice ε induite dans un circuit

fermé est proportionnelle à la variation du flux magnétique Φ par rapport au temps. Et tel

que dicté par la loi de Lenz, l’effet de la force électromotrice est tel qu’il s’oppose à la

variation du flux magnétique, d’où le signe – dans l’équation qui suit :

Équation 11

La Figure 10 illustre la façon dont les courants de Foucault se distribueront dans une pièce

soumise à un champ magnétique variable.

Figure 10 – Courants induits par un champ magnétique variable

Les pertes classiques sont données par la relation suivante :

Équation 12

Où Pcl correspond aux pertes classiques (W/kg), Ccl est un coefficient de proportionnalité, f

correspond à la fréquence d’utilisation (Hz) et B correspond à l’induction crête (T). On peut

voir que les pertes classiques dépendent de la fréquence au carré alors que les pertes par

hystérésis et les pertes excédentaires dépendent de la fréquence à première puissance et

exposé à la 3/2 respectivement. Ceci a pour effet que pour des fréquences d’utilisations

faibles les pertes par hystérésis dominent alors que pour de hautes fréquences les pertes

19

classiques prennent le dessus. Cette distinction a beaucoup d’importance quand vient le

temps de choisir les propriétés des matériaux en fonction des applications visées. Le tout

sera discuté plus en détails dans la section sur les composites magnétiques doux (§ 2.2).

Il est possible de contrôler l’importance des pertes classiques en faisant varier la résistivité

du matériau. En effet, les pertes classiques sont inversement proportionnelles à la résistivité

du matériau. Donc, plus un matériau est résistif plus les pertes classiques seront faibles.

C’est pourquoi dans les applications à hautes fréquences on favorisera un matériau ayant

une résistivité élevée à un matériau ayant une perméabilité élevée.

2.1.4 – Matériaux magnétiques durs

On a vu à la section précédente que la boucle d’hystérésis permettait d’obtenir beaucoup

d’informations sur les propriétés des matériaux ferromagnétiques. Des exemples de ces

propriétés sont entre autres l’induction maximale Bm, l’induction rémanente Br et le champ

coercitif Hc. Tout dépendant du type d’application visée, on cherchera à obtenir différentes

caractéristiques. Par exemple, pour un aimant permanent, on souhaite généralement avoir

une induction rémanente la plus élevée possible. Ainsi, lorsque l’on applique et que l’on

retire un champ magnétique élevé au matériau, celui-ci garde une induction résultante nette

même sans l’application d’un champ magnétique extérieur. Pour ce type de matériaux, on

cherchera aussi à avoir un champ coercitif élevé afin qu’un plus grand champ magnétique

soit nécessaire pour changer l’orientation des domaines magnétiques. Les matériaux ayant

ce type de caractéristiques sont appelés matériaux magnétiques durs.

2.1.5 – Matériaux magnétiques doux

Un autre type de matériau magnétique requiert des propriétés complètement différentes. Il

s’agit des matériaux magnétiques doux. Ces matériaux sont généralement utilisés pour

canaliser le flux magnétique dans un circuit magnétique, un peu comme les fils électriques

conduisent l’électricité dans un circuit électrique. Un exemple de circuit magnétique bien

20

connu est le circuit formé par le rotor et le stator dans un alternateur ou dans un moteur

électrique. Puisque dans l’air le champ magnétique diminue très rapidement avec la

distance, le rotor et le stator servent à conduire les lignes de champ magnétique afin de

limiter ces pertes. D’autres types de pertes magnétiques sont également possibles, en

particulier lorsque l’on travaille avec un champ magnétique variable. Comme discuté à la

section précédente, lorsqu’un champ magnétique variable est appliqué à un matériau

magnétique, des courants de Foucault sont induits et des pertes énergétiques s’en suivent.

On a vu que ces pertes étaient proportionnelles à l’aire formée par la boucle d’hystérésis.

Donc pour limiter ces pertes, sans pour autant nuire à l’induction maximale, il est important

d’avoir une perméabilité la plus élevée possible et un champ coercitif le plus faible

possible. La Figure 11 illustre la différence entre les courbes d’hystérésis d’un matériau

magnétique dur et d’un matériau magnétique doux.

Figure 11 – Boucles d’hystérésis caractéristiques de matériaux magnétiques dur et doux

2.2 – Composites magnétiques doux

Pour des gammes de fréquences moyennement élevées, par exemple de l’ordre de 60 Hz à

1000 Hz, on souhaite avoir un compromis entre induction et résistivité. Toutefois, rares

21

sont les matériaux qui combinent bonne résistivité, bonne perméabilité, bonne

magnétisation à saturation et faible champ coercitif. En fait, il n’y en a tout simplement pas

de connus à ce jour. Par exemple, les ferrites peuvent être très résistives, mais elles ne

possèdent pas une très bonne magnétisation à saturation et leur perméabilité n’est pas

excellente. À l’inverse, le fer ou certains de ses alliages ont une excellente perméabilité et

une très bonne magnétisation à saturation mais sont très peu résistifs.

Afin de développer un matériau propice à cette plage de fréquences qui est souvent utilisée

dans les applications industrielles, on a pensé développer un composite unissant

l’aimantation à saturation élevée d’un matériau ferromagnétique et la résistivité élevée d’un

matériau résistif. Comme pour tout composite, le but étant que les propriétés résultantes de

l’union de ces deux matériaux soient supérieures à celles des deux matériaux pris

séparément. Ces matériaux sont les fameux composites magnétiques doux. Il existe en fait

deux techniques pour produire ces matériaux : les empilements de laminés et les poudres

isolées électriquement. Les deux prochaines sections exposeront chacune de ces techniques,

leurs avantages et leurs inconvénients.

2.2.1 – Empilements de laminés

La première fut développée par Thomas Edison vers

la fin du 19ième siècle et consiste à empiler de

minces tôles de fer laminées séparées les unes des

autres par une mince couche de matériau isolant.

Ainsi, les courants de Foucault ne peuvent circuler

que dans le plan des tôles et du coup les pertes qu’ils

engendrent s’en trouvent grandement réduites. Cette

technique a été et continue d’être la technique la plus

utilisée pour produire des composites magnétiques

doux. Les raisons expliquant la grande utilisation de

cette technique est la facilité de mise de forme de tels

Figure 12 – Propagation des courants de

Foucault dans un empilement de laminés

22

matériaux, les faibles coûts de production et son efficacité à limiter les pertes par courants

de Foucault. Un de ses grands inconvénients toutefois est que la forte anisotropie des pièces

ainsi produites force les ingénieurs à développer des designs en deux dimensions. En effet,

pour limiter les pertes classiques de manière vraiment efficace, les lignes de champ

magnétiques variables doivent se propager dans le plan. La Figure 12 montre comment se

propagent les courants de Foucault et comment doit être orienté le champ magnétique

appliqué dans une pièce faite d’empilement de laminés.

2.2.2 – Poudres isolées électriquement

La deuxième technique utilisée pour produire des composites magnétiques doux consiste à

partir de poudres d’un matériau ferromagnétique, de les recouvrir d’un matériau résistif et

de les compacter dans la forme désirée. Cette technique existe elle aussi depuis très

longtemps. Elle fut proposée par Fritts en 1886. Elle fut toutefois mise de côté pendant très

longtemps à cause des limites de la mécanique de l’époque et de la piètre qualité des

poudres de fer. En effet, au moment où l’idée fut lancée pour la première fois, il n’y avait

pas de presse suffisamment performante pour permettre de compacter des poudres

métalliques en des échantillons de taille intéressante et les empilements de laminés

donnaient déjà de très bons résultats. Pour ces raisons, l’idée des composites magnétiques

doux à base de poudres n’a réellement commencée à être étudiée qu’à partir des années

1980.

En théorie, cette technique serait très avantageuse par rapport à la première technique

puisque qu’elle contraint les courants de Foucault à l’intérieur des particuless tel qu’illustré

à la Figure 13A. De la sorte on pourrait en théorie limiter encore davantage l’importance

des pertes par courants de Foucault. De plus, le fait d’utiliser des poudres plutôt que des

tôles vient éliminer la forte anisotropie du matériau et permet donc l’utilisation de designs

en trois dimensions. Toutefois, dans la réalité, il est très difficile d’isoler électriquement de

manière efficace les particules les unes des autres. Pendant la compaction, le revêtement se

brise ou se déforme et entraîne pratiquement toujours la formation de contacts entre les

23

particules. À cause de ce phénomène, les courants de Foucault ne sont pas limités aux

poudres individuellement et peuvent se promener en partie dans la totalité de la pièce. La

Figure 13B illustre un tel cas.

Figure 13 – Courants de Foucault dans un CMD à base de poudres métalliques A) sans contact fer-fer B) avec

contacts fer-fer

Le matériau ferromagnétique qui constitue les poudres est presque toujours du fer pur, bien

que dans certains cas on puisse utiliser d’autres alliages ferromagnétiques comme le

permalloy (alliage Fe-Ni). Les poudres de fer employées dans les CMD proviennent plus

souvent qu’autrement de l’atomisation à l’eau. Cette méthode de production de poudre sera

introduite à la section 2.3.1. Il existe deux grandes catégories de revêtements utilisés pour

isoler les poudres métalliques les unes des autres : les revêtements organiques à base de

polymères et ceux inorganiques à base de céramique (oxydes, phosphates ou de verres). On

peut aussi utiliser les deux types de revêtements en même temps pour améliorer la

résistance mécanique des pièces par renforcement polymérique, pour augmenter la

résistivité du matériau ou les deux. On aura généralement tendance à garder l’épaisseur du

revêtement aussi faible que possible afin d’obtenir une densité élevée et du même coup de

bonnes propriétés magnétiques. Bien que l’on retrouve des poudres ayant des revêtements

polymériques sur le marché, les revêtements céramiques ont tendance à donner de meilleurs

résultats. La principale raison étant qu’ils permettent généralement de produire des

revêtements plus minces et donc d’atteindre des densités plus élevées. De surcroît, leur

meilleure stabilité thermique permet de faire des traitements thermiques à plus haute

température et permet une meilleure relaxation de contraintes après la compaction.

24

2.3 – Métallurgie des poudres

La métallurgie des poudres (M/P) est une technique de mise en forme qui consiste à

compacter des poudres métalliques sous la forme désirée et de soumettre les pièces

obtenues à un traitement thermique appelé frittage afin d’obtenir les propriétés souhaitées.

La métallurgie des poudres présente plusieurs avantages notables par rapport aux autres

techniques de mise en forme traditionnelles telles que la coulée et le forgeage. Notamment,

il s’agit d’un procédé aux cotes presques finales. Ce qui signifie que bien souvent, au terme

de la compaction et du frittage, aucune opération secondaire telle que l’usinage n’est

nécessaire. De plus, le procédé de la métallurgie des poudres permet de limiter

significativement les pertes de matériau généralement encourues lors de la coulée.

Finalement, sa capacité de produire très rapidement un très grand nombre de pièces et ce à

de manière très économique en fait une technique très utilisée pour la production de pièces

dans le domaine automobile.

Cette technique se divise généralement en quatre étapes distinctes : la fabrication de la

poudre, la préparation des mélanges, la compaction et finalement le frittage. Il existe bien

sûr plusieurs alternatives à ce procédé pour obtenir des propriétés bien spécifiques, mais il

s’agit du procédé le plus utilisé à l’échelle mondiale. Les sections qui suivent expliqueront

chacune de ces quatre étapes dans le détail. Finalement, la section 2.3.5 présentera quelques

applications de la M/P.

2.3.1 – Fabrication de la poudre

Il existe une grande variété de techniques pour produire de la poudre métallique, mais celle

qui est la plus utilisée est l’atomisation à l’eau. Plus spécifiquement, l’atomisation à l’eau

du fer qui est de loin le matériau le plus utilisé en métallurgie des poudres, tout simplement

qu’il s’agit du métal le plus le utilisé dans le domaine de l’automobile de nos jours.

25

L’atomisation à l’eau consiste à pulvériser un mince filet de métal en fusion qui se solidifie

sous forme de fines gouttelettes métalliques. Pour ce faire, on fait d’abord fondre le métal

et on le déverse dans un panier répartiteur ayant un trou au fond. Le métal en fusion passe à

travers le trou en question et le mince filet de métal liquide qui en résulte est ensuite

pulvérisé par de puissants jets d’eau situés sous le panier répartiteur. Les jets d’eau

refroidissent rapidement le métal, lui permettant de se solidifier sous forme de très fines

particules. Les poudres sont alors recueillies et séchées. La Figure 14 illustre

schématiquement une chambre d’atomisation à l’eau. Après l’atomisation, il est nécessaire

de faire un recuit sur les poudres dans une atmosphère réductrice afin d’enlever la couche

d’oxyde qui s’est produite à la surface des poudres lors de l’atomisation et aussi pour

uniformiser la microstructure à l’intérieur des poudres. Lors du recuit de faibles liens

métallurgiques se créent entre les particules et un broyage doux est requis.

Figure 14 – Chambre d’atomisation à l’eau

26

Ce procédé peut s’effectuer en continu et dans la pratique obtient souvent des taux de

production de l’ordre de 400 kg/min. La poudre obtenue sera de forme très irrégulière (voir

Figure 15) et la distribution granulométrique des poudres est relativement large

comparativement à d’autres procédés. La taille des poudres produites peut varier entre 5 μm

et 800 μm. On peut faire varier la taille moyenne des poudres à partir de plusieurs

paramètres mais le plus important est la pression des jets d’eau. Plus la pression des jets est

élevée, plus la granulométrie des poudres est fine et vice-versa.

Figure 15 –Poudre de fer atomisée à l’eau observée au MEB à A) 100X et B) 500X

2.3.2 – Préparation des mélanges

Une fois la poudre métallique produite, on doit lui ajouter certains éléments avant de

procéder à la compaction. Afin de limiter l’usure de l’outillage utilisé pour la compaction,

on ajoute presque toujours un lubrifiant à la poudre. En procédant ainsi on parvient à

limiter les forces de frottement entre les parois de la matrice et les poudres à compacter. De

plus, on peut aussi rajouter des éléments d’alliages pour obtenir la composition chimique

désirée. Il y a en fait deux moyens d’ajouter des éléments d’alliages aux poudres

métalliques. On peut soit rajouter les éléments sous forme de poudre au mélange. On dira

dans ce cas que les éléments d’alliages sont pré-mélangés. L’autre option consiste à ajouter

les éléments d’alliages directement dans le bain de métal en fusion avant l’atomisation.

27

Dans ce cas-ci on dira plutôt que les éléments d’alliages sont pré-alliés. Il est à noter que

certains éléments comme le carbone rendent les poudres (de fer) beaucoup plus difficile à

compacter lorsqu’ils sont pré-alliés. Conséquemment, ceux-ci sont pré-mélangés tandis que

d’autres qui ont un impact moindre sur la compressibilité sont pré-alliés. Dans les poudres

d’acier, en général certains éléments sont pré-alliés (Mo, Cr, Co), certains sont pré-

mélangés (C, Cu) et d’autres sont à la fois pré-alliés et pré-mélangés. C’est le cas du nickel

par exemple pour lequel on ajoute une portion sous-forme pré-alliée et une autre sous-

forme pré-mélangée. Une fois tous les éléments nécessaires ajoutés à la poudre de base

(lubrifiants et éléments d’alliages), on procède au mélange à proprement parler. Le but de

ce dernier est d’assurer une répartition la plus uniforme possible de tous les constituants du

mélange. Il existe une multitude de techniques et de type de mélangeurs pour y arriver.

2.3.3 – Compaction

Une fois le mélange de poudre métallique préparé, on peut procéder à l’étape de

compaction. Cette étape consiste à déverser la poudre dans la cavité d’une matrice et

ensuite à appliquer une forte pression sur les poinçons qui donnent la forme désirée à la

pièce. Pour les poudres de fer typiques atomisées à l’eau ayant une distribution

granulométrique moyenne située entre 80 µm et 120 µm, la pression de compaction

employée se situe généralement entre 500 MPa et 820 MPa. Ensuite il ne reste qu’à éjecter

la pièce compactée pour la prochaine étape qui est le frittage. La Figure 16 illustre un cycle

de compaction normalement utilisé à l’échelle industrielle. Le sabot d’alimentation remplie

d’abord la cavité de la matrice, ensuite la pression est appliquée par les poinçons inférieurs

et supérieurs et finalement le poinçon inférieur monte pour extraire la pièce de la cavité. En

avançant pour le prochain cycle, le sabot d’alimentation déplace la pièce compactée et le

tout recommence. Pour les pièces plus complexes ayant plusieurs niveaux d’épaisseurs, on

peut utiliser des matrices ayant plusieurs jeux de poinçons. Ces systèmes deviennent

rapidement très complexes et aussi plus dispendieux.

28

Figure 16 – Cycle de compaction en M/P [18]

Au cours de la compaction, les poudres métalliques se déplacent et se déforment de

manière à créer plusieurs liens mécaniques entre elles. Au terme de la compaction, la pièce

aura une résistance mécanique relativement faible. Par exemple, pour une pièce de fer

compactée aux pressions mentionnées plus haut, on peut s’attendre à avoir une résistance

avant frittage se situant aux alentours de 10 à 15 MPa. C’est faible, mais suffisant pour

pouvoir manipuler les pièces entre la presse et le four de frittage. La résistance avant

frittage des pièces fabriquées par M/P est appelée résistance à cru. C’est le même terme que

celui utilisé pour les céramiques.

2.3.4 – Frittage

Le frittage est un traitement thermique des pièces à une température inférieure à la

température de fusion du constituant principal. Les buts de cette pratique sont de permettre

la diffusion des atomes afin de créer des liens métallurgiques entre les particules qui sont en

contact les unes avec les autres, de permettre aux différents éléments d’alliages pré-

mélangés de diffuser pour uniformiser la microstructure et de permettre une relaxation des

contraintes induites par la compaction. La force motrice derrière le frittage est la diffusion

qui se produit afin de minimiser l’énergie libre du système. Comme il s’agit d’un processus

29

activé thermiquement, les températures de frittage auront intérêt à être les plus élevées

possible. Pour cette raison, les températures employées pour le frittage varieront beaucoup

en fonction du matériau à fritter, mais dans tous les cas les températures maximales

atteintes se situeront près de la température de fusion du métal. Le traitement se doit d’être

effectué dans une atmosphère contrôlée pour prévenir l’interaction (non désirée) du

matériau à fritter avec l’atmosphère ambiant. Le Tableau 2 donne quelques exemples de

conditions de frittage pour différents matériaux. Pendant ce traitement, la diffusion des

atomes crée des ponts entre les particules en contact. Ces ponts permettent d’augmenter

significativement les propriétés mécaniques des pièces fabriquées par métallurgie des

poudres et ainsi d’atteindre des résistances similaires à celles obtenues par les autres

techniques de mise en forme. La Figure 17 montre la formation de ponts causée par le

frittage de poudres de bronze non compactées.

Tableau 2 – Exemples de conditions de frittage en P/M [18]

Matériau Taille des

particules (µm) Atmosphère

Température

maximale (°C) Durée (min)

Aluminium 60 N2-H2 600 20

Cuivre 32 H2 1045 120

Fe-2Cu-0,8C 100 N2-H2 1120 30

Fe-2Ni-0,5C 80 N2-H2 1120 60

Acier inox 316L 44 H2 1385 90

Acier 4640 80 N2-H2 1120 30

Tantale 2 Vide 2400 120

Titane 50 Vide 1400 120

Tungstène 3 H2 2800 45

30

Figure 17 – Formation de ponts lors du frittage [18]

Les fours de frittage utilisés industriellement sont généralement des fours en continu. Ceux-

ci sont séparés en trois sections : une section de préchauffage pour permettre au lubrifiant

de brûler et de sortir de la pièce, une section à haute température pour le frittage à

proprement parler et finalement une zone à basse température pour le refroidissement. La

Figure 18 montre un schéma de four continu à courroie. Il existe aussi des fours à poussoir,

mais ceux-ci sont surtout utilisés pour les applications à plus haute température comme le

frittage d’aciers inoxydables.

Figure 18 – Four à courroie en continu pour la M/P [18]

31

2.3.5 – Applications

Les dernières sections décrivant les diverses étapes du procédé de métallurgie des poudres

ont montré qu’il s’agissait d’un procédé qui pouvait être opéré de manière continue, ce qui

en fait un procédé qui se prête facilement à la production à grande échelle. En conséquence,

la M/P a trouvé beaucoup d’applications dans la fabrication de pièces structurales dans le

domaine automobile et dans la fabrication de composantes électroniques (électrodes de pile

à combustible, condensateurs, cibles à rayons X, connecteurs électriques, etc.). Par

exemple, en moyenne on retrouve respectivement 19,5 kg, 9,3 kg et 8,6 kg de pièces

fabriquées par M/P dans les véhicules fabriqués en Amérique du Nord, en Europe et au

Japon. Le Tableau 3 présente quelques statistiques intéressantes pour illustrer la

consommation annuelle de poudres métalliques et la production de pièces provenant de la

métallurgie des poudres.

Tableau 3 – Quelques statistiques concernant le marché de la M/P [18]

Consommation de quelques poudres métalliques importantes (103 Tonnes/an)

Aluminium 100

Cobalt 39

Cuivre 42

Fer et acier 7300

Nickel 25

Acier inoxydable 9

Tungstène 50

Zirconium 20

Production de quelques produits provenant de la M/P

Plus de 500 milliards de condensateurs fabriqués par année à travers le monde

1,7 G$US de vente de poudres métalliques par année aux États-Unis

5 G$US provenant de la production de pièces frittés par année à travers le monde

Par ailleurs, une des premières applications de la métallurgie des poudres fut la mise en

forme de filaments de tungstène pour la fabrication d’ampoules incandescentes. En effet, le

tungstène étant un métal réfractaire, la métallurgie des poudres combinée avec des procédés

de mise en œuvre tel que le tréfilage furent les méthodes employées pour arriver à mettre en

forme ces pièces complexes.

32

2.4 – Ferrites

À la section 2.1 portant sur les propriétés magnétiques, il a été mentionné que le

magnétisme était un phénomène connu de l’homme depuis des milliers d’années. Il est très

intéressant de préciser que la première forme de magnétisme observée par l’homme était la

magnétite, Fe3O4, qui est justement une ferrite. La première application de la magnétite est

bien connue. Elle était utilisée pour magnétiser les aiguilles des boussoles pour l’orientation

des explorateurs. Même s’il s’agit d’un matériau bien connu, il n’a toutefois pas été l’objet

d’études élaborées avant les années 1930. La principale raison étant tout simplement qu’il

ne présentait pas de bonnes propriétés en comparaison avec d’autres matériaux

ferromagnétiques de l’époque. Cependant, l’apparition d’applications utilisant de très

hautes fréquences, par exemple dans le domaine des micro-ondes, a justifié l’étude des

ferrites comme matériau magnétique doux. En effet, même si leur perméabilité et leur

aimantation à saturation sont souvent inférieures à celles d’autres matériaux tels que le fer,

leur résistivité très élevée permet de limiter les pertes classiques qui deviennent très

importantes lorsque l’on travaille avec des fréquences d’application aussi élevées. Le

Tableau 4 montre la résistivité de plusieurs matériaux ferromagnétiques dont plusieurs

ferrites. Les quelques concentrations données sont exprimées en pourcentage massique.

Tableau 4 – Résistivité de matériaux ferromagnétiques [21]

Matériau Résistivité (Ω-m)

Ferrite Zn 1

Ferrite Cu 103

Ferrite Fe 4 x 10-5

Ferrite Mn 102

Ferrite NiZn 104

Ferrite Mg 105

Ferrite Co 105

Ferrite MnZn 1 – 10

Grenat Y et Fe 108 - 10

10

Fer pur 9,6 x 10-8

97Fe – 3Si 50 x 10-8

55Fe – 45Ni (Permalloy 45) 45 x 10-8

33

Les ferrites ne servent toutefois pas que de matériaux magnétiques doux. Certains types de

ferrites ont un champ coercitif et une induction rémanente très élevés et se comportent

plutôt comme des matériaux magnétiques durs. Ces derniers sont alors utilisés comme

aimants permanents ou comme matériau pour enregistrement magnétique.

Cette section présentera de manière détaillée la technique de mise en forme conventionnelle

des ferrites qui, comme on le verra, a beaucoup de points en communs avec la M/P. Par la

suite, un bref résumé de techniques alternatives sera fait et finalement le placage de la

ferrite et les concepts qui s’y rattachent seront présentés.

2.4.2 – Technique conventionnelle de mise en forme des ferrites

Le traitement conventionnel de la ferrite se déroule en trois principales étapes, soit la

préparation de la poudre, la compaction et le frittage de la poudre. Le traitement de la

ferrite est très similaire à celui de la plupart des autres céramiques à la différence que pour

les ferrites, plusieurs étapes du procédé viseront à améliorer les propriétés magnétiques. De

plus, cette technique a aussi beaucoup de points en communs avec la métallurgie des

poudres. Effectivement, la plupart des étapes du procédé sont très similaires sauf qu’au lieu

de travailler avec des poudres métalliques on travaille avec des poudres d’oxydes. Les

prochaines sections décriront sommairement les trois étapes mentionnées plus haut.

2.4.2.1 – Préparation de la poudre

La première étape dans la fabrication de la ferrite consiste à choisir la matière première.

Celle-ci peut tout simplement provenir de minerais (oxydes métalliques), de produits

dérivés du traitement des minerais ou encore de rejets de produits provenant du traitement

de l’acier. Ces oxydes doivent généralement être purifiés à des niveaux assez élevés afin de

pouvoir être utilisés pour la fabrication de ferrites. Une fois que les constituants de base

sont choisis et purifiés, on peut procéder au mélange de ceux-ci dans les proportions

requises pour avoir la stœchiométrie désirée.

34

Ensuite, il est presque toujours nécessaire de faire un broyage des poudres afin d’obtenir la

granulométrie souhaitée. Une granulométrie très fine est souhaitable afin d’augmenter la

surface spécifique des poudres et la vitesse de diffusion dans les traitements thermiques

ultérieurs. Ultimement, le but de cette pratique est d’obtenir la densité la plus élevée

possible et du même coup avoir les meilleures propriétés possibles.

Dans certains cas, suite au broyage, une étape de calcination sera requise afin d’uniformiser

la microstructure des poudres et de limiter la ségrégation. L’uniformité des poudres est

particulièrement importante dans la fabrication des ferrites car, dans les premiers stades du

frittage, on a une diffusion des atomes aux interfaces entre les différentes poudres

d’oxydes, donnant ainsi naissance à une couche d’oxyde relativement stable à la surface des

particules. Cette couche a pour effet de venir limiter la diffusion, empêchant ainsi la

formation de la ferrite désirée au centre de ces dernières. C’est pourquoi on procède

souvent à cette étape, laquelle est suivie d’un autre broyage qui sert à briser les ponts qui

ont été créés.

La calcination se déroule généralement à des températures avoisinant les 1000°C, soit

200°C ou 300°C en-dessous des températures usuelles de frittage. En plus d’uniformiser la

microstructure des poudres, elle a aussi pour avantage de limiter le changement

dimensionnel au terme du frittage qui est souvent de l’ordre de 10% à 20%.

Avant la compaction, on peut très souvent faire appel à un liant que l’on mélangera avec les

poudres pour leur donner une résistance à cru suffisamment élevée pour la manipulation.

Les liants peuvent être, par exemple, de l’alcool polyvinylique (PVA) ou du

polyéthylèneglycol (PEG).

35

2.4.2.2 – Compaction

Après toutes les étapes nécessaires à la préparation de la poudre, vient l’étape de la

compaction. La méthode de compaction la plus utilisée est définitivement le pressage

uniaxial. Le type de presse utilisée peut aussi bien être des presses mécaniques ou

hydrauliques. Les pressions de compaction se situent typiquement entre 100 MPa et 200

MPa tout dépendant du type de matériau à compacter et surtout des propriétés désirées. Si

les forces de frottement entre les parois de la matrice et la poudre deviennent trop

importantes, il est possible d’utiliser un démouleur comme le stéarate de zinc pour lubrifier

les parois. En théorie, le pressage uniaxial peut permettre de compacter les pièces

directement dans leur forme finale, sans avoir à faire appel à d’autres procédés de mise en

oeuvre. Cependant, comme le changement dimensionnel peut souvent être assez important

(10% à 20%), on peut avoir à procéder à un usinage de finition après le frittage dans les

applications où des tolérances très sévères sont demandées.

Pour certaines applications particulières, au lieu d’utiliser la compaction uniaxiale, on peut

utiliser la compaction isostatique à chaud ou à froid. Elle consiste à mettre la poudre dans

un contenant de plastique ou de caoutchouc qui sera mis dans un liquide ou un gaz à haute

pression. Ainsi, le fluide transfert la pression également dans toutes les directions au

contenant qui lui transférera la pression à la poudre. On réduit de cette façon la présence de

gradients de densité et on augmente l’isotropie des pièces. On peut procéder à la

compaction isostatique à chaud pour obtenir des densités extrêmement élevées et pour

obtenir des pièces ayant une microstructure très fine. Pour la compaction isostatique à

chaud ou à froid, le contrôle dimensionnel est souvent plus difficile à assurer qu’avec la

compaction uniaxiale et si les tolérances dimensionnelles sont très sévères, un usinage de

finition peut être requis.

2.4.2.3 – Frittage

Une fois la poudre préparée adéquatement et compactée sous forme d’échantillons, on doit

procéder à l’étape du frittage. Le frittage des céramiques, comme le frittage de poudres

36

métalliques, est un traitement thermique à haute température (légèrement en-dessous de la

température de fusion) pendant le lequel différents mécanismes de diffusion permettront la

formation de liens chimiques entre les particules qui au départ n’étaient liées que par des

liens mécaniques. Dans le cas des ferrites, les buts visés par ce traitement sont de compléter

la diffusion des atomes métalliques dans le réseau cristallin, d’établir la valence appropriée

pour les atomes à états d’oxydation multiples (à l’aide du contrôle de la concentration

d’oxygène) et de développer la microstructure recherchée pour les applications visées.

Cela dit, les conditions de frittages peuvent varier énormément en fonction du matériau à

l’étude et des propriétés recherchées. La plupart du temps le frittage se fait à des

températures situées entre 1000°C et 1300°C pendant 1 à 2 heures, toutefois certaines

techniques plus sophistiquées impliquent des temps de frittage aussi courts que 10 minutes

à des températures aussi élevées que 1460°C. De manière générale, si on veut garder une

microstructure fine on emploiera un temps de frittage plus court et si on veut obtenir une

densité élevée on se tournera vers des temps de frittage plus longs. La même logique

s’applique pour les températures.

Un autre facteur qui aura une grande importance dans la détermination des conditions de

frittage est la composition chimique de la ferrite utilisée. En effet, le comportement de

certains éléments peut limiter beaucoup les conditions de frittage. Par exemple, puisque le

zinc a un point de fusion et un point d’ébullition très faibles, les ferrites qui en contiennent

devront être frittées dans des conditions très particulières pour limiter les pertes en zinc.

Des études [27] portant sur les pertes en zinc durant le frittage de la ferrite NiZn ont montré

que deux approches permettaient de limiter ces pertes. On peut faire soit un frittage à

« basse » température (en-dessous de 1200°C) dans une atmosphère inerte, soit un frittage à

haute température (au-dessus de 1300°C) dans une atmosphère composée à 100%

d’oxygène. Si jamais un liant est employé pendant la compaction, il est important de

compter une courte période de temps lors de la montée en température du frittage pour que

le polymère brûle et soit extrait de la pièce.

37

En résumé, pour le frittage des ferrites comme pour plusieurs autres matériaux, les

conditions de frittage telles que le temps, la température et l’atmosphère seront dictées par

le matériau utilisé et les propriétés recherchées.

2.4.3 – Autres techniques

La technique décrite ci-haut est de loin la plus utilisée pour fabriquer des ferrites. Il existe

cependant plusieurs alternatives à cette technique, la plupart se font par l’intermédiaire

d’une phase aqueuse, et dans la majorité des cas les étapes de compaction et de frittage

demeurent nécessaires. Parmi ces procédés alternatifs on compte :

1. Coprécipitation

2. Précurseurs organiques

3. Grillage par co-vaporisation (Co-spray roasting)

4. Frittage actif

5. Synthèse au sel fondu

6. Synthèse Sol-Gel

7. Lyophilisation

8. Synthèse hydrothermale

9. Alliage mécanique

10. Projection au plasma

Décrire chacun de ces procédés n’est pas nécessaire dans le cadre de ce mémoire,

cependant il convient de mentionner que ces alternatives sont utilisées lorsque l’on désire

obtenir certaines propriétés bien particulières telles qu’une meilleure homogénéité, une

pureté supérieure ou pour avoir une microstructure plus fine.

2.4.4 – Placage de la ferrite

Il existe une autre technique pour produire de la ferrite, mais cette fois-ci sous forme de

revêtement. Cette technique, appelée placage de la ferrite, a été développée au début des

années 1980 par les chercheurs japonais Masanori Abe et Yutaka Tamaura. Celle-ci se base

largement sur le principe de l’électrodéposition. Pour cette raison, les deux sections qui

suivent présenteront le principe de base derrière l’électrodéposition et une variante de cette

technique, soit la déposition autocatalytique. Par la suite, un résumé des travaux de

38

messieurs Abe, Tamaura et leurs partenaires sera présenté. Plus spécifiquement, le principe

de base derrière le placage de la ferrite, les nouveaux développements et les applications de

cette technique seront expliqués.

2.4.4.1 – Électrodéposition

La technique de la déposition électrolytique, aussi appelée électroplacage ou tout

simplement placage, consiste à immerger la pièce à recouvrir (cathode) dans une solution

contenant des ions du métal que l’on désire déposer et de faire circuler un courant entre la

pièce et une électrode baignant aussi dans la solution. Les ions métalliques proviennent

généralement de sels métalliques tels que des chlorures ou des sulfates métalliques et

également de l’oxydation de l’électrode auxiliaire (anode). La Figure 19 illustre

schématiquement le montage requis pour procéder à une déposition électrolytique. Le M

réfère à un atome métallique qui pourrait être par exemple le fer et le Mx+

réfère à un ion

métallique où le x correspond à l’état d’oxydation. L’anode est généralement faite du même

métal que le dépôt que l’on veut fabriquer et la cathode peut être faite de la plupart des

matériaux conducteurs.

Figure 19 – Schéma simplifié du montage expérimental requis pour le placage

Le phénomène chimique derrière ce procédé est l’oxydo-réduction. L’oxydo-réduction

découle de deux réactions chimiques simultanées : l’oxydation et la réduction. L’oxydation

39

correspond à l’action de céder des électrons et se déroule à l’anode qui devient une source

d’électrons. À l’inverse, la réduction correspond à l’action d’acquérir des électrons et se

déroule à la cathode. Dans le cas de l’électrodéposition, on immerge la cathode, qui

correspond en fait à la pièce à recouvrir, et l’anode dans une solution, appelée électrolyte,

contenant les ions métalliques à déposer. En appliquant une différence de potentiel entre

l’anode et la cathode les ions chargés positivement se dirigent vers la cathode où ils sont

réduits et forment ainsi le recouvrement métallique. En plus de ce phénomène, les atomes

métalliques de l’anode étant exposés à l’électrolyte sont oxydés et passent en solution dans

ce dernier libérant du même coup des électrons.

Les propriétés finales du revêtement telles que la porosité, la rugosité, la résistance à

l’usure et à la torsion seront dictées par une série de facteurs. Parmi ceux-ci on compte la

densité de courant, la nature de l’électrolyte, l’agitation, la nature du support (cathode), la

température, la présence de constituants étrangers dans l’électrolyte et autres. Ces facteurs

auront une incidence sur la vitesse de déposition et ultimement sur la microstructure (taille,

orientation et morphologie des grains; porosité; cohésion support-revêtement). De manière

générale, plus la vitesse de déposition augmente, plus la taille des grains diminue. Le

tableau qui suit indique l’influence qu’auront certains facteurs sur la microstructure du

revêtement.

Tableau 5 – Influence des conditions d’électrolyse sur la microstructure [29]

Conditions d’électrolyse Taille de grain

Fine Grossière

Accroissement de la densité de courant ←

Augmentation de la concentration →

Accroissement de l’agitation →

Élévation de la température →

Addition d’éléments étrangers ←

Les revêtements métalliques produits peuvent avoir plusieurs utilités, notamment la

protection contre la corrosion, la résistance à l’érosion et ils peuvent être utilisés tout

simplement pour des fins esthétiques. Ces revêtements peuvent aussi être utilisés pour

40

fournir une surface soudable ou conductrice sur des surfaces qui ne le seraient normalement

pas. Il est possible de faire des revêtements multiples, afin de bénéficier de plusieurs

avantages simultanément. Pour cette raison, cette technique trouve des applications dans

une multitude de domaines tels que la pétrochimie, les plastiques, l’optique, l’imprimerie,

l’extraction minière, l’aérospatial, le nucléaire, l’automobile, le traitement de la nourriture,

le textile, le papier, l’informatique et bien sûr l’électronique. Les dépôts électrolytiques

peuvent aussi être utilisés pour des fins d’extraction, de purification ou de recyclage de

métaux. Dans ce cas-ci on fera déposer les ions métalliques à extraire sur une tôle d’acier

inoxydable laminée et on retira le revêtement en question pour conserver le métal purifié.

Dans le cadre d’un tel procédé, on voudra minimiser la cohésion entre le substrat et le

revêtement pour qu’il soit plus facile de les séparer. La plupart des métaux peuvent être

appliqués par électrodéposition, toutefois certains métaux comme le zinc, le nickel, l’étain

et le cadmium sont les métaux les plus courants. Par ailleurs, le placage de l’or, de l’argent

et du platine sont relativement fréquents en orfèvrerie et en électronique.

2.4.4.2 – Déposition autocatalytique

La technique décrite à la section précédente peut être utilisée dans la plupart des

applications, toutefois une des limitations de cette technique est qu’elle nécessite

l’utilisation d’une anode et d’une cathode sur lesquelles on applique une différence de

potentiel. Par conséquent, avec certaines géométries particulières comme c’est le cas par

exemple avec des poudres, on doit recourir à une alternative de cette technique appelée la

déposition autocatalytique. Cette technique est en fait très similaire à la déposition

électrolytique traditionnelle à la différence que la force motrice derrière l’oxydo-réduction

provient d’un catalyseur plutôt que d’une source de tension, ce qui élimine le besoin de

recourir à une anode et une cathode.

Puisque la déposition autocatalytique s’apparente grandement à l’électrodéposition, les

mêmes règles s’appliquent à quelques différences près. La principale différence sera la

présence d’un agent réducteur au sein de l’électrolyte dont le rôle sera évidemment de

41

fournir les électrons nécessaires à la réduction du métal à déposer, électrons qui auraient

normalement été fournis par la source de tension. Mis à part cette différence, on peut

toujours ajuster les propriétés du revêtement en faisant varier la nature de l’électrolyte,

l’agitation, la nature du support (substrat), la température, la présence de constituants

étrangers dans l’électrolyte, etc.

Les applications visées par cette technique sont typiquement les mêmes que celles visées

par l’électrodéposition. On peut toutefois rajouter à cette liste le recouvrement de poudres.

Dans bien des cas, l’une ou l’autre des deux techniques présentées peut être utilisée,

cependant dans certains cas on préférera tout de même utiliser le placage autocatalytique

pour éviter d’avoir à recourir à l’utilisation d’une anode et d’une cathode.

2.4.4.3 – Principe du placage de la ferrite

Au début des années 1970, plusieurs travaux faits entre autres par M. Kiyama et Y.

Tamaura ont permis de trouver comment synthétiser de la ferrite en phase aqueuse. Ces

travaux ont révélé qu’il était possible de faire précipiter des particules de ferrite spinelle à

partir d’une solution de réaction contenant des ions Fe2+

et d’autres métaux bivalents

lorsque le pH de celle-ci se situait entre 6 et 11 et que la température se situait entre 40°C et

80°C. La taille des particules en question peut varier entre 0,05 µm et 1 µm. Plus tard, au

début des années 1980, M. Abe et Y. Tamaura ont poursuivit ces travaux afin d’arriver à ce

que la ferrite se forme sur un substrat plutôt que de précipiter au sein de la solution.

Le principe derrière la formation de la ferrite en phase aqueuse est illustré à la Figure 20 et

est séparé en quatre étapes. (1) Le substrat ayant des groupes OH- à sa surface est immergé

dans une solution de réaction contenant des ions Fe2+

et des ions d’autres métaux M2+

. Ces

ions sont adsorbés à la surface recouverte de groupes OH- libérant du même coup des ions

H+. (2) En ajoutant un agent oxydant tel que du NaNO2, de l’oxygène en solution ou encore

un courant anodique, quelques ions de Fe2+

sont oxydés en Fe3+

, ces derniers étant

essentiels à la formation de la ferrite. (3) Les ions Fe2+

, Fe3+

et M2+

permettent ensuite

42

l’adsorption d’autres groupes OH- (4) qui eux à leur tour permettront l’adsorption d’autres

ions métalliques moyennant la libération d’un ion H+. Au terme de ces quatre étapes, on se

retrouve avec une première couche du spinelle de ferrite. Les étapes 2 à 4 peuvent être

répétées autant de fois que nécessaire pour avoir un revêtement de ferrite spinelle aussi

épais que l’on veut. Cette description laisse sous-entendre que ces étapes se déroulent l’une

après l’autre de manière distincte alors que dans les faits elles peuvent toutes se dérouler de

manière conjointe. C’est-à-dire que dans le montage, on peut très bien rajouter tous les

éléments à la fois.

Figure 20 – Principe du placage de la ferrite [37]

La réaction chimique d’oxydo-réduction exacte décrivant cette réaction varie en fonction

du type d’agent oxydant et du type de ferrite recherchée. Par exemple, en utilisant du nitrite

de sodium, la demi-réaction de réduction serait la suivante :

Équation 13

Avec une ferrite NiZn ayant la stœchiométrie suivante (NiO)0,5(ZnO)0,5Fe2O3, on aurait la

demi-réaction d’oxydation qui suit :

Équation 14

43

En additionnant les deux demi-réactions des équations 13 et 14, on obtient alors la réaction

d’oxydo-réduction globale qui suit :

Équation 15

Cette réaction de libère des ions H+ qui deviendront des ions H3O

+, ce qui implique une

diminution du pH. Comme cette réaction nécessite aussi la présence de groupes

hydroxydes, afin que cette réaction se perpétue, le pH devra être augmenté pour garder la

concentration de OH- suffisamment élevée. Il est possible d’augmenter le pH en rajoutant

une base telle que le NaOH ou le KOH. Il est également possible de faire appel à une

solution tampon pour garder le pH de la solution constant. Un exemple de solution tampon

est le CH3COONH4. Comme mentionné précédemment, la formation du spinelle de la

ferrite est possible pour des pH allant de 6 à 11. Des travaux de Masanori Abe ont révélé

que le pH avait une forte incidence sur la microstructure finale du revêtement. En effet, il a

été démontré qu’un pH faible (près de 6) avait tendance à produire un revêtement

comportant de gros grains alors que pour un pH plus élevé on obtenait plutôt des grains

fins.

Comme pour l’électrodéposition et le placage autocatalytique, la durée du traitement, la

nature de l’électrolyte, l’agitation, la nature du support (substrat), la température et la

présence de constituants étrangers dans l’électrolyte sont tous des éléments pouvant avoir

une incidence sur les propriétés finales du revêtement. Cependant, cette technique implique

certaines particularités. En effet, pour que la ferrite aille se déposer à la surface du substrat,

on doit y retrouver des groupes OH-. Pour ce faire, il est nécessaire d’attaquer la surface du

substrat à l’aide d’une solution acide. Par ailleurs, si on ajoute tous les éléments nécessaires

à la réaction simultanément en concentration suffisante, il est possible que la ferrite

précipite au sein de la solution plutôt que de se déposer sur le substrat. La température aussi

est un des facteurs qui peut permettre la précipitation de la ferrite. Pour éviter un tel

phénomène, il est essentiel de bien contrôler la réaction en ajoutant tous les éléments requis

sauf un, et d’ajouter tranquillement ce dernier. En procédant de la sorte, on peut éviter la

précipitation de la ferrite. Par exemple, on pourrait retirer toute forme d’agent oxydant de la

44

solution de réaction, ajouter le substrat et les ions métalliques (et autres éléments tels que

les agents complexants, les inhibiteurs ou les accélérateurs si nécessaire) et finalement

ajouter l’agent oxydant de manière très limitée.

2.4.4.4 – Nouveaux développements

Depuis son invention au début des années 1980, cette technique a connu quelques

développements très intéressants. Par exemple, au départ on n’était capable de produire des

revêtements que sur des surfaces planes telles des plaques ou d’autres pièces relativement

massives. La raison étant que le dépôt de ferrite s’accompagne aussi de la précipitation de

fines poudres de ferrite au sein de la solution et que, lorsque l’on travaille avec des poudres,

la ferrite a tendance à précipiter dans la solution plutôt qu’à se former sur les poudres. De

surcroît, comme la vitesse de déposition augmente avec l’augmentation de l’énergie de

surface et que celle-ci augmente en diminuant la taille des poudres, il est particulièrement

difficile de faire un placage de ferrite sur des particules grossières. Néanmoins, vers la fin

des années 1980, une technique a été mise sur pied [40] pour y arriver. L’idée consiste

simplement à contrôler les paramètres de réaction de manière à prévenir la précipitation de

la ferrite au sein de la solution pour que la formation de cette dernière ait plutôt lieu à la

surface des poudres.

Une avancée notable a aussi été proposée vers la fin des années 1990. Dans un article parût

en 1997 [41], M. Abe et son équipe ont proposé l’utilisation d’ultrasons pour accélérer et

possiblement améliorer le processus de déposition de la ferrite. L’idée étant que les

ultrasons génèrent dans le liquide des « points chauds » localisés où on obtient des

températures et des pressions très élevées. Ces points localisés permettent de simuler une

température plus élevée et par le fait même d’augmenter la vitesse de déposition. Un autre

avantage notable des ultrasons est que dans certains cas ils permettent l’obtention d’un film

plus uniforme et de meilleure qualité.

45

2.4.4.5 – Applications

Depuis la découverte du placage de la ferrite en phase aqueuse, plusieurs applications

impliquant cette méthode furent développées. Les prochains paragraphes énumèrent

quelques unes de ces applications dans des domaines aussi variés que l’impression,

l’électronique ou encore la médecine.

Dans le domaine de l’impression d’abord, une nouvelle sorte de toner (encre en poudre) a

été développée par Nippon Paint Co. Ltd. en se basant sur la technique du placage de la

ferrite. Le principe est de recouvrir des microsphères de polyacrylate de 3 à 10 µm et de 50

à 100 µm de diamètre d’une couche de ferrite. Les microsphères du composite polymère-

ferrite ainsi obtenu sont beaucoup plus sphériques et ont pour avantage d’avoir une

distribution granulométrique beaucoup plus étroite que les toners traditionnels, ceux-ci

étant normalement obtenus à partir du broyage de particules de ferrites. Le résultat net est

que ces nouveaux toners permettent d’atteindre une meilleure résolution et une meilleure

qualité d’image lors de l’impression.

Dans le domaine de l’électronique, les revêtements de ferrites ont trouvé deux applications

remarquables. Premièrement, en utilisant la technique rotation-vaporisation (spin-spray) qui

consiste à placer un échantillon sur un disque en rotation et à l’arroser en alternance d’un

jet en aérosol de la solution de réaction contenant les ions métalliques et d’un autre jet en

aérosol de la solution oxydante (voir Figure 21), il est possible de créer des revêtements de

ferrite CoNi (CoxNiyFe1-x-yO4) ou encore de ferrite NiZn (NixZnyFe1-x-yO4) ayant des

propriétés très particulières permettant l’enregistrement magnétique perpendiculaire. Les

propriétés en question sont la forte anisotropie des revêtements et leur champ coercitif

perpendiculaire à la surface du substrat très élevé. Ces propriétés ont permis à la compagnie

Akita Research Institute of Advanced Technology de pair avec l’équipe de M. Abe de

développer une sous-couche de ferrite offrant de meilleures propriétés que l’alliage CoCr

normalement utilisé. De plus, la faible interaction magnétique entre les grains de ferrite du

revêtement a pour avantage de réduire le bruit de transition du matériau utilisé pour

l’enregistrement.

46

Figure 21 – Placage de ferrite à l’aide de la technique « Spin-Spray » [43]

Toujours dans le domaine de l’électronique, les revêtements de ferrites peuvent être utilisés

pour produire des motifs sans recourir à l’utilisation de masques. Pour y arriver, on utilise

un laser pour tracer le motif en question. L’idée derrière cette technique est la suivante. Le

dépôt de la ferrite étant activé thermiquement, en utilisant un laser en un point bien précis,

on peut accélérer la vitesse de déposition du revêtement d’un facteur environ 80 à cet

endroit. Donc en dirigeant un laser à certains endroits bien précis, on peut faire en sorte que

le revêtement soit considérablement plus épais à ces endroits qu’aux autres. La Figure 22a)

illustre schématiquement le montage requis pour procéder à cette technique. Juste à côté, la

Figure 22b) donne un exemple de motif tracé à l’aide d’un laser. En tirant profit du même

principe, on peut utiliser une lampe et la focaliser sur une surface sur laquelle on veut

déposer un revêtement de ferrite pour accélérer la vitesse de déposition localement sur une

plaque par exemple.

47

Figure 22 – Traçage de motifs de ferrite à l’aide de laser [43]

Maintenant dans le domaine biomédical, le placage de la ferrite a aussi trouvé des

applications. Toujours en collaboration avec Nippon Paint Co. Ltd., Masanori Abe et son

équipe ont recouvert de ferrite des microsphères de polyacrylate ayant un diamètre de 0,25

µm. Ces sphères sont maintenant utilisées par la compagnie Fuji Rebio Inc. dans les tests de

dosage immuno-enzymatiques pour la détection de cancer. Dans ces tests, la couche de

ferrite sert de points d’ancrage aux anticorps qui eux se lient aux antigènes liés aux

enzymes recherchées. En utilisant diverses techniques chimiques, on peut ensuite mesurer

la concentration d’enzymes présents dans la solution étudiée. Cette approche a pour

avantage d’accélérer et d’améliorer la sensibilité de ces tests.

Une autre application des revêtements de ferrite dans le domaine biomédical consiste à

utiliser un revêtement de ferrite à l’intérieur d’un vaisseau sanguin artificiel pour augmenter

ses propriétés anticoagulantes. En effet, en revêtant d’une couche de magnétite l’intérieur

de vaisseaux sanguins artificiels faits à partir de polyuréthanne segmenté, un matériau déjà

reconnu pour ses propriétés antithrombogènes, on parvient à augmenter encore davantage le

temps nécessaire à la coagulation du sang dans ce dernier.

Pour la dernière application, une fois de plus dans le domaine biomédical, les revêtements

de ferrites sont utilisés dans le procédé de fabrication d’un agent contrastant dans le

domaine de l’inspection par ultrasons du corps humain. L’agent en question est en fait

48

constitué de microsphères de silice poreuses ayant un diamètre moyen d’environ 2,2 µm

recouvertes d’une couche de magnétite. L’air contenu dans les pores de la silice a pour effet

de disperser les ultrasons de manière très efficace, ce qui permet d’améliorer le contraste du

milieu inspecté.

49

3 – Méthode expérimentale

Comme mentionné à l’introduction, la méthode expérimentale se présente en deux parties.

La première partie concerne les manipulations se rattachant à l’application d’un revêtement

par la technique du placage de la ferrite et la deuxième traite des manipulations reliées à

l’ajout de nanoparticules de ferrites. Les sections suivantes expliquent plus en détails la

démarche utilisée dans chacun de ces cas.

3.1 – Placage de ferrite

La première technique employée pour appliquer un revêtement de ferrite sur les particules

de fer correspond à la technique décrite à la section 2.4.4. Le plan d’expérience concernant

l’étude des revêtements de ferrite par placage se divise en trois grandes étapes. La première

étape consiste à choisir le montage à employer pour procéder à la déposition du revêtement,

la deuxième a pour but de déterminer le type de traitement de surface à utiliser avant la

déposition et la troisième étape a pour but d’améliorer le traitement thermique. En plus de

ces trois étapes principales, une quatrième se rajoute à celles-ci pour étudier deux

paramètres plus particuliers de la technique. Dans un cas on procède à un tamisage pour

retirer les particules fines et dans le second on compacte les poudres à tiède.

3.1.1 – Choix de la méthode de déposition

La première étape pour parvenir à recouvrir les particules de fer d’une couche de ferrite

consiste à déterminer la méthode à utiliser pour procéder à la déposition. C’est-à-dire que

depuis la découverte du principe derrière le placage de la ferrite dans les années 1980,

plusieurs méthodes ou montages ont été développés pour appliquer ce principe et il faut

faire un choix parmi ces méthodes en fonction du matériau que l’on utilise et du type de

revêtement que l’on recherche. Dans le cas présent, puisque l’on travaille avec des poudres

métalliques plutôt qu’avec des plaques ou d’autres pièces plus massives, les techniques

50

envisageables sont beaucoup plus limitées. Deux techniques ont été retenues et seront

étudiées pour voir laquelle des deux donnent les meilleurs résultats. Ces dernières ont été

choisies car elles permettaient d’étudier deux approches très différentes. La première

favorise une formation lente de la ferrite et est simple d’exécution. En revanche, la

deuxième technique favorise une formation rapide de la ferrite. De plus, la température plus

élevée, l’utilisation d’ultrasons et la plus longue durée du traitement sont tous des éléments

qui rendent cette méthode plus compliquée à utiliser. Les deux techniques sont décrites en

détails dans les deux prochaines sections.

Après avoir procédé à la déposition, les poudres obtenues sont observées au microscope

électronique à balayage pour voir d’abord s’il y a bel et bien eu formation d’un revêtement

de ferrite et également pour comparer les propriétés du revêtement. C’est-à-dire son

uniformité et son épaisseur. Les poudres ont aussi été analysées en diffraction des rayons X

afin de s’assurer de la présence de ferrite.

3.1.1.1 – Première technique

La première technique employée correspond à celle décrite dans l’article de la référence

[45]. Cette dernière a été choisie car elle présente deux avantages notables. D’abord, elle

est simple d’utilisation car elle ne nécessite pas d’ultrasons, d’atmosphère contrôlée, elle

peut être effectuée à température ambiante et la réaction ne dure qu’environ dix minutes.

Donc, si elle donne de bons résultats, les manipulations seront de beaucoup simplifiées. Un

autre avantage est qu’elle permet l’obtention d’un revêtement très mince et continue. Ce qui

est souhaitable pour la fabrication d’un composite magnétique doux à base de poudres

métalliques. Dans l’article d’où provient cette technique on parle d’un revêtement ayant

une épaisseur située entre 15 nm à 20 nm. On cherche toutefois à avoir un revêtement un

peu plus épais pour isoler les particules efficacement les unes des autres. Conséquemment,

des modifications furent apportées à la technique pour que la réaction dure plus longtemps.

51

Il n’est pas certain que cette méthode fonctionnera pour ce projet puisque l’ATOMET 580

diffère des particules de fer employées dans l’article selon plusieurs points. En effet, dans

l’article cité plus haut, les particules avaient un diamètre moyen de 2 µm, une distribution

granulométrique très étroite et une morphologie sphérique. À l’inverse, les particules

utilisées dans le cadre du présent projet ont un diamètre moyen beaucoup plus large

(environ 85 µm), une distribution granulométrique relativement étendue et une

morphologie irrégulière. Comme un faible diamètre aide à la formation d’un dépôt de

ferrite, il se peut que la technique ne fonctionne pas pour les poudres atomisées à l’eau. De

plus, la distribution granulométrique large et la morphologie irrégulière de ces poudres sont

deux facteurs qui nuisent à l’uniformité du revêtement. Donc, si cette technique permet

d’obtenir un revêtement il se peut qu’il ne soit pas aussi uniforme que celui obtenu par

l’équipe de M. Abe.

Par ailleurs, bien que l’article offre une bonne description de la procédure expérimentale,

certains paramètres ne sont pas mentionnés. Par exemple, les quantités de produits utilisés

(poudre de fer, eau) et surtout les concentrations de chlorures et de KOH ne sont pas

divulguées. Pour avoir une idée de l’ordre de grandeur de la concentration de chlorure à

utiliser, il a fallu se tourner vers un autre article. De tous les articles sur le placage de la

ferrite cités dans la bibliographie, un seul donne les concentrations employées [42]. Il ne

s’agit pas du tout du même montage, mais ces valeurs permettent d’avoir une idée de

l’ordre de grandeur des proportions à utiliser.

Le montage employé en se basant sur la technique mentionnée est le suivant. Les particules

de fer à recouvrir (10g) sont immergées dans 300 mL d’eau. La solution est agitée de

manière à conserver les poudres en suspension. On rajoute au mélange une solution

contenant les chlorures au rythme de 2,5 mL/min. Celle-ci est une solution aqueuse de 75

mL contenant 2 mol/L de chlorure ferreux tétrahydraté (FeCl2-4H2O), 0,5 mol/L de

chlorure de nickel hexahydraté (NiCl2-6H2O) et 0,5 mol/L de chlorure de zinc (ZnCl2). Les

différents chlorures ont été mis en solution dans ces proportions pour respecter la

stœchiométrie de la ferrite recherchée. Une fois tous les chlorures rajoutés à la solution

52

principale, celle-ci devrait contenir 0,4 mol/L de Fe2+

si on néglige le changement de

volume causé par l’ajout de la solution basique. Comme on souhaite garder un pH constant

et que l’ajout de chlorures a pour effet de faire diminuer le pH, on rajoute également au

besoin une solution basique à la solution principale de manière à maintenir un pH de 7.

Celle-ci consiste en une solution aqueuse de 200 mL contenant 4 mol/L de KOH.

Normalement, il ne devrait pas être nécessaire de l’utiliser au complet. En suivant cette

procédure, la réaction totale est supposée durer 30 minutes. Après avoir ajouté toute la

solution de réaction, les particules sont extraites de la solution à l’aide d’un aimant et

ensuite elles sont rincées à l’eau plusieurs fois et séchées dans l’air à 105°C pendant deux à

trois heures. La Figure 23 représente le montage utilisé pour faire la déposition selon cette

technique.

Figure 23 – Schéma du montage de la première technique

53

3.1.1.2 – Deuxième technique

La deuxième technique utilisée est très différente de la première. En effet, pour la première

méthode l’agent oxydant utilisé, l’air, est déjà présent dans la solution principale et on

rajoute graduellement les chlorures. De plus, le dépôt se fait à la température ambiante et

on ne fait pas appel à des ultrasons. Tous ces éléments favorisent une formation lente de la

ferrite. Toutefois, comme les particules utilisées sont relativement grossières (diamètre

moyen de 85 µm), il est possible que la vitesse de déposition soit trop lente. Pour cette

raison, la deuxième technique va plutôt favoriser une formation rapide de la ferrite. Basée

sur des méthodes présentées dans les références [38], [39] et [41], plusieurs modifications

auront été apportées pour accélérer la formation de la ferrite.

Le montage de la deuxième technique est illustré à la Figure 24. La solution de réaction est

une solution aqueuse de 500 mL qui comprend dès le départ les agents oxydants, les

chlorures et la poudre de fer (10g). Les agents oxydants utilisés sont l’air, que l’on fait

barboter tout le long de l’expérience, et le nitrite de sodium (NaNO2) qui se trouve dans la

solution de réaction dans une concentration de 0,05 mol/L. Cette dernière contient

également 1 mol/L de chlorure ferreux tétrahydraté (FeCl2-4H2O), 0,25 mol/L de chlorure

de nickel hexahydraté (NiCl2-6H2O) et 0,25 mol/L de chlorure de zinc (ZnCl2). Au cours de

la réaction, on ajoute au besoin une solution basique à la solution de réaction pour garder le

pH à 7. La solution basique est une solution aqueuse de 400 mL de KOH à 8 mol/L. Des

ultrasons sont appliqués au montage à l’aide d’un bain à ultrasons et la température est

maintenue à 50°C. La solution de réaction est agitée pour garder les particules de fer en

suspension et est laissée ainsi pendant 45 min. Après ce temps, la poudre de fer est extraite

de la solution à l’aide d’un aimant, elle est rincée à l’eau plusieurs fois et séchée dans l’air à

105°C pendant 2 à 3 heures.

54

Figure 24 – Schéma du montage de la deuxième technique

3.1.1.3 – Modification de la deuxième technique

Les résultats obtenus au terme des manipulations précédentes ont mené au choix de la

deuxième technique décrite, mais avec des changements importants. De manière générale,

les changements apportés avaient pour but de limiter la formation de la ferrite en contrôlant

l’oxydation des ions Fe2+

.

La première étape consiste à attaquer la surface des poudres avec une solution d’acide

chlorhydrique (HCl) à 10%-vol diluée dans l’eau. Comme expliqué à la section 5.1.1.1, ce

traitement a pour but de favoriser la formation de la ferrite à la surface des particules plutôt

que de précipiter au sein de la solution. D’abord, 100 mL d’une solution d’HCl à 10%-vol

diluée dans l’eau est préparée pour attaquer 100g de particules de fer. La poudre est placée

dans un entonnoir Büchner sous une hotte et on s’assure d’avoir versé une certaine quantité

55

d’eau, par exemple 200 mL, dans la fiole de filtration. Ainsi, lorsque la poudre sera rincée,

on ne déversera pas l’eau dans l’acide 10%-vol, mais plutôt dans un acide dilué. On verse

les 100 mL d’acide chlorhydrique 10%-vol dans l’entonnoir Büchner contenant les

particules et on attend 30 secondes, après quoi on démarre le système de filtration sous vide

pour retirer l’acide. On peut ensuite rincer la poudre avec 200 mL d’eau et la sécher dans

l’air à 105°C pendant 2 à 3 heures. Advenant le cas où une quantité plus importante de

poudre est utilisée, il est possible qu’il soit nécessaire d’utiliser une plus grande quantité

d’acide chlorhydrique et d’eau.

Une fois que les particules ont subi le traitement de surface à l’acide, on peut procéder à la

déposition du revêtement de ferrite. Un schéma du montage requis est illustré à la Figure

25. Dans le but de limiter l’oxydation, la réaction se déroule à température ambiante plutôt

qu’à 50°C et on n’utilise pas d’ultrasons. On doit d’abord désoxygéner l’eau en y faisant

barboter de l’azote pendant 30 minutes. Après cette étape, l’eau désoxygénée est utilisée

pour préparer la solution de réaction. Celle-ci se compose de 500 mL d’eau à laquelle on

rajoute 0,05 mol/L de chlorure ferreux tétrahydraté, 0,0125 mol/L de chlorure de nickel

hexahydraté, 0,005 mol/L de chlorure de zinc et 75g de poudre de fer attaquée à l’acide.

Ces concentrations en chlorures plus faibles ont été tirées de la littérature [42] et devraient

normalement limiter la précipitation de la ferrite. Ici, une plus grande quantité de poudre de

fer a été utilisé dans le but de compacter des échantillons pour la mesure de la résistivité.

On fera barboter de l’azote tout au long de l’expérience pour contrôler la réaction

d’oxydation des ions de fer II. La solution oxydante est une solution aqueuse contenant 0,3

mol/L de NaNO2 que l’on rajoute au rythme de 1 mL/min pendant 60 minutes. Comme

pour les essais précédents, on ajoute une solution basique au besoin pour garder le pH à 7 et

on agite la solution de réaction pour garder les particules de fer en suspension. La solution

basique est toujours du KOH à 8 mol/L. En suivant cette procédure la réaction devrait durer

1 heure, après quoi la poudre est extraite de la solution par décantation et est rincée à

l’éthanol pour prévenir la formation de rouille pendant le séchage. Finalement celle-ci est

séchée dans l’air à 85°C. L’opération d’extraction des poudres de la solution entraîne très

peu de pertes, soit moins de 5%-m. Les particules ne sont pas simplement filtrées parce

56

que, tel que mentionné à la section 5.1.1.1, pendant la réaction il y a pratiquement toujours

précipitation de fines particules de ferrites et celles-ci seraient aussi récupérées lors de la

filtration.

Figure 25 – Schéma du montage de la technique retenue

Une fraction des particules recueillies après ce traitement est utilisée pour l’analyse au

microscope électronique à balayage. Des particules sont aussi observées en coupe

transversale pour étudier l’uniformité et l’épaisseur du revêtement. Une autre fraction de la

poudre recueillie est compactée à 620 MPa (45 TSI) pour faire une barre TRS. Une barre

TRS est un échantillon rectangulaire de 3,175cm x 0,635cm x 1,27 cm (1,25po x 0,25 po x

0,5 po) normalement utilisé pour faire des essais de flexion trois points [47] (en anglais :

transverse rupture strength, TRS). Lors de la compaction aucun lubrifiant n’a été mélangé à

la poudre. Du stéarate de zinc a cependant été déposé sur les parois intérieures de la

matrice. La barre TRS obtenue a été utilisée ensuite pour mesurer la résistivité du matériau

à l’aide d’une électrode à quatre pointes. Finalement, la poudre a aussi été analysée en

spectroscopie par absorption atomique pour connaître sa concentration en zinc et en nickel

et elle a également été analysée pour connaître sa concentration en oxygène. Ces trois

57

concentrations et une étude au BET pour connaître la surface spécifique de l’ATOMET 580

permettront de connaître l’épaisseur théorique du revêtement de ferrite de même que sa

concentration en ferrite nickel et en ferrite zinc. Les calculs requis pour relier ces quatre

données à l’épaisseur moyenne du revêtement et à sa composition sont faits à l’annexe A.

3.1.2 – Choix du traitement de surface

La seconde étape de la méthode expérimentale avait pour but de déterminer le type de

traitement de surface à effectuer sur les particules de fer avant la déposition. En effet, une

des conditions pour qu’il y ait déposition de la ferrite sur un substrat est qu’il doit y avoir

des groupes hydroxydes présents à sa surface. En ce sens, il est mentionné dans la

littérature qu’un traitement de surface doit être fait sur les particules de fer à l’aide d’une

solution acide. Cependant, aucun détail n’est donné sur la nature de la solution acide à

utiliser et sur les manipulations à effectuer pour y arriver. Pour cette raison, différents

traitements de surfaces ont été étudiés afin de voir lequel permettait de produire le matériau

le plus résistif.

3.1.2.1 – Conditions expérimentales

Six différents types de traitements de surface ont été étudiés. Le procédé décrit à la section

précédente a été appliqué sur des particules n’ayant pas subi de traitement de surface (1),

sur des particules ayant été attaquées à l’acide chlorhydrique 10%-vol dilué dans l’éthanol

(2) et sur des particules ayant été attaquées à l’acide nitrique 2%-vol dilué dans l’éthanol

(3). Finalement, les mêmes traitements de surface ont été refaits mais en laissant ensuite les

particules dans l’eau bouillante pendant une heure afin de voir si une couche d’oxyde à la

surface pouvait améliorer le procédé. Ainsi, un échantillon n’a pas du tout été attaqué, mais

a été laissé une heure dans l’eau bouillante (4). Un autre a été attaqué à l’acide

chlorhydrique 10%-vol dilué dans l’éthanol et a été laissé une heure dans l’eau bouillante

(5). Finalement un autre a été attaqué à l’acide chlorhydrique 2%-vol dilué dans l’éthanol et

58

laissé dans l’eau bouillante pendant une heure (6). Le Tableau 6 résume les différences

entre chacun de ces tests.

Tableau 6 – Conditions expérimentales pour l’étude du traitement de surface

Test Attaque Eau bouillante

1 Aucune Non

2 HCl 10-%vol Non

3 HNO3 2%-vol Non

4 Aucune Oui

5 HCl 10%-vol Oui

6 HNO3 2%-vol Oui

Pour chacun des tests énumérés au Tableau 6, un échantillon de poudre a été analysé en

spectrométrie d’absorption atomique pour connaître sa composition en nickel et en zinc. Un

autre échantillon de poudre a été analysé pour connaître sa concentration en oxygène.

Comme à la section précédente, les données recueillies ont permis de calculer la

composition chimique et l’épaisseur théorique moyenne du revêtement produit (annexe A).

De plus, pour chaque test, la poudre a aussi été compactée sous forme de barre TRS à 620

MPa en utilisant du lubrifiant seulement sur les parois de la matrice. Les barres TRS ont

ensuite été utilisées pour mesurer la densité des échantillons et leur résistivité. Les poudres

ont aussi été analysées en spectrométrie photoélectronique X (en anglais : X-ray

photoemission spectroscopy, XPS) entre l’attaque et la déposition. Le but de cette analyse

était de mieux comprendre l’impact du traitement de surface sur la chimie de surface des

poudres.

3.1.2.2 – Vérification du traitement de surface

Les résultats obtenus suite aux tests de la section précédente ont révélé que le choix du

traitement de surface à utiliser était un élément clé pour qu’il y ait déposition de la ferrite.

Cependant, dans la revue de littérature, il n’y avait aucune description détaillée de la

59

technique à utiliser. Une communication personnelle avec M. Masanori Abe2 a permis de

savoir que pour rendre l’attaque plus efficace et ultimement améliorer la résistivité du

matériau, il était préférable de faire l’attaque dans une solution désoxygénée et à une

température supérieure à la température ambiante. Pour vérifier l’efficacité de cette

technique, on l’a comparée à celle qui a donné les meilleurs résultats dans la section

précédente.

Dans le premier cas, l’attaque consistait à faire la même chose que le test de la section

3.1.2.1 ayant permis d’obtenir le matériau le plus résistif. Soit une attaque à l’acide

chlorhydrique 10%-vol dilué dans l’éthanol. Dans le deuxième cas, la solution utilisée pour

l’attaque était de l’acide chlorhydrique dilué dans l’eau à une concentration de 1 mol/L, soit

approximativement 3%-vol. Avant de procéder à l’attaque, on a fait barboter de l’azote

pendant au moins 30 minutes dans l’eau qui sera utilisée pour rincer les particules après

l’attaque et également dans la solution de HCl. Pendant ce temps, on en profite pour

chauffer la solution acide à 60°C. Pour attaquer la poudre, on procède de la même façon

que précédemment. C’est-à-dire que l’on dépose la poudre dans un entonnoir Büchner, on

verse la solution acide, on attend 30 secondes et on démarre le système sous vide. On rince

ensuite la poudre avec l’eau désoxygénée et on la laisse sécher dans l’air à 105°C pendant 2

à 3 heures.

Outre les différents traitements de surface, toutes les autres conditions expérimentales ont

été les mêmes pour les deux dépositions. Dans ce cas-ci, 300g de poudre ont été traitées

pour permettre de caractériser plus en détails les matériaux obtenus. Les concentrations en

ions de fer, de nickel et de zinc étaient respectivement de 0,05 mol/L, 0,0125 mol/L et

0,005 mol/L. On a maintenu le pH à 7 et, comme les autres fois, on a ajouté 1 mL/min

d’une solution de NaNO2 à 0,3 mol/L pendant tout le long de la réaction qui a duré 60

minutes.

2 amasanor@pe.titech.ac.jp

60

Après la réaction, 0,5%-m de Kenolube, un lubrifiant développé par Höganäs AB, a été

mélangé à la poudre recueillie et celle-ci a ensuite été compactée sous forme de barres TRS

et d’anneaux toroïdaux. Trois barres TRS ont été compactées à 620 MPa (45 TSI) et trois

autres à 825 MPa (60 TSI) pour chacun des deux mélanges. À titre comparatif, de

l’ATOMET 580 n’ayant subi aucun traitement a aussi été mélangée à 0,5%-m de Kenolube

et compactée sous forme de barre TRS à 620 MPa et 825 MPa. Toujours pour des fins de

comparaisons, pour chaque mélange, une barre TRS de particules revêtues de ferrite ne

contenant pas de lubrifiant a été compactée à 620 MPa et une autre barre TRS a été

compactée dans les mêmes conditions à partir de particules ayant seulement été attaquées à

l’acide chlorhydrique, mais sans avoir été revêtues d’une couche de ferrite. Un anneau a été

compacté à 620 MPa et à 825 MPa avec la poudre du premier mélange, c’est-à-dire celui

ayant subi le traitement de surface à l’acide chlorhydrique 10%-vol. Pour le deuxième

mélange, un anneau a été compacté à 620 MPa, mais il n’a pas été possible d’en compacter

un deuxième à 825 MPa parce que l’anneau se brisait lors de l’éjection.

Les contraintes résiduelles créées lors de la compaction ont pour effet d’augmenter les

pertes magnétiques. Un traitement thermique a donc été effectué sur les échantillons afin de

limiter ces dernières. Cette opération permet également d’augmenter la résistance

mécanique des pièces produites, car elle permet une légère diffusion au sein de celles-ci et

entraîne la création de faibles liens entre les particules. Les conditions expérimentales

utilisées pour faire ce traitement correspondent à celles fréquemment décrites dans la

littérature pour traiter thermiquement les composites magnétiques doux à base de poudres

métalliques revêtues d’un matériau céramique. Pour procéder au traitement thermique en

question, un four tubulaire a d’abord été préchauffé à 500°C et ensuite les pièces y ont été

introduites. Un thermocouple placé à l’intérieur d’une barre TRS a permis de mesurer le

profil thermique du traitement. La Figure 26 illustre le profil en question. Comme on peut

voir sur le graphique, la température a été maintenue à 500°C pendant 30 minutes. Une fois

ce temps écoulé, le tube contenant les échantillons a été retiré du four tubulaire et refroidit à

l’aide d’un ventilateur. Ainsi, le taux de refroidissement a été relativement rapide. En

61

considérant le temps requis pour atteindre 500°C et le temps nécessaire pour le

refroidissement, le traitement thermique en soi a duré au total un peu plus de 60 minutes.

Figure 26 – Profil thermique de l’essai vérifiant le traitement de surface

Les barres TRS ont été utilisées pour mesurer la résistivité, la densité et la résistance en

flexion trois points des matériaux. Les anneaux ont servis à mesurer les propriétés

magnétiques. Le test consiste à bobiner un circuit primaire et un circuit secondaire autour

de l’anneau et à faire circuler un courant électrique dans le circuit primaire. Le courant

électrique fait en sorte que le bobinage du circuit primaire induit un champ magnétique

dans l’anneau. Le champ magnétique produit induit à son tour un courant électrique dans le

bobinage du circuit secondaire. En connaissant l’intensité du courant circulant dans les

deux circuits, on peut tracer la courbe reliant l’induction au champ magnétique appliqué,

soit la boucle d’hystérésis. Celle-ci a été utilisée pour mesurer l’induction maximale pour

un champ magnétique donné, la perméabilité maximale, le champ coercitif, l’induction

rémanente et les pertes à 60 Hz et 400 Hz. Plus spécifiquement, l’induction a été mesurée

avec un champ magnétique appliqué de 12000 A/m (150 Oe)3 et les pertes ont été mesurées

3 L’œrsted, Oe, correspond à l’unité CGS d’intensité de champ magnétique. 1 Oe = 1000/(4π) A/m.

62

pour une induction de 1T (10000 G)4. Les barres TRS ont aussi été observées en

métallographie et au microscope électronique à balayage.

3.1.3 – Amélioration du traitement thermique

Les étapes précédentes ont permis de mettre sur pied une méthode pour produire un

revêtement de ferrite NiZn ayant une bonne résistivité. Pour améliorer davantage les

propriétés finales des échantillons, une autre étape du procédé doit être étudiée. Il s’agit du

traitement thermique. En effet, jusqu’à maintenant les conditions utilisées pour cette étape

étaient inspirées de celles retrouvées dans la littérature. Toutefois, il importe de les adapter

au type de revêtement utilisé pour ce projet. Pour ce faire, l’atmosphère et la température à

utiliser ont été étudiées. L’idée ici n’était pas d’optimiser le traitement thermique, mais

simplement d’améliorer celui-ci car cette démarche dépasserait les objectifs du projet Les

prochaines sections décriront dans le détail les manipulations expérimentales employées

pour y parvenir.

3.1.3.1 – Atmosphère

L’atmosphère utilisée lors du traitement thermique peut avoir un impact capital sur les

propriétés du revêtement puisqu’il peut entraîner l’interaction, souhaitable ou non, du

matériau avec les gaz présents. Le gaz le plus susceptible d’avoir un impact sur le

revêtement est l’oxygène puisqu’il peut possiblement interagir avec ce dernier pour

modifier sa composition et sa structure chimique à haute température. Deux atmosphères

différentes ont été étudiées : l’air et l’argon. Le but de cette étude est de voir si le fait de

faire un traitement thermique dans l’air ou dans un gaz inerte a un impact sur la résistivité

des échantillons compactés. Une autre atmosphère aurait pu être envisagée, soit une

atmosphère composée entièrement d’oxygène. La raison étant qu’il peut permettre dans

certains cas d’augmenter la stabilité de certains oxydes et de limiter les pertes en zinc à

4 Le Gauss, G, correspond à l’unité CGS d’induction magnétique. 1 G = 0,0001 T.

63

haute température. Toutefois, selon la littérature, ce phénomène ne se produit qu’à des

températures de beaucoup supérieures à celles utilisées dans le cadre de ce projet.

Conséquemment, ces tests ont été limités à la comparaison de l’air et l’argon.

Le revêtement a été appliqué sur les poudres de la même façon que la deuxième technique

décrite à la section 3.1.2.2. En guise de rappel, 350g d’ATOMET 580 ont d’abord été

attaquées en utilisant la méthode prescrite par M. Abe. Comme la dernière fois, la

déposition a été effectuée dans une atmosphère exempte d’oxygène sur 300g de poudre. Les

ions de Fe2+

, de Ni2+

et de Zn2+

ont été ajoutés à la solution de réaction dans des

concentrations de 0,05 mol/L, de 0,0125 mol/L et de 0,005 mol/L respectivement.

Finalement, le pH a été maintenu à 7 et une solution oxydante contenant 0,3 mol/L de

NaNO2 a été ajoutée à la solution de réaction au rythme de 1 mL/min pendant 60 minutes.

Comme mentionné plus haut, les premiers échantillons ont subi un traitement thermique

dans l’air. Le profil thermique du traitement est illustré à la Figure 26. Dans le deuxième

cas, le traitement a été effectué sous argon et son profil thermique était pratiquement le

même que celui de la Figure 26.

Les poudres produites au terme de ces manipulations ont été mélangées à 0,5%-m de

Kenolube et ont été compactées sous forme de barres TRS et d’anneaux toroïdaux. Ceux-ci

ont été compactés à 620 MPa et 825 MPa. Comme pour le dernier test portant sur l’étude

du traitement de surface, les échantillons produits ont été utilisés pour mesurer la résistivité,

la résistance en flexion trois points, la densité et les propriétés magnétiques de ces

matériaux. De plus, les poudres ont été observées en métallographie et au microscope

électronique à balayage.

3.1.3.2 – Température

Une autre variable qui a une très grande importance sur un traitement thermique est

évidemment la température à laquelle celui-ci est effectué. Afin de faciliter l’étude et

possiblement de limiter le nombre de températures à étudier, un test de calorimétrie

64

différentielle à balayage (en anglais, differential scanning calorimetry, DSC) a été fait pour

comparer les poudres de fer sans traitement à celles recouvertes de ferrite. Suite aux

résultats donnés par ce test, trois températures différentes ont été utilisées pour les

traitements thermiques, soit 200°C, 250°C et 500°C. Comme discuté à la section 4.1.3, les

résultats précédents ont montré que l’exposition des échantillons à des températures élevées

a pour effet de réduire considérablement la résistivité des échantillons. On sait que

l’importance des pertes magnétiques dépend à la fois de la résistivité et de propriétés

magnétiques telles que la perméabilité, l’induction et le champ coercitif. À cet égard, il est

possible que la résistivité élevée des pièces non traitées thermiquement compense pour

leurs propriétés magnétiques moins intéressantes et qu’il en résulte des pertes magnétiques

moindres. Pour vérifier cette possibilité, les propriétés magnétiques de pièces n’ayant pas

subi de traitement thermique ont été évaluées.

Cette fois encore, les techniques employées pour procéder au traitement de surface et à la

déposition du revêtement de ferrite ont été exactement les mêmes que celles décrites à la

section précédente. Les traitements thermiques quant à eux ont tous été effectués sous

atmosphère inerte, soit une atmosphère composée entièrement d’argon. Comme pour les

autres traitements thermiques, dans chaque cas, le four a d’abord été préchauffé à la

température visée. Ensuite, les pièces y ont été introduites et maintenues à la température

désirée pendant 30 minutes avant d’être refroidies.

Les poudres produites ont été compactées sous forme de barres TRS et d’anneaux toroïdaux

à une pression de 620 MPa. Comme discuté à la section 5.1.2.2, cette fois il a été décidé de

ne pas compacter de pièces à 825 MPa. Par ailleurs, lors de ce test, l’impact qu’a

l’utilisation d’un lubrifiant sur les propriétés magnétiques a aussi été étudié. En ce sens, une

moitié des pièces a été compactée en utilisant des poudres contenant 0,5%-m de Kenolube

alors que l’autre moitié a été compactée en utilisant du lubrifiant (stéarate de zinc)

uniquement sur les parois de la matrice. Comme d’habitude, les pièces produites ont été

utilisées pour mesurer la résistivité, la densité, la résistance en flexion trois points et les

propriétés magnétiques du matériau. Les échantillons ont également été analysés en

65

diffraction des rayons X et ils ont aussi été observés au microscope électronique à balayage.

De plus, les poudres ont été observées et caractérisées au microscope électronique en

transmission. Cette technique de caractérisation permettra d’en savoir plus sur la structure

du revêtement.

3.1.4 – Autres paramètres

Les expériences décrites précédemment ont étudié plusieurs aspects d’une manière très

systématique. Au cours de ces manipulations, il a été noté que quelques modifications à la

démarche décrite plus haut pourraient possiblement améliorer davantage les propriétés du

matériau développé. Ces variantes à la technique utilisée ont été investiguées en suivant les

étapes décrites dans les prochains paragraphes. Deux possibilités ont été étudiées afin

d’améliorer les propriétés du matériau. Dans un cas on a effectué un tamisage pour retirer

les particules ayant un diamètre inférieur à 63 μm afin de voir si ce traitement permettait

d’améliorer les propriétés magnétiques des pièces. Dans l’autre cas, on a étudié l’effet de la

compaction à tiède (125°C) des poudres sur la densité des échantillons, le but étant toujours

de limiter les pertes magnétiques.

3.1.4.1 – Tamisage

L’observation au microscope électronique à balayage de résidus prélevés au sein de la

solution de réaction servant à déposer un film de ferrite sur les premiers échantillons a

révélé une présence importante de fines particules de ferrite (>10 μm), voire ultrafines (> 1

μm). Celles-ci proviennent de la précipitation de la ferrite au sein de la solution. Bien que

l’on essai toujours de minimiser ce phénomène en contrôlant l’oxydation des ions Fe2+

, il

est cependant pratiquement inévitable et on retrouve également ces produits secondaires de

réaction à travers le poudre de fer après la déposition. Ces particules étant relativement

dures, il est possible qu’elles nuisent à la compaction et diminuent la densité des

échantillons compactés. De plus, l’observation au MEB a aussi montré que, comme

mentionné dans la littérature, le revêtement de ferrite était généralement plus épais sur les

66

particules de petite taille que sur les particules de grande taille. Ce phénomène fait en sorte

que les particules de fer de très petite taille, par exemple celles de moins de 60 μm, sont

recouvertes d’une épaisse couche de ferrite et lors de la compaction celle-ci entraîne la

formation de zones ayant une grande concentration en ferrite. La Figure 27 a été prise au

microscope électronique à balayage en mode électrons rétrodiffusés et montre de telles

zones. Celles-ci ne permettent pas de limiter de manière efficace les contacts directs entre

les particules et ont pour désavantage de nuire à la compressibilité du composite. Les deux

phénomènes décrits dans ce paragraphe indiquent que le tamisage de particules de petite

taille pourrait permettre d’augmenter la densité des échantillons et du même coup améliorer

leurs propriétés magnétiques.

Figure 27 – Zones riches en ferrite observées au MEB en mode ERD

Pour vérifier cette possibilité, deux échantillons ont été préparés. Dans les deux cas, les

deux échantillons ont subi le même traitement de surface, la même technique de déposition

et le même traitement thermique. Les conditions expérimentales sont les mêmes que celles

décrites à la section 3.1.3.1 et le traitement thermique a été fait avec une atmosphère

d’argon. La seule différence entre les deux lots est que pour le second, un tamisage visant à

conserver seulement les particules ayant diamètre supérieur à 63 μm a été fait avant et après

67

la déposition du recouvrement de ferrite. Le premier tamisage a servi à retirer les particules

de fer de petite taille pour limiter la formation de zones riches en ferrite et le deuxième a

servi à enlever les fines particules de ferrite. Il a été choisi de retirer les particules ayant un

diamètre inférieur à 63 μm plutôt que toutes autres tailles parce que celles-ci ne

représentent qu’environ 5% de la masse totale de l’ATOMET 580. Ainsi, on peut donc

enlever un nombre important de particules de fer de petite taille sans pour autant entraîner

des pertes majeures.

La caractérisation des échantillons a aussi été faite de la même façon qu’à la section

3.1.3.1. Soit le pressage de barres TRS et d’anneaux à 620 MPa et 825 MPa pour

caractériser la résistivité, la densité, la résistance en flexion trois points et les propriétés

magnétiques du matériau. Le tout suivit d’une observation en métallographie et au

microscope électronique à balayage.

3.1.4.2 – Compaction à tiède

La compaction à tiède a été envisagée pour améliorer les propriétés des composites

magnétiques doux puisque cette technique permet généralement d’atteindre des densités

supérieures à celles normalement atteintes par la compaction standard.

Encore une fois, la poudre a été préparée de la même façon qu’à la section 3.1.3.1 à la

différence qu’après la déposition un autre type de lubrifiant a été utilisé. Effectivement,

puisque la compaction a lieu à une température plus élevée que celle de la pièce, soit

125°C, le Kenolube n’aurait pas été approprié puisqu’il aurait été trop visqueux et n’aurait

pas permis une lubrification efficace. Le lubrifiant employé pour cette expérience a donc

été un polyéthylène A12. Celui-ci est particulièrement efficace à des températures situées

entre 120°C et 130°C. Pour s’assurer que la poudre soit à la température souhaitée lors de la

compaction, celle-ci a été versée dans la cavité de la matrice et y est demeurée environ 5

minutes avant la compaction. Un thermocouple a été utilisé pour mesurer la température de

la poudre juste avant de compacter les échantillons et dans tous les cas, ils ont été

68

compactés à une température de 125 ± 2 °C. Des barres TRS et des anneaux toroïdaux ont

été compactés à une pression de 825 MPa.

Comme pour le dernier essai, les échantillons produits ont été utilisés pour caractériser leur

résistivité, leur densité, leur résistance en flexion trois points et leurs propriétés

magnétiques. Encore une fois, une observation en métallographie et au MEB s’en est

suivie.

3.2 – Ajout de nanoparticules

La deuxième technique envisagée pour isoler les particules de fer les unes des autres est

l’ajout de nanoparticules de ferrite NiZn. L’idée derrière cette technique est la suivante. Les

forces de van der Waals qui deviennent très importantes pour des particules de moins de 10

μm serviront à faire coller les nanoparticules de ferrite à la surface des particules de fer.

Idéalement, au terme du mélange de ces deux types de particules, on devrait retrouver une

couche de nanoparticules de ferrite plus ou moins épaisse à la surface des particules de fer.

Le problème avec la plupart des revêtements céramiques dans les CMD à base de poudres

métalliques est que, étant donnée leur fragilité, ceux-ci se brisent lors de la compaction et

entraînent presque toujours des contacts directs entre les poudres métalliques. En utilisant

un revêtement à base de nanoparticules de céramique à la place d’une couche continue de

ce même matériau, le revêtement ne pourra se briser. On aura plutôt une réorganisation des

nanoparticules dans la couche isolante. Si elle est suffisamment épaisse, il est possible que

celle-ci prévienne la formation de contacts directs entre les particules de fer pendant la

compaction. De plus, puisque les ferrites sont des matériaux ferrimagnétiques avec une

perméabilité relativement élevée, l’ajout d’une grande proportion de ferrite n’entraînera pas

nécessairement une chute drastique de la perméabilité du composite produit. Ainsi, on peut

envisager produire une couche isolante relativement épaisse sans pour autant détériorer

considérablement les propriétés magnétiques des pièces finales.

69

Un problème qui risque de survenir et qu’il faudra probablement résoudre est la formation

d’agglomérats de nanoparticules. En effet, les forces de van der Waals aident à lier les

nanoparticules de ferrite aux particules de fer, mais elles aident aussi à lier les

nanoparticules entre elles. Pour cette raison, deux techniques de mélange ont été

étudiées : le mélange à sec des deux types de poudre et le mélange avec une phase liquide.

Finalement, un autre test a été fait pour voir l’impact qu’avait l’ajout d’une très grande

quantité de nanoparticules aux poudres de fer.

3.2.1 – Ajout de nanoparticules à sec

La première option envisagée est la plus simple de toutes et consiste à mélanger les

nanoparticules de ferrite aux poudres de fer de la même façon que la plupart des éléments

d’alliage sont ajoutés en métallurgie des poudre, c’est-à-dire, sans utiliser une phase

liquide. Si cette technique n’entraîne pas de problèmes tels que la formation d’agglomérats

et qu’elle donne de bons résultats, elle pourrait s’avérer très intéressante.

Les nanoparticules employées étaient des particules de ferrite NiZn ayant un diamètre

compris entre 10 nm et 30 nm fournies par la compagnie Nanostuctured & Amorphous

Materials Inc. Il est très important de noter que toute particule ayant une taille inférieure à 1

μm est considérée comme toxique. À cet égard, toutes les manipulations ont été faites de

manière à éviter un contact direct avec les nanoparticules. La plupart des manipulations qui

suivent ont donc soit été effectuées dans une boîte à gants, dans un sac à gants ou encore

dans certains cas sous la hotte. Toutes les manipulations impliquant des nanoparticules ont

été effectuées à l’Institut des matériaux industriels à Boucherville. Deux protocoles dictant

les procédures à suivre pour procéder à la manipulation et à la compaction de

nanoparticules ou de produits contenant des nanoparticules ont été rédigés et sont présentés

aux annexes B et C de ce mémoire.

Dans cette série d’expériences, un total de huit mélanges de 200g chacun ont été préparés.

Deux concentrations différentes de nanoparticules ont d’abord été ajoutées aux poudres de

70

fer dans des proportions de 0,6%-m et de 2%-m. Le tout a été mélangé pendant deux temps

différents, soit 5 minutes et 10 minutes. Finalement, 0,5%-m de Kenolube a été ajouté et

mélangé pour une durée de 5 minutes ou de 20 minutes. Le Tableau 7 indique la

concentration en ferrite ainsi que les temps de mélange pour chacune des mélanges étudiés.

Les nanoparticules ont d’abord été ajoutées aux poudres de fer (étape 1) puis le lubrifiant

ensuite (étape 2) afin de favoriser la formation d’une couche de nanoparticules directement

sur la surface des particules.

Tableau 7 – Concentrations et temps de mélange pour l’ajout de nanoparticules à sec

Test Concentration

(%-m)

Temps de mélange (min)

Étape 1 Étape 2

1 0,6 5 5

2 0,6 5 20

3 0,6 10 5

4 0,6 10 20

5 2 5 5

6 2 5 20

7 2 10 5

8 2 10 20

Une fois les mélanges préparés, des barres TRS ont été compactées à 620 MPa en utilisant

un sac à gants afin de prévenir toute exposition directe aux nanoparticules. Les échantillons

ont ensuite subi un traitement thermique à 500°C pendant 30 minutes dans l’argon en

suivant la même procédure que celle décrite dans la section 3.1.3.1. Les mélanges produits

ont été observés en métallographie et au MEB. Les échantillons compactés ont été utilisés

pour caractériser leur résistivité, leur densité et leur résistance à cru. Les propriétés

magnétiques n’ont pas été mesurées à ce stade-ci en raison des complications apportées par

l’utilisation d’un sac à gant lors de la compaction. Pour commencer, seule la résistivité sera

utilisée pour déduire l’efficacité des matériaux à limiter les pertes magnétiques. Lorsque la

meilleure technique de mélange aura été trouvée, des anneaux seront compactés et leur

comportement magnétique sera étudié.

71

3.2.2 – Ajout de nanoparticules avec phase liquide

L’autre option envisagée pour mélanger les nanoparticules aux poudres de fer consiste à

mélanger celles-ci en utilisant une phase liquide. Dans le cas présent, l’acétone serait

utilisée. Une fois les poudres nanométriques en suspension dans le liquide, les forces qui

les attirent les unes aux autres deviennent beaucoup moins importantes. En combinaison

avec les ultrasons, il est possible que cette technique limite la formation d’agglomérats de

nanoparticules et que celles-ci aillent plutôt se déposer à la surface des particules de fer.

Puisque le lubrifiant ne peut être mélangé en phase liquide, il doit être mélangé à sec avec

le mélange préparé dans l’acétone. Pour prévenir la reformation d’agglomérats pendant

cette étape, pour le premier des deux essais, on a dilué un liant dans l’acétone afin de lier

les nanoparticules à la surface des particules de fer pendant l’évaporation du solvant.

Pour mélanger de manière efficace les nanoparticules en phase liquide, on a d’abord vérifié

la quantité d’acétone requise pour mouiller toutes les particules de fer. Il a été mesuré que,

pour 400g d’ATOMET 580, 100 mL d’acétone devait être utilisés. Comme discuté à la

section 5.2.2, les résultats précédents ont montré que 0,6%-m de nanoparticules de ferrite

n’était pas suffisant et que 2%-m était trop. Conséquemment, cette fois 1,5%-m de ferrite a

été ajouté à la poudre de fer. La poudre de ferrite a été dispersée dans l’acétone et

désagglomérée en l’exposant à des ultrasons pendant une période de 10 minutes après quoi

les particules de fer ont été versées dans l’acétone. Le tout a été agité légèrement à l’aide

d’un agitateur en verre et laissé sous la hotte pendant une nuit pour laisser l’acétone

s’évaporer. Pour le premier essai, un liant a été utilisé afin de coller les nanoparticules aux

poudres de fer et éviter qu’elles se détachent lors du mélange avec le Kenolube. Le

polymère en question fut du CAPA. Il s’agit d’un polycaprolactone, soit un polyester

aliphatique. Celui-ci a été retenu pour sa solubilité dans l’acétone. On en a dilué 0,05%-m

dans les 100 ml d’acétone avant d’y ajouter les nanopoudres de ferrite. Une fois le solvant

complètement évaporé, 0,5%-m de Kenolube a été ajouté à chacun des mélanges et le tout a

été mélangé à sec pendant 10 minutes. Le traitement thermique utilisé a été exactement le

même que pour les tests précédents, soit 30 minutes à 500°C dans une atmosphère d’argon.

72

Les mélanges préparés sont compacté dans un sac à gants sous forme de barres TRS à des

pressions de compaction de 620 MPa et 825 MPa. Comme pour les tests précédents, ces

échantillons ont servi à déterminer la densité, la résistance en flexion trois points et la

résistivité électrique des matériaux. Leur caractérisation a été complémentée d’une

observation en métallographie et au microscope électronique à balayage.

3.2.3 – Ajout d’une grande quantité de nanoparticules

Au terme des étapes mentionnées plus haut, l’ajout de nanoparticules n’a toujours pas

donné de résultats convaincants en termes de résistivité en comparaison avec ceux obtenus

par placage de la ferrite. Pour essayer d’améliorer les résultats obtenus, un autre test a été

fait, mais cette fois incorporant une plus grande quantité de nanoparticules. Il a été décidé

d’ajouter 5%-m de ferrite aux poudres de fer. Cette concentration correspond

approximativement à celle retrouvée dans les poudres recouvertes de ferrite par placage à la

section 3.1.3.2. On pourra donc comparer les résultats obtenus en effectuant les

manipulations qui suivent dans les prochains paragraphes à ceux obtenus précédemment.

Cette fois, les mélanges seront faits à sec parce que la grande quantité de nanoparticules fait

en sorte qu’il serait très difficile de toutes les garder en suspension dans une phase liquide.

Les conditions expérimentales utilisées sont les suivantes. Un mélange de 400g de poudre

de fer contenant 5%-m de nanoparticules de ferrite a été préparé en mélangeant les deux

constituants ensemble pendant 10 minutes. Le Kenolube a ensuite été ajouté, toujours dans

une proportion de 0,5%-m, et tous ces éléments ont été mélangés pendant 20 minutes

supplémentaires. Une fois le mélange final obtenu, des barres TRS ont été compactées à

620 MPa et 825 MPa pour permettre la mesure de la résistivité, de la densité et de la

résistance en flexion. De plus, un anneau a été compacté à 620 MPa afin de mesurer les

propriétés magnétiques du matériau. Il a été impossible de compacter un anneau à 825 MPa

car lors de l’éjection de la pièce hors de la matrice, celui-ci y demeurait coincé et il était

impossible de le retirer sans le briser. Les difficultés rencontrées lors de la compaction

73

s’expliquent probablement par le fait que la très petite taille des particules de ferrite fait en

sorte qu’elles vont se loger entre le poinçon et les parois intérieures de la matrice. Une fois

à cet endroit, celles-ci augmentent considérablement les forces de frottements lors de

l’éjection et entraînent le blocage de la matrice. Le traitement thermique effectué sur les

échantillons compactés est le même que pour les tests qui ont précédé, c’est-à-dire un

traitement de 30 minutes à 500°C dans une atmosphère d’argon. Les barres TRS et les

poudres produites ont aussi été observées en métallographie et au MEB.

74

4 – Résultats

Ce chapitre présente les résultats obtenus au terme des manipulations décrites

précédemment. Sa structure est à peu de choses près la même que celle du chapitre

précédent. C’est-à-dire qu’il est divisé en deux sections portant respectivement sur le

placage de la ferrite et sur l’ajout de nanoparticules. Les résultats de chaque série

d’expériences sont présentés dans des sous-sections dans le même ordre qu’au chapitre 3.

4.1 – Placage de la ferrite

Plusieurs données ont été recueillies dans le cadre de l’étude portant sur le placage de la

ferrite appliqué au composites magnétiques doux à base de poudres de fer. On présentera

d’abord les résultats obtenus suite à l’étude ayant pour but de déterminer la méthode de

déposition à utiliser pour recouvrir efficacement les poudres d’une couche de ferrite NiZn.

Ensuite, les données recueillies dans le but d’améliorer les conditions de déposition seront

dévoilées. Finalement, les résultats reliés à l’étude du traitement thermique seront

présentés.

4.1.1 – Choix de la méthode de déposition

Les manipulations décrites aux sections 3.1.1.1 et 3.1.1.2 avaient pour but de comparer

deux techniques de déposition de ferrite afin de déterminer laquelle de ces deux méthodes

était la meilleure. Pour ce faire, les poudres ont été observées au microscope électronique à

balayage et elles ont aussi été étudiées en diffraction des rayons X (DRX) afin de vérifier

s’il y avait effectivement présence de ferrite.

75

4.1.1.1 – Première technique

Pour la première technique, l’observation au microscope électronique à balayage a

confirmé la présence d’un dépôt à la surface des poudres. La Figure 28 montre deux

micrographies prises au MEB en mode électrons rétrodiffusés (ERD). À titre comparatif,

deux photos prises au MEB en mode électrons secondaires (ES) d’ATOMET 580 n’ayant

subie aucun traitement sont présentées à la Figure 29.

Figure 28 – Particules de la première technique observées au MEB en mode ERD

Figure 29 – Particules d’ATOMET 580 observées au MEB en mode ES

Afin de s’assurer que le dépôt que l’on aperçoit soit effectivement de la ferrite, la poudre a

été analysée en diffraction des rayons X. La Figure 30 illustre le spectre obtenu. En

comparant ce spectre aux spectres théoriques du fer, de la ferrite Fe (Fe3O4) et de la ferrite

76

NiZn ((NiO)0,5-(ZnO)0,5-Fe2O3), on discerne facilement la présence de ferrite mélangée au

fer. Toutefois, puisque les spectres de la ferrite Fe et de la ferrite NiZn sont presque

identiques, il n’a été pas possible dans ce cas-ci de savoir de quel type de ferrite il

s’agissait.

Figure 30 - Spectre DRX de la poudre obtenue à partir de la première technique

Bien qu’à la Figure 28 le dépôt soit très facile à voir, il ne semble pas très uniforme ou du

moins il est difficile de le confirmer. Pour avoir une idée de son épaisseur et de son

uniformité, les particules ont été observées en coupe transversale en métallographie et au

microscope électronique à balayage. La Figure 31 montre une coupe transversale d’une

particule observée au MEB en mode ERD.

77

Figure 31 – Coupe transversale d’une poudre de la première technique en mode ERD au MEB

Sur cette photo les zones noires correspondent à la résine servant à tenir la particule, les

zones grises pâles correspondent au fer et celles un peu plus foncées correspondent à la

ferrite. L’observation de ce lot de poudre a révélé que le revêtement ne couvrait pas la

totalité de la surface des particules et que son épaisseur variait de nulle à environ 5 μm à

certains endroits.

Par ailleurs, pendant la déposition, on a pu remarquer la présence de précipités en

suspension dans la solution. Ceux-ci ont été recueillis et caractérisés au MEB et en DRX.

La Figure 32 montre ces précipités tels qu’observés au MEB en mode électrons

secondaires. Comme on peut voir, ceux-ci sont composés d’agglomérats de particules de

très petite taille (< 1 μm). La Figure 33 présente le spectre obtenu en DRX et confirme que

les précipités recueillis sont bel et bien de la ferrite. Par contre, une fois de plus, on peut

difficilement déterminer s’il s’agit de ferrite NiZn, de magnétite ou encore d’un mélange

des deux.

78

Figure 32 – Précipités au MEB

Figure 33 – Spectre DRX des précipités présentés à la Figure 32

79

4.1.1.2 – Deuxième technique

Comme pour la technique précédente, l’observation au MEB des particules obtenues à

l’aide de la deuxième technique a confirmé la présence d’un revêtement sur leur surface.

Comme pour le premier test, celui-ci ne semble pas très continu et uniforme. La Figure 34

présente les particules en question observées au MEB en mode ERD. Afin de vérifier

l’uniformité du revêtement, les particules ont été observées en coupe transversale. La

Figure 35 présente une micrographie prise au MEB en mode électrons rétrodiffusés.

Comme le montre cette micrographie, l’observation a révélé encore une fois que le

revêtement n’était pas continu. Il semble également être présent en moins grande quantité

que pour la technique précédente.

Figure 34 – Particules de la deuxième technique observées au MEB en mode ERD

80

Figure 35 - Coupe transversale d’une particule de la deuxième technique en mode ERD au MEB

Une analyse DRX a été effectuée sur la poudre et a donné le spectre illustré à la Figure 36.

On peut y voir encore une fois la présence de pics provenant de la ferrite. Cependant, en le

comparant à celui de la Figure 30, on constate que les pics de la ferrite sont beaucoup

moins nombreux et moins marqués. Ce résultat et l’observation au MEB indiquent que la

deuxième technique a permis d’obtenir un dépôt de ferrite, mais que celui-ci est présent

dans une concentration moindre que celle de la première technique. Cette fois encore des

précipités se sont formés pendant la réaction et étaient de la même nature qu’au test

précédent.

81

Figure 36 – Spectre DRX de la poudre de la deuxième technique

4.1.1.3 – Deuxième technique modifiée

Suite à la comparaison des deux techniques de déposition étudiées précédemment, il a été

décidé de retenir la deuxième, mais en lui apportant des modifications majeures. Comme

mentionné à la section 3.1.1.3, la poudre produite a été analysée en spectroscopie

d’absorption atomique et à l’analyseur d’oxygène. Ces tests ont permis d’obtenir les

concentrations en nickel, en zinc et en oxygène contenues dans la poudre suite au

traitement. De plus, l’ATOMET 580 a préalablement été étudiée à l’analyseur d’oxygène

afin de connaître la concentration en oxygène présente dans la poudre de fer avant le

placage. Elle a également été étudiée par la méthode Brunauer-Emett-Teller (BET) afin de

caractériser sa surface spécifique. Ces tests ont révélé que l’ATOMET 580 contenait à la

base 0,065%-m d’oxygène et qu’elle avait une surface spécifique de 0,025 m2/g. À l’aide

82

de ces données expérimentales, il est possible de déterminer la composition chimique et

l’épaisseur théorique moyenne du revêtement. Les calculs nécessaires pour y arriver sont

décrits à l’annexe A. Par ailleurs, pour ce test, une barre TRS a été compactée à 620 MPa

afin de mesurer la densité et la résistivité de l’échantillon. Pour des fins de comparaisons,

une barre TRS d’ATOMET 580 n’ayant subie aucun traitement a été compactée dans les

mêmes conditions. Le Tableau 8 donne les caractéristiques de la poudre de base (1) et de la

poudre revêtue de ferrite (2).

Tableau 8 – Caractéristiques du revêtement pour la deuxième technique modifiée

Échantillon Conc. en ferrite (%-mol) Épaisseur Densité Densité Résistivité

Ni Zn Fe (nm) (g/cm3) Relative (%) (μΩ-m)

1 7,05 90,1 15

2 5 3 92 890 6,68 90,2 5571

Les concentrations de chacun des types de ferrites sont exprimées en pourcentages

molaires. Ainsi, la composition du revêtement pourrait être (NiO)0,05-(ZnO)0,03-Fe2,91O3,91

suggérant qu’il est constitué principalement de magnétite et d’une faible portion de ferrite

Ni et Zn. Par ailleurs, la résistivité de l’échantillon 2 est beaucoup plus grande que celle de

l’échantillon 1. Ceci indique que le revêtement isole les particules métalliques les unes des

autres de manière très efficace. Les épaisseurs moyennes théoriques des revêtements

données dans le Tableau 8 et dans les prochains tableaux du même genre sont arrondies au

10 nm près. En comparant les densités obtenues, on constate que bien que la densité

absolue du dernier mélange soit nettement inférieure à celle de l’ATOMET 580 mélangée à

0,5%-m de Kenolube, leur densité relative respective est néanmoins très similaire. Ce

phénomène est causé par la présence en grande quantité de ferrite (environ 10%-m) qui

possède une masse volumique inférieure à celle du fer, soit approximativement 5,0 g/cm3

comparativement à 7,83 g/cm3.

Comme pour les tests des deux dernières sections, les poudres produites ont été observées

au MEB. La Figure 37 montre la poudre du dernier test observée au MEB en mode

électrons rétrodiffusés. Afin d’étudier l’uniformité et la continuité du revêtement, les

83

poudres ont également été observées en coupe transversale au microscope électronique à

balayage et en microscopie optique. La Figure 38 montre une coupe transversale d’une

particule recouverte de ferrite au MEB en mode ERD.

Figure 37 – Particules de la dernière technique observées au MEB en mode ERD

Figure 38 – Coupe transversale d’une particule de la dernière technique observée au MEB en mode ERD

Cette fois, comparativement aux essais précédents, le revêtement semble continu et

relativement uniforme. Cette distribution efficace de la ferrite permet d’expliquer la

résistivité élevée donnée au Tableau 8. À la Figure 38 on peut voir que l’épaisseur du

revêtement se situe entre 1 et 5 μm, pour une épaisseur moyenne d’approximativement 2

84

μm. Cette valeur est différente de celle calculée qui était de 890 nm. Cette différence peut

toutefois être expliquée par la morphologie très irrégulière de la poudre de fer atomisée à

l’eau.

Comme pour les autres essais, une analyse de DRX a été faite sur la poudre et a donné le

spectre de la Figure 39. Celui-ci confirme encore qu’il s’agit bel et bien de ferrite. En

sachant que l’on a un mélange de ferrite Ni, Zn et Fe comprenant principalement de la

ferrite Fe, on peut maintenant comprendre pourquoi on discernait mal de quel type de

ferrite il s’agissait aux essais précédents. Comme pour les autres techniques, des précipités

de ferrite ont été formés, mais en quantité beaucoup moins importantes que les fois

précédentes.

Figure 39 – Spectre DRX de la poudre de la dernière technique.

85

4.1.2 – Choix du traitement de surface

Après avoir déterminé quelle technique utiliser pour procéder à la déposition d’un

revêtement de ferrite, une série d’expériences a été faite pour déterminer quel type de

traitement de surface permettrait d’obtenir le matériau le plus résistif. En premier lieu, six

types de traitements de surface ont été comparés et, ensuite, le meilleur de ces traitements a

été comparé à une technique utilisée par M. Abe.

4.1.2.1 – Traitement de surface

Au cours de cette série d’expériences, six types différents de traitements de surface ont été

effectués avant la déposition. Les traitements en question ont été énumérés et décrits plutôt

au Tableau 6. Suite à ces traitements, les concentrations en Ni, en Zn et en O des

échantillons produits ont été mesurées et ont servies à calculer la composition et l’épaisseur

du revêtement. Ces résultats sont présentés au Tableau 9. Des barres TRS ont également été

compactées à 620 MPa pour mesurer leur densité et leur résistivité. Ces valeurs sont

présentées au Tableau 10.

Tableau 9 – Traitement de surface : Caractéristiques du revêtement

Échantillon Conc. des éléments (%-m) Conc. en ferrite (%-mol) Épaisseur

Ni Zn Fe Ni Zn Fe (nm)

1 0,089 0,014 0,501 22 3 75 130

2 0,13 0,036 1,03 15 4 81 290

3 0,093 0,013 0,266 50 6 44 60

4 0,12 0,022 1,35 10 2 88 390

5 0,097 0,030 0,512 24 6 70 130

6 0,10 0,020 0,720 17 3 80 200

86

Tableau 10 – Traitement de surface : Densité et résistivité

Échantillon Densité Densité Résistivité

(g/cm3) Relative (%) (μΩ-m)

1 7,09 91,3 42

2 6,92 90,1 112

3 7,03 90,2 24

4 7,09 92,9 74

5 7,03 90,6 98

6 6,97 90,3 39

Ces résultats montrent que le traitement de surface favorisant la formation du revêtement le

plus résistif est le deuxième, soit une attaque à l’acide chlorhydrique. En effet, ce procédé a

permis d’obtenir un matériau environ 2,5 fois plus résistif que celui n’ayant subi aucun

traitement (échantillon 1). Le revêtement est également plus épais que celui de l’échantillon

1, ce qui permet d’expliquer entre autre la résistivité plus élevée et la densité plus faible.

Les résultats obtenus montrent également que l’attaque à l’acide nitrique (échantillons 3 et

6) a pour effet de diminuer la résistivité et l’épaisseur du revêtement. En effet, en

comparant les échantillons 3 et 6 aux échantillons 1 et 4 respectivement, on constate que

l’attaque à l’acide nitrique a fait diminuer à peu près de moitié l’épaisseur du revêtement de

même que la résistivité du matériau. Finalement, en ce qui a trait au traitement à l’eau

bouillante, on constate que celui-ci a un effet bénéfique sur les propriétés des poudres

n’ayant pas été attaquées (1 et 4) et sur celles des poudres ayant été attaquées à l’acide

nitrique (3 et 6). Cependant, pour les poudres attaquées à l’acide chlorhydrique (2 et 5), le

fait de laisser les poudres dans l’eau bouillante pendant une heure après l’attaque a plutôt

eu pour effet de diminuer considérablement l’épaisseur du revêtement.

Afin de mieux comprendre l’impact de chaque type de traitement sur la chimie de surface

des poudres traitées, une étude de spectrométrie photoélectronique X (en anglais : X-ray

photoemission spectrometry, XPS) a été faite sur chacune des poudres après le traitement

de surface. Le Tableau 11 présente la composition chimique de la surface de chacune des

poudres.

87

Tableau 11 – Traitement de surface : Composition atomique en surface

Échantillon Composition chimique (%-at)

Mn O C S Fe Si N Cl

1 2,68 46,94 27,89 0,96 20,06 0,92 0,55 -

2 - 57,23 8,07 - 33,82 - - 0,88

3 0,97 55,82 14,16 0,56 26,98 - 1,52 -

4 1,06 56,51 9,61 - 31,38 1,44 - -

5 - 56,19 5,29 - 37,65 - 0,87 -

6 0,21 54,75 11,43 - 32,20 1,42 - -

Le tableau donne la concentration atomique des éléments présents à la surface des poudres

étudiées. On peut tout de suite remarquer que la poudre sans traitement de surface se

distingue des autres par sa faible concentration en oxygène et en fer et par sa concentration

en carbone plus importante. De plus, il semble que tous les traitements de surface ont pour

effet de diminuer la proportion de carbone présent à la surface et d’augmenter la

concentration en oxygène. Pour tous les traitements, cette dernière augmente jusqu’à une

valeur située entre 54%-at et 58%-at.

Les spectres recueillis ont été étudiés plus en détails afin de déterminer par les types de

liaisons interatomiques entre les atomes d’oxygène. Cette étude permet de déterminer en

autres la concentration en groupes hydroxydes à la surface des particules. Les résultats

obtenus sont donnés au Tableau 12. Trois types de liaisons avec l’oxygène ont pu être

détectés : les liaisons ioniques (O2-

), les liaisons sous forme de groupes hydroxydes (OH) et

les liaisons sous forme de molécules d’eau (H2O). Dans le tableau, on présente d’abord le

pourcentage d’atomes d’oxygène correspondant à chaque type de liaison (Composition O)

et ensuite on multiplie ces valeurs par la concentration en oxygène contenue dans chacune

des poudres pour obtenir la concentration de ces liaisons (Composition totale). Ainsi, on

peut savoir, par exemple, la concentration de groupes OH présents à la surface.

88

Tableau 12 – Traitement de surface : État de l’oxygène

Échantillon Composition O (%-at) Composition totale (%-at)

O2-

OH H2O O2-

OH H2O

1 57,55 38,73 3,72 27,01 18,18 1,75

2 84,42 15,58 - 48,31 8,92 -

3 54,76 40,97 4,27 30,57 22,87 2,38

4 74,00 26,00 - 41,82 14,69 -

5 72,11 27,89 - 40,52 15,67 -

6 69,36 30,64 - 37,97 16,78 -

Ces résultats montrent qu’avant tout traitement de surface (échantillon 1), une importante

concentration de groupes OH était déjà présente à la surface. On constate que tous les

traitements mis à part celui à l’acide nitrique sans eau bouillante (échantillon 3) ont eu pour

effet de réduire cette valeur. On peut aussi remarquer que la concentration en oxygène sous

forme ionique (O2-

) a augmenté pour les traitements thermiques. Notamment, le matériau le

plus résistif est celui qui a en fait la plus grande concentration en oxygène sous forme

ionique et la plus faible concentration en groupes hydroxydes.

4.1.2.2 – Vérification du traitement de surface

La dernière section a montré que le traitement de surface permettant d’obtenir le matériau

le plus résistif était une attaque à l’acide chlorhydrique 10%-vol dilué dans l’éthanol sans le

traitement d’une heure dans l’eau bouillante. Comme expliqué à la section 3.1.2, cette

technique a été comparée à celle employée par M. Abe. Cette dernière consiste à faire une

attaque à l’acide chlorhydrique 1 mol/L (approximativement 3%-vol) dilué dans l’eau, le

tout étant exécuté sous une atmosphère d’azote. Dans les prochains paragraphes, les

poudres attaquées avec la technique de la section précédente correspondront à l’échantillon

1 et celles attaquées avec la technique de M. Abe correspondront à l’échantillon 2. À titre

comparatif, des spécimens faits à partir d’ATOMET 580 n’ayant pas été recouverte de

ferrite ont également été compactés. Ceux-ci correspondront à l’échantillon 0.

Les barres TRS ont servi à la mesure de la résistivité, de la densité et de la résistance en

flexion trois points. Les échantillons désignés par les lettres DW correspondent aux pièces

89

compactées en utilisant du lubrifiant seulement sur les parois, donc sans Kenolube pré-

mélangé à la poudre. Ceux désignés par les lettres AT correspondent aux échantillons faits

à partir de poudres ayant été attaqués à l’acide chlorhydrique, mais n’ayant pas été

recouverts de ferrite. Ceux-ci ont également été compactés avec du lubrifiant uniquement

sur les parois de la matrice. Finalement, les échantillons 1 et 2 correspondent aux pièces

produites à partir de poudres recouvertes de ferrite contenant 0,5%­m de Kenolube. Le

Tableau 13 présente les résistivités avant et après traitement thermique de même que la

densité et la résistance à cru après traitement thermique des échantillons obtenus au terme

de ces manipulations.

Tableau 13 – Vérification du traitement de surface : Résistivité, densité et résistance en flexion

Échantillon Compaction

(MPa)

Avant TT Après TT

Résistivité

(μΩ-m)

Résistivité

(μΩ-m)

Densité

(g/cm3)

Flexion

(MPa)

0-DW 620 15 7,05

0 620 35 1,5 7,14 76

825 31 1,2 7,39 64

1-AT 620 179 0,86 6,97 64

1-DW 620 217 1,4 6,83 55

1 620 294 7,1 6,84 45

825 753 13 6,93 46

2-AT 620 1090 2,2 7,07 66

2-DW 620 1534 2,2 6,90 88

2 620 2369 15 6,87 45

825 1859 12 7,03 44

L’écart-type sur les mesures de résistivité avant et après traitement thermique était

d’environ 10%, pour les mesures de densité elle était largement inférieure à 1% et pour les

mesures de résistance en flexion elle était d’approximativement 5%. Ces résultats

permettent de constater que le traitement de surface à l’acide chlorhydrique 1 mol/L dilué

dans l’eau effectué sous azote permet effectivement d’obtenir une résistivité avant

traitement thermique largement supérieure à celle obtenue avec la technique précédente.

90

L’observation au MEB a permis de constater que le revêtement de la deuxième technique

était plus épais et permettait d’isoler les poudres plus efficacement les unes des autres. Ceci

permet d’expliquer sa résistivité plus élevée, du moins avant le traitement thermique. La

Figure 40 montre une coupe transversale de particules de la première (A) et de la deuxième

(B) technique compactées à 620 MPa observées au MEB en mode électrons rétrodiffusés.

Toutefois, un élément particulièrement étonnant qui ressort des résultats du Tableau 13 est

que malgré le fait que la résistivité de la deuxième technique soit largement supérieure à

celle de la première technique avant traitement thermique, après celui-ci la résistivité des

deux échantillons diminue de manière drastique vers des valeurs à peu près similaires.

Figure 40 – Échantillons 1 (A) et 2 (B) observés au MEB en mode ERD

Afin de pouvoir expliquer comment le traitement de surface peut avoir un impact aussi

important sur la résistivité avant traitement thermique et même avant la déposition de la

ferrite, une étude au XPS a été faite sur les poudres entre l’étape de l’attaque et celle de la

déposition. Les concentrations atomiques des éléments retrouvés à la surface des particules

de fer sont données au Tableau 14.

Tableau 14 – Vérification du traitement de surface : Composition atomique en surface

Échantillon Composition chimique (%-at)

O C Fe Cl

1 57,23 8,07 33,82 0,88

2 55,69 5,84 37,82 0,65

91

Pour ces deux traitements, on peut noter la présence de chlore à la surface des poudres.

Celui-ci est présent sous forme de chlorure de fer et provient de l’attaque à l’acide

chlorhydrique. Pour ce qui est des concentrations en oxygène, en carbone et en fer, on

remarque qu’elles sont très similaires dans les deux cas. Phénomène particulier toutefois, le

traitement de surface effectué en l’absence d’oxygène (2) n’a pas entraîné une diminution

notable de la quantité d’oxygène présente en surface. Comme pour les derniers tests de

spectrométrie photoélectronique X, les spectres ont aussi été étudiés afin d’évaluer les

liaisons de l’oxygène. Les résultats obtenus sont présentés au Tableau 15.

Tableau 15 – Vérification du traitement de surface : État de l’oxygène

Échantillon Composition O (%-at) Composition totale (%-at)

O-- OH O-- OH

1 84,42 15,58 48,31 8,92

2 81,14 18,86 45,19 10,50

Encore une fois, on ne peut remarquer de différence majeure dans la nature des liaisons des

atomes d’oxygène des deux types de poudre.

Les anneaux compactés avec la poudre obtenue suite à ces manipulations ont été utilisés

pour mesurer les propriétés magnétiques des matériaux : l’induction B à 12000 A/m (150

Oe), la perméabilité maximale μmax, le champ coercitif Hc, l’induction rémanente Br et les

pertes à 60 Hz et 400 Hz pour une induction de 1T (10000G). Comme mentionné à la

section 3.1.2.2, des anneaux ont été compactés à 620 MPa pour les deux mélanges et à 825

MPa dans le cas du premier mélange. Il a été impossible de compacter des anneaux à 825

MPa avec le second mélange puisque ceux-ci se brisaient à tout coup lors de l’éjection. Les

résultats obtenus sont présentés au Tableau 16.

92

Tableau 16 – Vérification du traitement de surface : Propriétés magnétiques

Échantillon Compaction B

μmax Hc Br Pertes (W/kg)

(MPa) (T) (A/m) (T) 60 Hz 400 Hz

1 620 0,83 154 626 0,022 19,5 158

825 1,00 197 515 0,024 17,7 150

2 620 0,96 202 614 0,029 23,1 224

Ces résultats montrent que les pertes magnétiques sont généralement plus faibles pour le

premier traitement de surface. Ceci est très étonnant parce que de manière générale, les

pertes magnétiques diminuent avec une augmentation de l’induction, de la résistivité et de

la perméabilité et elles augmentent avec un accroissement du champ coercitif. En

comparant l’échantillon 2 à l’échantillon 1 compacté à 620 MPa, on note une augmentation

de l’induction de 16%, de la perméabilité de 31% et de la résistivité de 111%. On aurait

donc dû s’attendre à ce que le deuxième traitement de surface entraîne des pertes

magnétiques inférieures à celles du premier traitement. Par ailleurs, en comparant les

échantillons 1 compactés à 620 MPa et 825 MPa, on remarque que le fait d’augmenter la

pression de compaction a pour effet d’augmenter l’induction, la perméabilité, l’induction

rémanente et de diminuer le champ coercitif. Toutes ces variations ont pour effet de réduire

l’importance des pertes magnétiques.

4.1.3 – Amélioration du traitement thermique

Après avoir déterminé le montage et le traitement de surface à utiliser, d’autres essais ont

été faits pour améliorer le traitement thermique. L’étude du traitement thermique se divise

en deux étapes. En premier lieu, le type d’atmosphère à utiliser a été investigué et ensuite la

température à laquelle le traitement est effectué a été étudiée. Les paragraphes qui suivent

présenteront les résultats obtenus suite à ces essais.

4.1.3.1 – Atmosphère

L’effet de l’atmosphère a été étudié en comparant les propriétés de deux lots de pièces

ayant subi les mêmes traitements, à la différence que pour un des deux le traitement

93

thermique a été fait dans l’air (1) et pour l’autre il a été fait dans l’argon (2). Des barres

TRS ont été compactées à 620 MPa et 825 MPa afin de mesurer la résistivité, la densité et

la résistance en flexion trois points des échantillons. À titre comparatif, des échantillons

d’ATOMET 580 non traitée ont également été compactés. Certains d’entre eux (0.1) ont été

traités thermiquement dans l’air et d’autres (0.2) ont été traités dans l’argon. Les résultats

obtenus sont présentés au Tableau 17.

Tableau 17 – Atmosphère : Résistivité, densité et résistance en flexion

Échantillon Compaction

(MPa) Atmosphère

Avant TT Après TT

Résistivité

(μΩ-m)

Résistivité

(μΩ-m)

Densité

(g/cm3)

Flexion

(MPa)

0.1 620

Air 35 1,5 7,14 76

825 31 1,2 7,39 64

0.2 620

Argon 25 1,7 7,20 70

825 30 1,7 7,34 65

1 620

Air 2369 15 6,87 45

825 1859 12 7,03 44

2 620

Argon 641 28 6,89 30

825 678 30 7,01 35

Un traitement thermique à 500°C pendant 30 minutes dans l’argon plutôt que dans l’air a

pour effet d’entraîner une moins grande diminution de la résistivité. Une chose est à noter

par contre, normalement la résistivité avant traitement thermique aurait dû être la même

pour les deux échantillons puisque ceux-ci ont été préparés dans les mêmes conditions.

Cette différence de résistivité avant traitement thermique dénote que le traitement de

surface et la déposition du revêtement de ferrite sont des procédés qui ont une grande

variabilité. Cependant, pour un même essai celle-ci n’est pas très élevée. En effet, la

déviation standard pour chaque valeur de résistivité est d’environ 10% à l’exception de

celle de la résistivité après traitement thermique de l’échantillon 1 à 620 MPa pour laquelle

celle-ci se situe à 20%. L’écart-type pour les mesures de densité était toujours inférieure à

1% et celle pour la résistance en flexion était encore près de 5%. Une autre chose que ces

résultats montrent est que le fait de faire un traitement thermique dans l’argon plutôt que

dans l’air entraîne une diminution importante de la résistance en flexion trois points.

94

L’observation au microscope électronique à balayage et au microscope optique n’a pas

montré de différence significative de microstructure entre les différents échantillons. Une

fois encore, le revêtement recouvre de manière continue et relativement uniforme les

poudres de fer. La Figure 41 montre une micrographie au MEB en mode ERD des

échantillons 1 (A) et 2 (B) compactés à 620 MPa. Les poudres ont également été observées

en coupe transversale au MEB et en microscopie optique. L’observation a révélé que le

revêtement était effectivement continu et relativement uniforme. Son épaisseur variait entre

200 nm et 1 μm pour une épaisseur moyenne d’approximativement 500 nm pour les deux

échantillons. La Figure 42 montre une coupe transversale de l’échantillon 2 observée au

MEB en mode électrons rétrodiffusés.

Figure 41 – Échantillons 1 (A) et 2 (B) observés au MEB en mode ERD

95

Figure 42 – Coupe transversale d’une poudre au MEB en mode ERD

Les anneaux toroïdaux ont été compactés et traités thermiquement dans les mêmes

conditions que les barres TRS afin de mesurer les propriétés magnétiques des matériaux

obtenus. La caractérisation magnétique est la même que celle utilisée précédemment. Pour

le premier mélange, un anneau a été compacté à 620 MPa et pour le second un anneau a été

compacté à 620 MPa et un autre à 825 MPa. Il a été impossible de compacter un

échantillon du premier mélange à 825 MPa sans que celui-ci se brise lors de l’éjection. Le

Tableau 18 donne les résultats obtenus.

Tableau 18 – Atmosphère : Propriétés magnétiques

Échantillon Compaction

Atm B

μmax Hc Br Pertes (W/kg)

(MPa) (T) (A/m) (T) 60 Hz 400 Hz

1 620 Air 0,96 202 614 0,029 23,1 224

2 620

Argon 1,15 217 405 0,018 12,2 95

825 1,15 213 407 0,018 11,9 93

Ces résultats montrent que les pertes sont effectivement diminuées de manière très

importante en faisant le traitement thermique sous argon plutôt que dans l’air. Cette

amélioration peut être attribuable à plusieurs éléments dont l’augmentation de la résistivité

après traitement thermique, de l’induction et de la perméabilité, de même que la diminution

96

du champ coercitif. Étrangement, cette fois l’augmentation de la densité pour l’échantillon

2 n’a pas entraîné l’augmentation de l’induction et de la perméabilité. Par ailleurs, le champ

coercitif n’a pas changé non plus. Cela dit, cette augmentation a tout de même permis de

diminuer légèrement les pertes magnétiques.

4.1.3.2 – Température

Le deuxième point étudié afin d’améliorer le traitement thermique est la température à

laquelle le traitement est effectué. Pour limiter le nombre d’essais à faire et pour avoir une

idée des températures à investiguer, un test de calorimétrie différentiel à balayage a été fait

sur des particules d’ATOMET 580 non traitées (A) et sur des particules de fer recouvertes

de ferrite (B). Les résultats obtenus lors de ce test sont montrés à la Figure 43.

Figure 43 – Résultats de calorimétrie différentielle à balayage

97

On peut remarquer sur ces graphiques une différence notable entre les deux courbes aux

alentours de 225°C. Des barres TRS ont donc été compactées à partir de particules

recouvertes de ferrite et ont été traitées thermiquement à 200°C (2), 250°C (3) et 500°C (4).

Les résultats obtenus ont été comparés à des échantillons n’ayant pas été traités

thermiquement (1). Comme pour les autres essais, les échantillons désignés par les lettres

DW ont été compactés en utilisant du lubrifiant seulement sur les parois de la matrice et

ceux désignés par les lettres AT ont été compactés à partir de particules attaquées mais non

revêtues. Les autres ont été mélangés à 0,5%-m de Kenolube avant la compaction. Les

barres TRS produites ont été utilisées pour mesurer la densité, la résistance en flexion trois

points et la résistivité des échantillons. En guise de rappel, tous les traitements thermiques

ont été effectués sous argon et tous les échantillons ont été compactés à 620 MPa. Les

résultats obtenus sont présentés au Tableau 19.

Tableau 19 – Température : Résistivité, densité et résistance en flexion

Échantillon Température TT

(°C)

Résistivité

(μΩ-m)

Densité

(g/cm3)

Flexion

(MPa)

1-AT

Aucun

662 6,93

1-DW 1205 6,88

1 2306 6,81 15

2-DW 200

532 6,88 22

2 1714 6,91 21

3-DW 250

100 6,95 19

3 633 6,88 18

4-DW 500

11 6,91 28

4 28 6,89 30

Ce qui ressort de ces résultats est l’évolution de la résistivité en fonction de la température

du traitement thermique. Il n’y a que quatre points, mais on peut tout de même voir que la

résistivité diminue de manière très importante entre 200°C et 250°C. On pouvait déjà

s’attendre à une diminution de la résistivité avec l’augmentation de la température du

traitement thermique. Or, comme le montre la Figure 44 on remarque une chute drastique

entre 200°C et 250°C. Ces résultats combinés avec ceux de calorimétrie différentielle à

98

balayage semblent indiquer un changement dans la nature du revêtement entre ces deux

températures.

Figure 44 – Résistivité en fonction de la température du traitement thermique

Pour en savoir plus, des échantillons de poudre ont été analysés en diffraction des rayons X

avant et après un traitement thermique à 500°C. Cette technique a permis de constater

qu’on retrouvait les mêmes composés pour les deux échantillons, soit un mélange de fer et

de ferrite. Cependant, comme pour les tests précédents, il a été impossible de déterminer

exactement de quel type de ferrite il s’agissait. Bien que les spectres montrent les mêmes

composés, on peut toutefois remarquer que les pics correspondant à la ferrite sont un peu

mieux définis par rapport à ceux du fer pour la poudre après traitement thermique que pour

celle avant. Les Figure 45 et Figure 46 montrent les spectres DRX obtenus pour les poudres

avant et après traitement thermique respectivement.

99

Figure 45 – Spectre DRX de la poudre avant traitement thermique

100

Figure 46 – Spectre DRX de la poudre après traitement thermique

Afin d’en savoir davantage sur les différences entre les échantillons avant et après le

traitement thermique à 500°C, ces dernier ont été observés au microscope électronique en

transmission. Des lames minces ont d’abord été préparées à l’aide d’une sonde ionique

focalisée (en anglais : Focused Ion Beam, FIB) en utilisant la technique décrite à la

référence [48]. Elles ont ensuite été observées au MET à très fort grossissement. La Figure

47 montre les revêtements de ferrite à la surface des particules de fer avant (A) et après (B)

traitement thermique tels qu’observés au MET. L’observation a confirmé la présence d’un

revêtement continu et relativement uniforme. On a pu mesurer une épaisseur de l’ordre de

250 nm et de 200 nm avant et après traitement thermique respectivement. Toutefois, étant

donné que dans chaque cas l’observation dans ces conditions n’est faite que sur une petite

portion de la surface d’une seule particule, on ne peut savoir si ces valeurs sont réellement

101

représentatives. Des patrons de diffraction pris sur les deux revêtements ont également

révélé qu’il s’agissait de ferrite.

Figure 47 – Échantillons avant (A) et après (B) traitement thermique au MET

Une autre information très intéressante qu’a révélée l’observation au microscope

électronique à transmission est que le revêtement était en fait poreux avant traitement

thermique et que, après traitement thermique, il n’y avait pratiquement plus de porosités.

Ceci aura un impact majeur sur les propriétés de ce dernier, notamment sur sa résistivité et

sa densité. Les Figure 48 et Figure 49 montrent le revêtement d’un échantillon observé au

MET avant et après traitement thermique respectivement. En plus de montrer la différence

de densité de porosités existant entre les deux échantillons, l’observation au MET a permis

de constater que la taille des grains a changé pendant le traitement thermique. On peut voir

que la taille moyenne des grains est très faible (entre 50 nm et 100 nm) dans le cas de

l’échantillon avant traitement thermique et qu’elle devient plus importante par après (entre

100 nm et 200 nm). Afin d’avoir une meilleure idée de la taille des grains, le revêtement a

été isolé des particules de fer en les broyant légèrement et en les passant dans un bain à

ultrasons. De cette façon, il a été possible de recueillir seulement des fragments du

revêtement. Les Figure 50 et Figure 51 montrent des fragments recueillis à partir

d’échantillons avant et après traitement thermique respectivement. Ces micrographies

permettent elles aussi de constater qu’il y a effectivement eu croissance des grains.

102

Figure 48 – Revêtement avant traitement thermique au MET

Figure 49 – Revêtement après traitement thermique au MET

103

Figure 50 – Fragments du revêtement au MET avant traitement thermique

Figure 51 – Fragments du revêtement au MET après traitement thermique

104

Finalement, des anneaux ont été produits dans les mêmes conditions que les barres TRS et

ont servi à la mesure des propriétés magnétiques. Il a toutefois été impossible de mesurer

les propriétés magnétiques des anneaux contenant 0,5%-m de Kenolube non traités

thermiquement puisque leur résistance était trop faible et ils se sont brisés lors du bobinage.

Les résultats obtenus sont donnés au Tableau 20.

Tableau 20 – Température : Propriétés magnétiques

Échantillon Température TT B

μmax Hc Br Pertes (W/kg)

(°C) (T) (A/m) (T) 60 Hz 400 Hz

1-DW Aucun 1,07 157 552 0,017 15,3 114

2-DW 200

1,10 168 535 0,018 15,6 114

2 1,06 158 517 0,016 15,0 111

4 500 1,15 217 405 0,018 12,2 95

Ces résultats montrent que le traitement thermique qui permet de diminuer le plus les pertes

magnétiques est celui à 500°C. Donc, en dépit de l’importante chute de résistivité, le

traitement thermique à 500°C a pour effet de diminuer de manière importante le champ

coercitif et d’augmenter la perméabilité, ce qui a pour effet d’entraîner des pertes

magnétiques moins grandes.

4.1.4 – Autres paramètres

Deux autres paramètres de mise en forme ont été étudiés dans le but d’améliorer les

propriétés magnétiques des composites magnétiques doux. Tel que décrit et expliqué à la

section 3.1.4, dans un cas la poudre a été tamisée pour retirer les particules fines et dans

l’autre elle a été compactée à 120°C. Le but de ces deux changements est d’améliorer la

densité des échantillons et, du même coup, d’améliorer leurs propriétés magnétiques.

4.1.4.1 – Tamisage

Les barres TRS obtenues suites aux manipulations décrites à la section 3.1.4.1 ont été

utilisées pour mesurer la densité, la résistance en flexion trois points et la résistivité des

105

matériaux. Le mélange ayant été tamisé correspond à l’échantillon 2 et l’autre correspond

évidemment à l’échantillon 1. Les résultats obtenus sont présentés au Tableau 21.

Tableau 21 – Tamisage : Résistivité, densité et résistance en flexion

Échantillon Compaction

(MPa)

Avant TT Après TT

Résistivité

(μΩ-m)

Résistivité

(μΩ-m)

Densité

(g/cm3)

Flexion

(MPa)

1 620 641 28 6,89 30

825 678 30 7,01 31

2 620 6634 29 6,73 26

825 5037 25 6,84 28

La différence de densité entre les deux échantillons montre que, contrairement aux attentes,

le fait d’enlever les fines particules de fer et de ferrite nuit à la compressibilité. En effet, on

note que pour les deux pressions de compaction, le tamisage entraîne une diminution de la

densité. Par ailleurs, on remarque encore une très grande différence de résistivité avant

traitement thermique entre les deux échantillons. Celle-ci ne peut certainement pas être

attribuable au tamisage et, comme à la section 4.1.3.1, elle découle probablement de la

grande variabilité du traitement de surface et de la déposition de la ferrite. Quoiqu’il en

soit, en dépit de cette grande différence de résistivité avant traitement thermique, la

résistivité après traitement retombe encore vers les mêmes valeurs, soit environ 25 μΩ-m à

30 μΩ-m. Les échantillons ont également été observés en microscopie optique et en

microscopie électronique à balayage, mais il n’a pas été possible de distinguer de

différences de microstructure notables. Les propriétés magnétiques ont aussi été

déterminées à l’aide des anneaux. Les résultats obtenus sont présentés au Tableau 22.

Tableau 22 – Tamisage : Propriétés magnétiques

Échantillon Compaction B

μmax Hc Br Pertes (W/kg)

(MPa) (T) (A/m) (T) 60 Hz 400 Hz

1 620 1,15 217 405 0,018 12,2 95

825 1,15 213 407 0,018 11,9 93

2 620 0,98 154 487 0,015 13,9 109

825 1,10 190 454 0,018 12,7 98

106

Comme on pouvait s’y attendre, puisque le tamisage des poudres de fer a entraîné une

diminution de la densité et que la résistivité est demeurée à peu près la même, les pertes

magnétiques ont augmenté.

4.1.4.2 – Compaction à tiède

Les manipulations correspondant aux essais de compaction à tiède ont été décrites à la

section 3.1.4.2. Les barres TRS et les anneaux ont été compactées à 125 ± 2 °C et à 825

MPa en utilisant 0,5%-m de polyéthylène A12 pré-mélangé aux poudres en guise de

lubrifiant. Pour des fins de comparaisons, de l’ATOMET 580 n’ayant subit aucun

traitement a été compactée dans les mêmes conditions. Les échantillons faits à base de

particules recouvertes de ferrite correspondent à l’échantillon 1 et ceux faits à partir de

particules non traitées correspondent à l’échantillon 0. Les barres TRS ont servi à la mesure

de la densité, de la résistivité et de la résistance en flexion trois points. Les résultats obtenus

sont donnés au Tableau 23.

Tableau 23 – Compaction à tiède : Résistivité, densité et résistance en flexion

Échantillon Résistivité Densité Densité Flexion

(μΩ-m) (g/cm3) relative (%) (MPa)

0 7,54 96,3 54

1 397 7,23 94,5 72

Ces résultats montrent que la compaction à chaud permet effectivement d’augmenter

significativement la densité des pièces. Par exemple, en utilisant la compaction standard,

les densités normalement atteintes pour les échantillons 0 et 1 étaient respectivement de

7,36 g/cm3 et de 7,02 g/cm

3. Ce qui constitue une augmentation majeure. D’autre part, la

résistance en flexion s’en trouve également grandement améliorée dans le cas des poudres

revêtues de ferrite. Après un traitement thermique à 500°C, la résistance en flexion était

normalement de l’ordre de 35 MPa. Finalement, en ce qui a trait à la résistivité, il est plutôt

difficile de la comparer à toute autre valeur obtenue jusqu’à maintenant puisque la

technique utilisée diffère des précédentes en plusieurs points. Notamment, outre la hausse

107

de température pour la compaction, les échantillons n’ont été soumis à aucun traitement

thermique. Cela dit, malgré la haute densité et le fait que les échantillons aient été

compactés à une température modérément élevée, la résistivité demeure très intéressante.

C’est-à-dire qu’elle est significativement supérieure à celle normalement atteinte après un

traitement thermique à 500°C, soit environ 30 μΩ-m.

Comme pour les essais précédents, les anneaux ont servis à l’évaluation des propriétés

magnétiques. Les résultats obtenus sont présentés au Tableau 24.

Tableau 24 – Compaction à tiède : Propriétés magnétiques

Échantillon B

μmax Hc Br Pertes (W/kg)

(T) (A/m) (T) 60 Hz 400 Hz

1 1,23 198 564 0,023 15,8 113

Si on compare ces résultats à ceux obtenus précédemment, par exemple à ceux du Tableau

18, on constate que les pertes ont augmenté. La densité élevée atteinte par la compaction à

tiède permet effectivement d’obtenir une induction plus élevée. Toutefois, l’absence de

traitement thermique à haute température fait en sorte que le champ coercitif demeure très

élevé, ce qui, au final, a pour effet d’augmenter les pertes.

4.2 – Ajout de nanoparticules

La deuxième méthode envisagée pour isoler les particules de fer efficacement les unes des

autres consistait à recouvrir celles-ci d’une couche de nanoparticules de ferrite NiZn. Deux

techniques de mélanges ont été étudiées. La première technique consistait à simplement

mélanger les deux types de poudre les unes aux autres sans phase liquide et la deuxième

consistait à mélanger les poudres dans l’acétone. De plus, un autre essai a été fait mais avec

une quantité de nanoparticules largement supérieure aux deux premiers essais. Les résultats

obtenus aux termes de ces manipulations sont présentés dans les prochaines sections.

108

4.2.1 – Ajout de nanoparticules à sec

Comme expliqué en détail à la section 3.2.1, huit mélanges ont été préparés avec deux

concentrations en nanoparticules de ferrite différentes et quatre combinaisons de temps de

mélange pour mélanger les poudres de fer, les particules de ferrite et le lubrifiant. Le

Tableau 7 associe chacun des huit mélanges aux conditions expérimentales utilisées pour

les réaliser. Les barres TRS compactées à partir de ces mélanges ont été utilisées pour

mesurer leur densité, leur résistivité et leur résistance en flexion trois points. En guise de

comparaison, des échantillons ont été compactés à partir d’ATOMET 580 contenant

0,5%­m de Kenolube mélangé pendant 20 minutes et ne contenant pas de nanoparticules de

ferrite. Ces derniers correspondent aux échantillons 0. Les résultats sont présentés au

Tableau 25.

Tableau 25 – Ajout de ferrite à sec : Résistivité, densité et résistance en flexion

Échantillon

Avant TT Après TT

Résistivité

(µΩ-m)

Résistivité

(µΩ-m)

Densité

(g/cm3)

Flexion

(MPa)

0 30 1,6 7,16 73

1 52 1,9 7,16 48

2 55 2,1 7,21 50

3 68 2,0 7,15 55

4 70 2,4 7,22 51

5 253 4,3 7,03 53

6 321 4,9 7,04 57

7 253 4,4 7,04 49

8 406 6,1 7,05 51

Ces résultats montrent que l’ajout de 2%-m de ferrite plutôt que 0,6%-m augmente de

manière importante la résistivité avant et après traitement thermique. Par ailleurs, selon ces

résultats, une des combinaisons de temps de mélange permet d’obtenir une résistivité un

peu plus élevée que les autres. Elle consiste à mélanger la poudre de fer aux nanoparticules

pendant 10 minutes et ensuite d’y rajouter 0,5%-m de Kenolube et de mélanger pendant 20

minutes. On peut supposer que ce temps de mélange permet d’assurer une meilleure

109

isolation des particules de fer par les nanoparticules de ferrite. Cela dit, après traitement

thermique, la résistivité chute de manière très importante.

Afin de mieux comprendre l’impact des différences de concentration de ferrite et des

différents temps de mélange, les mélanges ont été observés au microscope électronique à

balayage. En premier lieu, les nanoparticules de ferrite ont été examinées. La Figure 52

montre ces dernières en mode électrons secondaires. On peut voir qu’elles sont regroupées

sous forme d’agglomérats ayant des tailles relativement importantes (plus de 10 μm).

Figure 52 – Nanoparticules de ferrite au MEB en mode ES

Les huit différents mélanges ont aussi été observés à faible grossissement en mode

électrons rétrodiffusés afin de voir la distribution des nanoparticules et du lubrifiant. Ces

observations ont permis de constater qu’il y avait une importante quantité d’agglomérats de

nanoparticules, en particulier pour les mélanges contenant 2%-m de ferrite. D’ailleurs,

l’observation a révélé que plus les temps de mélange étaient élevés, plus la quantité et la

taille des agglomérats augmentaient. Les Figure 53 et Figure 54 montrent les mélanges 3 et

7 observés au MEB en mode électrons rétrodiffusés à 100X et 150 X respectivement.

110

Figure 53 – Mélange 3 observé au MEB en mode ERD

Figure 54 – Mélange 7 observé au MEB en mode ERD

Les particules grises pâles correspondent aux particules de fer, celles grises un peu plus

foncées correspondent aux agglomérats de ferrite et les boules grises très foncées

correspondent au lubrifiant. Sur chacune des deux micrographies, des cercles désignent

quelques exemples d’agglomérats de ferrite. Étrangement, les agglomérats sont de formes

111

irrégulières et ont des arêtes très vives. Comme en témoignent les deux figures qui suivent,

ceux-ci sont bel et bien constitués de nanoparticules de ferrite. La Figure 55 présente une

micrographie d’un agglomérat de ferrite NiZn observé au MEB en mode électrons

secondaires. On peut y distinguer aisément les nanoparticules individuelles.

Figure 55 – Agglomérat de nanoparticules de ferrite au MEB en mode ES

Afin de s’assurer qu’il s’agissait bel et bien de particules de ferrite NiZn, un spectre rayon

X a été acquis sur l’agglomérat. La Figure 56 présente le spectre rayons X en question.

Celui-ci montre entre autre la présence d’oxygène, de fer, de nickel et de zinc, ce qui

confirme qu’il s’agit de ferrite NiZn ((NiO)0,5(ZnO)0,5Fe2O3). De plus, on retrouve de l’or

et du palladium provenant du dépôt conducteur nécessaire à l’observation au MEB et du

carbone provenant de la colle servant à retenir les poudres sur le porte-échantillon.

112

Figure 56 – Spectre rayons X de l’agglomérat illustré à la Figure 55

La surface des particules de fer a été observée à fort grossissement afin de voir comment y

sont réparties les nanoparticules. On constate qu’après avoir mélangé les poudres de fer et

de ferrite ensemble pendant 5 ou 10 minutes, on obtient sensiblement le même résultat. La

Figure 57 présente la surface d’une particule de fer d’un mélange contenant 0,6%-m de

nanoparticules ayant été mélangé 5 minutes. Celle-ci est observée au MEB en mode

électrons secondaires. En guise de comparaison, la Figure 58 montre la surface d’une

particule d’ATOMET 580 ne contenant pas de nanoparticules observée au MEB en mode

ES à 10kX. En comparant les deux types de surface, on constate qu’une mince couche de

nanoparticules recouvre une bonne portion de la surface des particules de fer. Cependant,

comme en témoigne les résultats de résistivité, celle-ci ne semble pas suffisamment épaisse

pour isoler efficacement les particules de fer les unes des autres.

113

Figure 57 – Surface d’une particule de fer au MEB en mode ES

Figure 58 – Surface d’une particule d’ATOMET 580 sans nanoparticules au MEB en mode ES

En ajoutant 2%-m de nanoparticules plutôt que 0,6%-m, on obtient encore une fois un

résultat similaire. De plus, le fait de mélanger les particules de fer et les nanoparticules 10

minutes au lieu de 5 minutes ne semble pas avoir un impact notable sur la distribution de

ces dernières. La Figure 59 montre la surface d’une particule de fer provenant d’un

mélange contenant 2%-m de nanoparticules mélangé pendant 5 minutes. On peut voir que

comme pour les mélanges contenant 0,6%-m de nanoparticules, une mince couche de

poudre de ferrite recouvre presque la totalité de la particule de fer. Dans ce cas-ci, la couche

114

de nanoparticules semblait recouvrir une plus grande portion de la surface des particules de

fer sans pour autant être plus épaisse.

Figure 59 – Surface d’une particule de fer au MEB en mode ES

Les poudres ont également été observées après avoir été mélangées au lubrifiant. Il a été

constaté que cette étape retire une bonne partie des nanoparticules présentes à la surface des

particules de fer. La Figure 60 présente la surface des poudres de fer des mélanges 1 (A) et

5 (B) observée au MEB en mode ES. On constate qu’effectivement une bonne partie des

nanoparticules de ferrite a été retirée lors de l’ajout du lubrifiant. Toutefois, on peut voir

que les mélanges contenant 2%-m de ferrite conservent une plus grande quantité de

nanoparticules après l’addition de lubrifiant. Ce qui permet d’expliquer la plus grande

résistivité de ces échantillons.

115

Figure 60 – Surface de particules de fer des mélanges 1 (A) et 5 (B) au MEB

L’examen des mélanges a permis de remarquer que la taille et le nombre des agglomérats

ont augmenté pendant l’ajout du lubrifiant. Ce qui indique qu’une partie des nanoparticules

qui quitte la surface des particules de fer se retrouve sous forme d’agglomérats. De plus,

une autre partie de ces particules de ferrite se dépose à la surface du lubrifiant. En effet,

l’observation au MEB de la surface des boules de lubrifiant a permis d’y voir une

importante quantité de nanoparticules. La Figure 61 montre une boule de lubrifiant telle

que vue au microscope électronique à balayage en mode électrons secondaires. La

micrographie provient du mélange 5. Celui-ci a été préparé en mélangeant d’abord 2%-m

de ferrite à la poudre de fer pendant 5 minutes et ensuite en y rajoutant le lubrifiant et en

mélangeant pendant 5 autres minutes. On peut y voir la présence de plusieurs

nanoparticules. Le même résultat était observable sur les autres mélanges.

116

Figure 61 – Lubrifiant observé au MEB en mode ES

Finalement, des échantillons compactés ont été observés en microscopie optique et au

microscope électronique à balayage afin d’essayer voir comment étaient réparties les

nanoparticules après la compaction. Pour les échantillons comprenant 0,6%-m de ferrite, il

n’a pas été possible de voir les nanoparticules. Pour ceux en comprenant 2,0%-m toutefois,

elles étaient très faciles à repérer. En effet, on pouvait y voir plusieurs agglomérats

relativement volumineux et on pouvait également en voir une importante quantité

distribuée entre les particules de fer. Dans certains cas, les agglomérats pouvaient atteindre

des tailles aussi grandes que 100 μm. On ne pouvait toutefois voir de différence notable

entre les différents mélanges contenant 2,0%-m de ferrite, soit les échantillons 5 à 8. La

Figure 62 présente en exemple une coupe transversale de barres provenant du mélange 6

vue au microscope optique (A) et au microscope électronique à balayage en mode électrons

rétrodiffusés (B).

117

Figure 62 - Coupe transversale au microscope optique (A) et au MEB en mode ERD (B)

Dans la figure de gauche les zones blanches correspondent aux particules de fer, les zones

grises foncées correspondent aux nanoparticules de ferrite et les zones noires correspondent

aux porosités. Dans celle de droite, les zones grises pâles correspondent au fer, celles grises

un peu plus foncées à la ferrite et celles noires aux porosités. On peut aisément y distinguer

plusieurs agglomérats et on peut également voir de la ferrite aux interfaces entre les

particules de fer. On constate cependant que la ferrite ne forme pas un revêtement continu

et uniforme. Une observation à fort grossissement de plusieurs points de contact entre les

particules de fer a permis de montrer une présence de ferrite allant de très faible à nulle. La

Figure 63 montre deux contacts interparticulaires observés au MEB en mode ES. À la

figure de gauche on ne peut y voir de ferrite et dans la figure de droite on peut en voir en

faible quantité.

118

Figure 63 – Contacts entre des particules de fer observées au MEB à en mode ES

4.2.2 – Ajout de nanoparticules avec une phase liquide

Afin de tenter d’éliminer ou de réduire la quantité d’agglomérats présents dans les

mélanges produits à la section précédente, des essais ont été faits en procédant au mélange

des poudres de fer et de ferrite dans une phase liquide. Comme mentionné à la section

3.2.2, deux mélanges ont été produits. Le premier contient un liant pour coller les particules

de ferrites à celles de fer et le second n’en contient pas. Les barres TRS produites ont été

utilisées pour mesurer la densité, la résistivité ainsi que la résistance en flexion trois points.

Ces résultats sont présentés au Tableau 26.

Tableau 26 – Ajout de ferrite avec acétone : Résistivité, densité et résistance en flexion

Échantillon

Avant TT Après TT

Résistivité

(μΩ-m)

Résistivité

(μΩ-m)

Densité

(g/cm3)

Flexion

(MPa)

1 108 4,5 6,99 54

2 119 3,5 7,01 43

Ces résultats montrent que l’ajout d’un liant pour coller les nanoparticules de ferrite aux

particules de fer n’a pas eu un effet notable sur la résistivité. En effet, pour les deux

mélanges, celles-ci sont très semblables. Avant traitement thermique, la valeur de résistivité

se situe entre celles des mélanges 1 à 4 et 5 à 8 de la section précédente. Ce qui est tout à

119

fait normal étant donné que leur concentration en ferrite est également située entre celles de

ces mêmes mélanges. C’est-à-dire que les concentrations en nanoparticules de ferrite des

échantillons 1 à 4 et 5 à 8 de la dernière section étaient de 0,6%-m et de 2,0%-m

respectivement, alors que celle des échantillons de la présente section était de 1,5%-m.

D’ailleurs, comme pour les essais de la section précédente, on peut noter une importante

chute de la résistivité pendant le traitement thermique. La seule différence notable entre les

deux mélanges réside dans la différence de résistance en flexion trois points. Celle du

premier mélange, celui contenant le liant, est plus élevée que celle du second.

Les deux mélanges ont aussi été observés au MEB afin de voir comment y étaient

distribuées les nanoparticules. Mis à part les différentes concentrations en ferrite, aucune

différence majeure n’a été remarquée entre ces mélanges et ceux de la section 4.2.1.

Comme le montre les Figure 64 et Figure 65, on y trouve toujours des agglomérats et une

mince couche plus ou moins continue de nanoparticules de ferrite à la surface des particules

de fer. La Figure 64 montre les deux derniers mélanges observés au MEB en mode

électrons rétrodiffusés. Les figures de gauche et de droite montrent les particules avec et

sans liant respectivement. On peut effectivement y retrouver des agglomérats et il semble y

en avoir autant pour chacun des deux mélanges.

Figure 64 – Derniers mélanges au MEB en mode ERD avec (A) et sans liant (B)

120

La Figure 65 montre la surface des mélanges avec (A) et sans liant (B) observée au MEB

en mode électrons secondaires. Comme à la section précédente, on y trouve une mince

couche de nanoparticules. Une observation minutieuse de la surface de la poudre 1 a permis

d’y voir la présence d’une très mince couche de liant. Des spectres rayons X n’ont pas

permis de détecter plus de carbone pour ce mélange que pour le second, ce qui indique que

la couche est effectivement très mince.

Figure 65 – Derniers mélanges au MEB en mode ES avec (A) et sans liant (B)

Même si aucune différence majeure n’a été remarquée entre ces mélanges et les précédents,

une légère différence de distribution a été notée. En effet, l’observation au MEB a montré

que le fait de procéder au mélange dans l’acétone entraîne la formation d’amas de

nanoparticules de ferrite dans les cavités des particules de fer. Ce phénomène n’a pas été

observé sur les mélanges de la section 4.2.1. La Figure 66 montre les amas en question

observés au MEB en mode ES dans les mélanges 1 (A) et 2 (B). Encore une fois, on ne

remarque pas de différence notable entre les deux mélanges, si ce n’est que la présence

d’une fine couche de liant à la surface du mélange de la figure A.

121

Figure 66 – Amas de nanoparticules au MEB en mode ES avec (A) et sans liant (B)

4.2.3 – Ajout d’une grande quantité de nanoparticules

Le but de cette dernière série d’essais était de voir l’impact de l’ajout de 5%-m de

nanoparticules de ferrite sur les propriétés des échantillons. Les manipulations s’y

rattachant ont été décrites à la section 3.2.3. Les barres TRS produites ont été utilisées pour

caractériser la résistivité, la densité et la résistance en flexion des échantillons. Le Tableau

27 donne les résultats obtenus suite à ces manipulations.

Tableau 27 – Ajout de 5%-m de ferrite : Résistivité, densité et résistance en flexion

Compaction

(MPa)

Avant TT Après TT

Résistivité

(µΩ-m)

Résistivité

(µΩ-m)

Densité

(g/cm3)

Flexion

(MPa)

620 3120 4,1 6,78 58

825 3661 4,5 6,89 63

La première chose que l’on peut remarquer à travers ces résultats est que pour la première

fois, l’ajout de nanoparticules de ferrite a permis d’atteindre une résistivité très élevée avant

traitement thermique. En effet, celle-ci surpasse de beaucoup les résistivités atteintes lors

des essais précédents. Par contre, comme toujours, après traitement thermique elle diminue

énormément et rejoint les valeurs atteintes lors des autres expériences. Par ailleurs, comme

122

on pouvait s’y attendre, la densité de ces échantillons est plus faible. Ceci est tout

simplement causé par la plus grande concentration en ferrite.

Comme pour les dernières sections, le mélange produit a été observé au microscope optique

et au microscope électronique à balayage afin de voir comment y étaient distribués les

différents constituants. L’observation a révélé que l’on trouvait encore une grande quantité

d’agglomérats. Ceci n’est pas vraiment une surprise puisque l’on a procédé au mélange

d’une manière similaire à celle de la section 4.2.1, mais en y incorporant davantage de

nanoparticules de ferrite. La Figure 67 montre le dernier mélange observé au MEB en mode

électrons rétrodiffusés. On y voit effectivement une quantité très importante d’agglomérats.

Figure 67 – Mélange comportant 5%-m de ferrite au MEB en mode ERD

Par ailleurs, l’observation à fort grossissement de la surface des particules de fer a permis

de constater qu’encore une fois la majeure partie de celle-ci était recouverte d’une mince

couche de nanoparticules. La surface en question était très similaire à celle illustrée à la

Figure 59. Finalement, l’observation d’échantillons compactés a évidemment permis de

retrouver une répartition des nanoparticules n’étant pas du tout uniforme. La Figure 68

présente une coupe transversale d’un échantillon compacté à 620 MPa observé au

microscope optique (A) et au MEB en mode ERD (B). On y trouve plusieurs agglomérats

123

de ferrite et on peut aussi remarquer qu’une couche un peu plus continue que pour les

essais précédents sépare les particules de fer les unes des autres. Ce phénomène explique

probablement la hausse très importante de la résistivité avant traitement thermique.

Figure 68 - Coupe transversale au microscope optique (A) et au MEB en mode ERD (B)

Les propriétés magnétiques du matériau ont été mesurées à l’aide d’un anneau compacté à

620 MPa. Comme expliqué à la section 3.2.3, il a été impossible de compacter un anneau à

825 MPa sans que celui-ci se brise lors de l’éjection. Les résultats obtenus sont présentés au

Tableau 28.

Tableau 28 – Ajout de 5%-m de ferrite : Propriétés magnétiques

Compaction

(MPa)

B μmax

Hc Br Pertes (W/kg)

(T) (A/m) (T) 60 Hz 400 Hz

620 1,10 223 386 0,020 13,5 137

En comparant les pertes magnétiques obtenues à celles obtenues précédemment pour des

échantillons ayant été compactés à 620 MPa et traité thermiquement à 500°C pendant 30

minutes dans l’argon (voir l’échantillon 2 compacté à 620 MPa du Tableau 18), on constate

qu’elles sont un peu plus élevées, en particulier pour les pertes mesurées à 400 Hz. Il est

intéressant de remarquer que les propriétés magnétiques sont généralement meilleures pour

le mélange contenant les nanoparticules de ferrite. C’est-à-dire que son induction et sa

perméabilité sont plus élevées alors que son champ coercitif est plus faible. Malgré tout, ses

124

pertes magnétiques sont plus élevées. Ceci est attribuable à la résistivité plus faible de ces

échantillons.

125

5 – Discussion

Cette section fera un retour sur les résultats obtenus au cours de ce projet et ceux-ci seront

ensuite analysés afin d’en tirer des conclusions. La structure de ce chapitre sera très

similaire à celles des deux chapitres précédents. Celui-ci sera séparé en deux grandes

sections, la première portant sur la technique du placage de la ferrite et l’autre sur l’ajout de

nanoparticules.

5.1 – Placage de la ferrite

Les expériences faites sur le placage de la ferrite se séparent en cinq sections. Dans un

premier temps, on évaluera la technique à utiliser pour procéder au dépôt de la ferrite.

Ensuite, on déterminera le traitement de surface à effectuer sur les particules de fer avant la

déposition. Puis, on choisira les conditions à utiliser lors du traitement thermique. Par

après, on traitera des deux variantes du procédé qui furent étudiées plus tôt, soit le tamisage

et la compaction à tiède. On discutera par la suite de l’importance de la résistivité par

rapport aux propriétés magnétiques dans le but de réduire les pertes. Enfin, une synthèse

sera faite sur l’ensemble des manipulations réalisées dans cette partie du projet afin de les

comparer entre elles et de déterminer laquelle a donné les meilleurs résultats et afin

également de discuter des changements à apporter à la technique dans le cadre de travaux

futurs.

5.1.1 – Choix de la méthode de déposition

Pour déterminer quelle méthode de déposition utiliser pour synthétiser le revêtement de

ferrite, deux premières méthodes furent envisagées. Celles-ci furent inspirées de techniques

décrites dans la littérature. Cependant, elles eurent à être ajustées en fonction du substrat

utilisé, c’est-à-dire, des particules de fer atomisées à l’eau. Pour ce faire, une troisième

126

technique, développée à partir d’une combinaison des techniques précédentes, fut

investiguée. Les prochaines sections présenteront d’abord une comparaison entre les deux

premières techniques utilisées. Cette comparaison mènera à certaines modifications de la

deuxième technique. Ensuite, les résultats obtenus seront discutés.

5.1.1.1 – Comparaison entre les deux premières techniques

Les résultats obtenus aux sections 4.1.1.1 et 4.1.1.2 ont montré que chacune des deux

techniques avait mené à la formation d’un dépôt de ferrite. On a d’ailleurs pu constater que

celui de la première technique était en fait plus épais que celui de la seconde. Cependant,

les dépôts produits n’étaient pas uniformes ni continus. Par ailleurs, au terme des essais

effectués, des précipités de ferrite ont été retrouvés en grande quantité en suspension dans

la solution de réaction. Comme mentionné dans la littérature, ceci provient d’une formation

trop rapide de la ferrite. En effet, comme expliqué à la référence [40], si la réaction est trop

rapide, elle aura tendance à entraîner la formation de précipités au sein de la solution plutôt

qu’un dépôt à la surface du substrat. Pour la ralentir, il faut éviter que tous les facteurs

nécessaires à la formation des précipités soient présents simultanément. Pour une

température donnée, trois conditions sont requises pour que débute la formation du spinelle

de la ferrite. On doit avoir une quantité suffisante d’ions métalliques (Fe2+

et autres si

nécessaire) et d’agent oxydant et un pH supérieur à 6. Différents facteurs expérimentaux

auront un impact sur ces trois valeurs. C’est le cas notamment des conditions d’agitation,

de la présence d’ultrasons et, surtout, de la nature du substrat. Étant donné les

caractéristiques de la poudre de fer utilisée, une vitesse de formation très lente est

nécessaire.

Pour contrôler la vitesse de réaction, trois options sont donc possibles. La première option

consiste à mettre les ions métalliques et l’agent oxydant dès le départ dans la solution de

réaction et ensuite d’ajouter une solution basique afin de faire grimper le pH. Ainsi, au

départ la réaction ne peut se produire puisque le pH est trop faible et du moment que le pH

atteint la valeur nécessaire, la réaction débute. Ce procédé correspond à la deuxième

127

technique, soit celle décrite à la section 3.1.1.2. Le problème avec celle-ci est que du

moment que le pH atteint la valeur requise, si la concentration en ions métalliques et en

agent oxydant est suffisamment élevée, la réaction peut débuter très rapidement et entraîner

tout de même la précipitation de la ferrite. Ce fut fort probablement le cas pour la deuxième

technique.

La deuxième option quant à elle consiste à mettre l’agent oxydant dès le départ dans la

solution de réaction, ensuite à ajuster le pH et finalement à ajouter les ions métalliques. De

cette façon, la réaction se produit au fur et à mesure que les ions métalliques sont ajoutés à

la solution de réaction. Cette méthode correspond à la première technique utilisée (section

3.1.1.1). Le problème avec cette technique est que l’ajout des ions métalliques a pour effet

de faire varier considérablement le pH et il est compliqué de le maintenir constant sans le

faire trop augmenter.

Finalement, la troisième option consiste à mettre les ions métalliques en solution, à ajuster

le pH et ensuite à ajouter l’agent oxydant. De cette façon, la ferrite ne peut se former avant

que l’on introduise l’agent oxydant dans la solution de réaction. On doit cependant garder

en tête que l’oxygène agit comme oxydant et qu’il peut entraîner la précipitation de la

ferrite. À cet égard, il importe de retirer l’oxygène dissous dans la solution de réaction

avant d’y introduire les ions métalliques. Il est possible d’y arriver en faisant barboter de

l’azote dans la solution de réaction pendant 30 minutes avant d’y introduire le substrat et

les chlorures et en continuant d’en faire barboter tout au long de la réaction. De la sorte, en

ajoutant une faible quantité de nitrite d’azote (NaNO2) à la solution de réaction, on devrait

arriver à contrôler la vitesse de formation de la ferrite et limiter la formation de précipités.

Donc, étant donné les résultats obtenus suite aux manipulations des sections 3.1.1.1 et

3.1.1.2, il serait préférable d’essayer la technique décrite à la troisième option. Le montage

requis et les manipulations sont relativement similaires à ceux de la deuxième technique

employée, mais avec des changements majeurs. D’abord l’agent oxydant est ajouté

tranquillement tout le long de l’expérience plutôt que dès le début. Comme mentionné plus

128

haut, ceci implique de faire barboter de l’azote dans la solution de réaction avant et pendant

la déposition. Ensuite, afin de limiter la vitesse de formation, il est jugé préférable

d’effectuer les manipulations à température ambiante, sans ultrasons et avec des

concentrations en ions métalliques légèrement inférieures à celles utilisées précédemment.

Pour les prochains essais, afin de pouvoir produire des échantillons et en mesurer la

résistivité, 75g de poudre de fer seront traités simultanément.

Finalement, toujours dans le but de favoriser la formation de la ferrite à la surface des

particules de fer, il a été décidé d’effectuer un traitement de surface sur celles-ci. Dans

certains articles de M. Abe ([41] à [44]), il est mentionné qu’une attaque à l’aide d’une

solution acide a été faite à la surface des échantillons à recouvrir. On ne retrouve

malheureusement dans la littérature aucun détail quant à la nature de l’attaque en question.

On a donc décidé de faire une attaque à l’acide chlorhydrique 10%-vol sur la poudre avant

la déposition.

En conclusion, les techniques étudiées jusqu’à maintenant n’ont pas permis d’obtenir le

résultat désiré. Cela dit, elles ont tout de même permis de mieux comprendre le phénomène

derrière la déposition de la ferrite et certaines modifications seront apportées à la deuxième

techniques afin de favoriser le dépôt de la ferrite à la surface des particules de fer plutôt que

de précipité au sein de la solution.

5.1.1.2 – Technique retenue

En regard des résultats recueillis à la section 4.1.1.3, on peut voir que les modifications

apportées ont porté fruit. L’observation au MEB a montré la présence d’un revêtement

épais, continu et relativement uniforme. Conséquemment, la résistivité est au rendez-vous.

Celle-ci est considérablement plus élevée que celle des échantillons sans revêtement (5571

μΩ-m comparativement à 15μΩ-m). Les spectres de diffraction des rayons X ont d’ailleurs

confirmé qu’il s’agissait bel et bien de ferrite. Le seul problème avec ces résultats est qu’il

est très difficile de déterminer s’il s’agit de magnétite ou de ferrite NiZn. La raison étant

129

que les spectres de ces deux matériaux sont très similaires et, puisque l’on ne travaille pas

avec une substance pure mais plutôt avec un mélange de fer et de ferrite, il est difficile de

distinguer les matériaux les uns des autres seulement par DRX.

Pour remédier à ce problème, des tests de spectrométrie d’absorption atomique et d’analyse

d’oxygène ont été effectués afin de connaître la composition chimique du revêtement. Les

résultats ont révélé qu’il s’agissait principalement de magnétite (92%-m) et d’un faible

pourcentage de ferrite Ni (5%-m) et de ferrite Zn (3%-m). Il y a place ici à amélioration

puisque, comme on peut le voir au Tableau 4, la ferrite NiZn est plus résistive que la

magnétite par plusieurs ordres de grandeur (1010

μΩ-m vs 40 μΩ-m). On aurait donc

avantage à augmenter les proportions de ferrites Ni et Zn afin de faire grimper la résistivité

du matériau. Quoiqu’il en soit l’épaisseur et la continuité du revêtement ont tout de même

permis d’obtenir une résistivité très élevée.

Les calculs faits à partir des concentrations en nickel, en zinc et oxygène ont également

permis d’obtenir l’épaisseur théorique moyenne du revêtement. Celle-ci se base sur

quelques hypothèses. On considère que la totalité des atomes de zinc, de nickel et

d’oxygène sont sous forme de ferrite et que l’épaisseur du revêtement est beaucoup plus

faible que le diamètre moyen de la poudre. On peut supposer que chacune d’elles est

respectée. En effet, bien que les atomes de Ni, Zn et d’O ne sont probablement pas tous

présents sous forme de ferrite, les résultats de DRX ont montré que c’était certainement le

cas pour une importante portion d’entre eux. Par ailleurs, étant donné le diamètre moyen

des particules de fer utilisées (environ 80 µm) et l’épaisseur mesurée du revêtement (de

l’ordre de quelques microns), on sait que la seconde hypothèse est également respectée. Or,

si on compare la valeur calculée, soit 890 nm, à celle mesurée au MEB qui était de l’ordre

de 2 µm, on note une importante différence. On ne peut attribuer cette différence aux

données expérimentales. Effectivement, les mesures de BET, de spectrométrie d’absorption

atomique et de concentration d’oxygène ont témoigné d’une excellente répétabilité tout au

long du projet. Il faut plutôt regarder les valeurs théoriques employées, plus précisément, la

densité de la ferrite utilisée. Tel que mentionné à l’annexe A, la densité utilisée pour le

130

revêtement était de 5,0 g/cm3. Il s’agit là de la densité théorique de la magnétite. Toutefois,

les images de microscope électronique à transmission présentées à la section 4.1.3.2

montrent que le revêtement était en fait poreux. Ceci implique que la densité réelle du

revêtement est plus faible que la densité théorique. Selon les résultats obtenus, comme

l’épaisseur calculée du revêtement est environ deux fois plus petite que celle mesurée, on

peut croire que la densité réelle du revêtement est approximativement deux fois plus petite

que la densité théorique, soit de l’ordre de 2,5 g/cm3. C’est donc probablement ce

phénomène qui est à l’origine de la différence entre l’épaisseur mesurée et l’épaisseur

calculée du revêtement.

Un autre point intéressant à soulever par rapport aux résultats obtenus concerne les densités

absolues et relatives des deux mélanges. En comparant leur densité absolue, la poudre sans

revêtement semble être beaucoup plus compressible que celle recouverte de ferrite. Or, en

jetant un coup d’œil aux densités relatives calculées, on constate qu’il n’en est rien. En

effet, celles-ci sont pratiquement identiques. Ce résultat s’explique par le fait que, dans le

second mélange, on retrouve une quantité importante de ferrite (approximativement 10%-

m) et que celle-ci a une densité absolue inférieure au fer. Ceci fait en sorte que la densité

absolue théorique du second mélange est inférieure à celle du premier. En outre, il est à

noter que, malgré les densités relatives similaires, les propriétés magnétiques du second

mélange seront fort probablement inférieures à celles du premier. Cette différence

s’explique par la perméabilité et surtout la magnétisation à saturation plus faible de la

ferrite comparativement au fer. À cet égard, il est possible qu’il soit préférable de réduire

l’épaisseur du revêtement, quitte à diminuer la résistivité du matériau, afin d’obtenir des

propriétés magnétiques supérieures.

Pour conclure, les modifications apportées suite aux essais discutés à la section précédente

ont porté fruit. Cette fois, la technique utilisée a permis de produire un revêtement de ferrite

uniforme et continu d’environ 2 µm. Les résultats de DRX ont toutefois montré que,

contrairement à ce à quoi on s’attendait, le revêtement n’était pas constitué majoritairement

131

de ferrite NiZn, mais plutôt de magnétite. Ce qui implique que, malgré sa résistivité déjà

élevée, le revêtement n’est probablement pas aussi résistif qu’il aurait pu l’être.

5.1.2 – Choix du traitement de surface

Le deuxième aspect évalué dans le cadre du projet sur le placage de la ferrite fut le

traitement de surface à utiliser. En effet, des essais préliminaires dont les résultats n’ont pas

été inclus dans ce mémoire ont montré que le traitement de surface était un élément

prédominant dans la synthèse d’un revêtement de ferrite. Ces essais avaient pour but

d’évaluer différents aspects du procédé de placage afin d’améliorer les propriétés finales du

matériau. Les aspects en question étaient notamment le traitement de surface à effectuer

avant la déposition, les concentrations en ions métalliques (Fe2+

, Ni2+

, Zn2+

) à mettre dans

la solution de réaction, la température à utiliser pendant le placage et quelques autres.

Cependant, tous les traitements de surface n’ont pas été faits exactement de la même façon

pour chaque essai et cela a fait en sorte qu’il a été impossible de tirer des conclusions

précises sur les aspects mentionnés ci-haut. En fait, la seule conclusion que ces résultats ont

permis de tirer est que la préparation de la surface des particules de fer a un impact majeur

sur les propriétés finales du revêtement. C’est pour cette raison qu’une étude relativement

poussée a été faite spécifiquement sur cette étape.

5.1.2.1 – Comparaison entre les traitements de surface

La première étape de cette étude avait pour but de comparer six traitements de surface

différents. Dans tous les cas, le rôle de celui-ci devait être de favoriser la formation de la

ferrite à la surface de la poudre plutôt que la précipitation au sein de la solution. Comme

mentionné précédemment, aucun détail n’était donné dans la littérature à propos de la

nature exacte du traitement de surface utilisé outre le fait qu’il s’agissait d’une attaque à

partir d’une solution acide. Deux types d’attaque à l’acide ont été choisis à partir d’acides

très communs. Dans un cas l’attaque a été faite à partir d’acide chlorhydrique 10%-vol

dilué dans l’éthanol et dans l’autre elle a été faite à partir d’acide nitrique 2%-vol

132

également diluée dans l’éthanol. L’éthanol a été choisi comme solvant plutôt que l’eau

parce que des essais préliminaires avaient montré qu’il prévenait la formation de rouille et

d’agglomérats lors du séchage de la poudre après l’attaque.

En plus de l’attaque à l’aide d’une solution acide, un autre traitement a été envisagé afin de

favoriser la formation de la ferrite à la surface des particules de fer. Comme la réaction en

question peut nécessiter la présence de groupes hydroxydes à la surface du substrat, il est

justifié de croire que le début de celle-ci peut être facilité si on en retrouve dès le départ à la

surface. En ce sens, certains lots de poudre ont été laissés dans l’eau bouillante pendant une

heure. Ce traitement devait normalement avoir pour effet d’entraîner la formation d’oxyde

et d’hydroxyde de fer à la surface des particules de fer.

En guise de comparaison, un placage a également été fait sur des particules n’ayant subi

aucun traitement. La combinaison des deux attaques présentées plus haut et du traitement

dans l’eau bouillante a donné naissance au plan d’expériences présenté au Tableau 6, soit

six traitements de surface différents.

Les résultats obtenus pour cette série d’expériences ont été présentés à la section 4.1.2.1.

On peut constater de grandes différences de composition, d’épaisseur et de résistivité d’un

traitement à l’autre, ce qui vient confirmer l’importance du traitement de surface.

Notamment, on constate que le fait de faire une attaque à l’acide chlorhydrique augmente

considérablement la résistivité, soit d’un facteur d’environ 2,5 (échantillon 2 vs 1). Il s’agit

d’ailleurs du traitement ayant permis d’obtenir la meilleure résistivité, soit 112 µΩ-m. Cette

augmentation s’explique par l’accroissement de l’épaisseur du revêtement par un facteur

2,25 (290 nm comparativement à 130 nm). Comme à la section précédente, l’épaisseur

réelle doit probablement être deux fois plus grande que celle-ci. Quoiqu’il en soit, cette

valeur peut tout de même être utilisée à titre indicatif. Cette hausse de l’épaisseur du

revêtement est également accompagnée d’une chute importante de la concentration en

ferrite NiZn au profit de la magnétite. Normalement, une diminution de la proportion en

133

ferrite NiZn aurait dû être accompagnée d’une chute notable de la résistivité [42].

Cependant, celle-ci est masquée par l’augmentation de l’épaisseur.

En comparant les valeurs de résistivité obtenues à celles de la section précédente, on

remarque que celles-ci sont beaucoup plus faibles. La principale raison pour laquelle on

note une aussi grande différence est que les revêtements produits cette fois sont beaucoup

plus minces. La seule différence entre la technique utilisée pour produire la poudre de la

section 3.1.1.3 et celle de l’échantillon 2 des derniers essais est que, dans ce cas-ci, l’acide

chlorhydrique a été dilué dans l’éthanol alors qu’au test précédent il fut dilué dans l’eau.

Ceci semble indiquer que la formation d’une légère quantité de rouille et,

malheureusement, d’agglomérats due à l’utilisation de l’eau comme solvant est

probablement favorable à la formation de la ferrite.

Contrairement au traitement à base de HCl, l’attaque à l’acide nitrique a eu pour effet de

diminuer la résistivité à peu près de moitié (échantillon 3 vs 1). Cette différence de

résistivité s’explique encore par une variation d’épaisseur. Celle-ci est passée de 130 nm à

60 nm. Cette attaque a aussi permis d’augmenter considérablement la proportion de ferrite

NiZn présente dans la poudre. Cependant, la hausse de résistivité qu’elle aurait dû entraîner

a été contrée par la diminution de l’épaisseur du revêtement.

En ce qui a trait au traitement dans l’eau bouillante, on constate que celui-ci a eu un impact

très positif sur l’échantillon sans attaque (échantillon 4 vs 1) et pour l’échantillon attaqué à

l’acide nitrique (échantillon 6 vs 3). Effectivement, celui-ci a entraîné une augmentation de

la résistivité de 76% et de 63% respectivement. Dans les deux cas, une fois de plus, cette

hausse s’explique par une augmentation de l’épaisseur. De plus, la concentration en ferrite

NiZn a encore diminué pour chacun des mélanges. Pour ces deux échantillons, la théorie

selon laquelle la couche d’oxyde et d’hydroxyde de fer engendrée par le traitement dans

l’eau bouillante favoriserait la formation de la ferrite s’avère vraie. Étonnamment, pour

l’attaque à l’acide chlorhydrique, ce dernier a plutôt l’effet opposé. C’est-à-dire qu’il

entraîne une diminution de la résistivité causée par la réduction de l’épaisseur du

134

revêtement. Comme on peut maintenant s’y attendre, cette diminution d’épaisseur est aussi

accompagnée d’une hausse de la proportion de ferrite NiZn dans le dépôt, mais une fois de

plus la hausse de résistivité qui aurait due l’accompagner est masquée par la diminution de

l’épaisseur du revêtement.

Il est très difficile d’expliquer exactement pourquoi le traitement de surface dans l’eau

bouillante n’a pas eu le même résultat pour les trois types de poudres. On peut toutefois

tenter d’expliquer ce résultat de la façon suivante. Chacun des échantillons 1, 2 et 3 a une

chimie de surface qui lui est propre. Il s’agit probablement dans les trois cas d’une couche

plus ou moins épaisse d’un mélange d’oxydes, d’hydroxydes et d’autres molécules

adsorbées dont la formation a été causée soit par l’attaque à l’acide pour les échantillons 2

et 3 ou par l’exposition à l’air pour l’échantillon 1. Le traitement dans l’eau bouillante a

nécessairement eu pour effet de modifier cette chimie de surface en y rajoutant d’autres

oxydes ou hydroxydes. Puisque pour l’échantillon sans attaque et celui attaqué au HNO3

l’eau bouillante a entraîné une hausse de la résistivité, on peut conclure que la chimie de

surface qu’elle produit facilite la formation de la ferrite comparativement à celle qu’avait

ces deux échantillons au départ. À l’inverse, la comparaison des résultats obtenus pour les

échantillons attaqués à l’acide chlorhydrique (2 et 5) indique que la chimie de surface

formée par l’attaque au HCl permet à la ferrite de se former plus facilement que celle

formée par le traitement à l’eau bouillante.

Dans un autre ordre d’idée, tous les résultats obtenus présentés plus haut ont montré qu’une

hausse de la résistivité était accompagnée par l’augmentation de l’épaisseur du revêtement

et une diminution de la concentration en ferrite Ni et Zn. On pouvait déjà s’attendre à ce

que l’augmentation de l’épaisseur du revêtement entraîne l’augmentation de la résistivité.

Tel qu’illustré à la Figure 69, selon la loi des mélanges, la résistivité du matériau devrait

augmenter de manière linéaire avec l’augmentation de la concentration en ferrite. Ce serait

le cas si les deux phases en présence étaient dispersées de manière aléatoire à travers le

matériau. Or, dans le cas présent, la ferrite n’est pas du tout dispersée de manière aléatoire

135

et on doit également tenir compte des porosités. Pour ces raisons, comme illustré au

graphique de la Figure 70, la relation n’est pas du tout linéaire.

Figure 69 – Loi des mélanges fer- ferrite

Figure 70 – Relation entre la résistivité et l’épaisseur des revêtements

136

Pour les composites magnétiques doux à base de poudre métallique, la résistivité du

matériau est grandement influencée par la présence des contacts directs entre les particules

de fer (appelés contacts fer-fer). Pour les échantillons ayant un revêtement de ferrite très

mince, comme c’est le cas pour l’échantillon 3, il est très probable que l’on retrouve un très

grand nombre de ces contacts. C’est ce qui explique pourquoi sa résistivité n’est pas

beaucoup plus élevée que celle d’un échantillon fait à partir d’une poudre sans revêtement.

Ceci est d’autant plus vrai que l’on sait que le revêtement n’est pas toujours très uniforme

et continu. À l’inverse, avec un revêtement suffisamment épais, on peut arriver à réduire

considérablement leur nombre et ainsi obtenir une résistivité des plus intéressantes comme

ce fut le cas à la section 4.1.1.3.

Par ailleurs, bien que les résultats obtenus jusqu’à présent semblent indiquer que la

résistivité augmente avec la diminution de la concentration en ferrite NiZn, les travaux

présentés à la référence [42] ont clairement démontré que ce n’était pas le cas. Comme

mentionné précédemment, dans tous les cas, la chute de résistivité qu’aurait dû entraîner la

diminution de concentration a été accompagnée d’une augmentation de l’épaisseur du

revêtement. La raison qui explique ce phénomène est probablement due au fait que lorsque

la couche de ferrite devient suffisamment épaisse, tous les ions de Ni2+

et de Zn2+

en

solution ont déjà été utilisés et il ne peut alors se former que de la magnétite. Une solution

envisageable pour régler ce problème serait donc d’utiliser une plus grande concentration

en nickel et en zinc dans la solution de réaction. Il faut toutefois mentionner que les

concentrations utilisées dans le cadre de ce projet étaient tirées de la littérature et qu’elles

n’étaient pas nécessairement optimisées pour le cas présent. Cela dit, cette optimisation

requiert beaucoup de temps et elle pourra être étudiée dans le cadre de travaux futurs.

La surface des particules a également été étudiée par spectrométrie photoélectronique X

après le traitement de surface (mais avant la déposition du revêtement de ferrite) afin de

mieux connaître son impact sur leur chimie de surface. Ces résultats ont été présentés au

Tableau 11. Comme on peut le voir, on retrouve une importante quantité d’oxygène et de

carbone à la surface. On pouvait s’attendre à retrouver de l’oxygène sur les particules

137

attaquées ou laissées dans l’eau bouillante à cause de la couche d’oxyde formée lors de ces

traitements. Par contre, il est très étonnant d’en retrouver une quantité aussi importante, en

particulier sur celle n’ayant subi aucun traitement. Il est très fréquent lors de la

caractérisation au XPS de métaux purs de retrouver ces éléments. Il s’agit en fait d’une

couche d’oxyde et d’impuretés découlant de l’exposition des échantillons à l’air.

Typiquement, plus le métal examiné est pur, plus il y aura d’impuretés de carbone et

d’oxygène. À l’opposé, si un autre composé moins réactif est présent en surface, comme

une couche d’oxyde par exemple, la quantité d’impuretés provenant de l’air tend à

diminuer. Par conséquent, puisque l’échantillon 1 correspond à l’ATOMET 580 sans

traitement, il est normal que celui-ci possède la plus grande proportion en impuretés à base

de carbone. D’autre part, pour les autres mélanges on peut voir la concentration en oxygène

augmenter et celle en carbone diminuer. On peut donc supposer que les traitements

effectués ont eu pour effet de former une couche d’oxyde à la surface des particules.

Les spectres obtenus par la caractérisation au XPS ont également été étudiés plus en détails

afin de trouver comment était lié l’oxygène. Les résultats ont été présentés au Tableau 12.

Ceux-ci ont montré que tous les traitements, sauf celui à base d’acide nitrique, ont eu pour

effet d’augmenter la composition totale en oxygène sous forme ionisée et de diminuer celle

en oxygène sous forme de groupes hydroxydes. Le traitement à l’acide nitrique était

d’ailleurs le seul à avoir entraîné une diminution de résistivité. Dans tous les cas, puisque

les deux principaux types de liaisons de l’oxygène sont sous la forme ionique et de groupes

hydroxydes, l’augmentation de l’un entraîne inéluctablement la diminution de l’autre.

D’autre part, le traitement à l’eau bouillante a eu pour effet d’augmenter la composition

totale en oxygène sous forme ionisée et de diminuer celle en groupes hydroxydes pour les

poudres non attaquées et pour celles attaquées au HNO3. Comme pour la résistivité, les

poudres attaquées au HCl sont les seules à avoir été affectées différemment par le

traitement dans l’eau bouillante. En effet, pour ces dernières, le traitement a plutôt eu pour

effet de réduire la concentration en oxygène sous forme ionisée et d’augmenter la quantité

de groupes hydroxydes.

138

Ces variations indiquent clairement un lien entre la concentration en O2-

et la résistivité du

matériau. Comme le montre le graphique de la Figure 71, on peut effectivement constater

une relation linéaire entre ces deux paramètres. Celle-ci n’est certes pas parfaite (R2 =

0,71), mais elle permet tout de même d’établir un lien entre ces deux paramètres. On peut

traduire cette relation en disant que la présence d’oxygène ionisé à la surface des poudres

de fer avant la déposition a pour effet de favoriser la formation d’un revêtement de ferrite

résistif. On a également essayé d’établir un lien entre l’épaisseur du revêtement et la

concentration en O2-

, mais celui-ci est beaucoup moins convaincant (R2 = 0,48). On pouvait

s’y attendre étant donné que l’on savait que, dans le cas présent, la relation entre l’épaisseur

du revêtement et sa résistivité n’était pas linéaire (voir Figure 70).

Figure 71 – Relation entre la concentration totale en O2- et la résistivité

En résumé, les résultats obtenus dans cette section ont indiqué que le traitement de surface

permettant d’obtenir le revêtement le plus résistif était le traitement dans l’acide

chlorhydrique. Il a d’ailleurs été observé que la variation de résistivité entraînée par les

différents traitements était due au changement d’épaisseur du revêtement. De plus,

l’analyse de la chimie de surface des différents lots de poudre avant la déposition a révélé

que la résistivité finale des échantillons augmentait avec l’augmentation de la concentration

139

en oxygène sous la forme ionique (O2-

) et avec la diminution de la concentration en groupes

OH.

5.1.2.2 – Comparaison avec la technique de M. Abe

Comme mentionné précédemment, la meilleure technique trouvée à la section précédente,

soit celle à base d’acide chlorhydrique, a été comparée à la technique employée par M. Abe

et ses collègues. Celle-ci n’était décrite dans aucun article et a été connue en communiquant

personnellement avec M. Abe. Le traitement en question consistait à faire une attaque à

l’acide chlorhydrique 1 mol/L (approximativement 3%-vol) diluée dans l’eau plutôt que

dans l’éthanol. L’attaque a également été faite à 60°C et en absence d’oxygène. Les

propriétés des échantillons ainsi produits ont ensuite été comparées à celles d’échantillons

ayant subi un traitement de surface au HCl 10%-vol dilué dans l’éthanol.

Les résultats relatifs à cette comparaison ont été présentés à la section 4.1.2.2. Ceux-ci ont

révélés que l’attaque suggérée par M. Abe permettait effectivement d’augmenter

considérablement la résistivité du matériau. L’observation au MEB a permis de constater

que cette hausse était encore une fois attribuable à l’augmentation de l’épaisseur du

revêtement. Toutefois, contrairement à ce qui avait été observé plus tôt, la hausse de

résistivité n’a pas été accompagnée d’une augmentation de la concentration en oxygène

sous forme ionisée O2-

et d’une diminution de la concentration en groupes OH. En fait, la

chimie de surface des deux types de poudre après l’attaque était très similaire. On note une

légère diminution de la concentration en carbone à la surface des poudres attaquées en

l’absence d’oxygène. Ceci dénote généralement une augmentation de l’épaisseur de la

couche d’oxyde formée lors de l’attaque. On remarque aussi une très légère diminution de

la concentration totale en O2-

. Il est très étonnant que la chimie de surface des deux poudres

soit aussi semblable avant la déposition puisque leur résistivité finale est très différente.

Quoiqu’il en soit, la technique employée par M. Abe permet effectivement d’augmenter la

résistivité, mais il est très difficile d’expliquer pourquoi il en est ainsi.

140

Par ailleurs, la résistivité obtenue pour l’échantillon traité avec la technique de la section

précédente a beaucoup varié par rapports aux résultats obtenus antérieurement. En effet, la

résistivité est passée de 112 µΩ-m à 217 µΩ-m (échantillon 1-DW). Pourtant, les

manipulations sont demeurées sensiblement les mêmes. La seule et unique différence est

qu’à la section précédente 75g de poudre furent traitées alors que cette fois-ci on en traita

300g. Ce changement a apparemment eu un impact majeur sur l’ensemble du procédé. Ceci

s’explique par deux principaux facteurs. Tout d’abord, en ayant une quantité plus

importante de poudre à attaquer pendant le traitement à l’acide, il est plus difficile de rincer

efficacement les particules. Ce qui fait en sorte que l’attaque a probablement duré plus

longtemps que trente secondes comme ce fut le cas lorsque seulement 75g de poudre étaient

traités. Cette différence à elle seule peut avoir comme impact de changer radicalement la

chimie de surface des particules. D’autre part, l’augmentation de la quantité de poudre

implique une augmentation de la surface à recouvrir de ferrite, ce qui peut changer toute la

dynamique de la réaction et changer le taux de déposition de la ferrite. Ultimement, ces

deux facteurs ont eu pour effet de diminuer la densité et, du même coup, augmenter la

résistivité.

Un autre phénomène particulièrement étonnant qu’ont montré ces résultats est l’importance

de la chute de résistivité lors du traitement thermique. Effectivement, bien que les deux

mélanges étudiés avaient des résistivités très différentes au départ, après traitement

thermique, elles chutent considérablement vers des valeurs similaires. Comme expliqué

dans la revue de littérature, il est normal que le traitement thermique entraîne une

diminution de la résistivité, mais il est étonnant qu’elle soit aussi importante. Afin d’en

déterminer la cause, une étude visant à optimiser le traitement thermique a été effectuée et

est présentée à la section 5.1.3.

D’autre part, les résultats présentés au Tableau 13 ont montré que l’ajout de lubrifiant était

généralement bénéfique pour les résistivités avant et après traitement thermique. En effet,

pour les deux mélanges étudiés, on note que l’ajout de 0,5%-m de Kenolube a pour effet

d’augmenter la résistivité avant et après traitement thermique. Ce gain en propriété est

141

expliqué par le fait que, d’une part, le lubrifiant agit à titre d’isolant électrique permettant

d’isoler les particules les unes des autres et que, d’autre part, il permet de préserver

l’intégrité du revêtement en diminuant les forces de frottement interparticulaires. D’ailleurs,

dans le cadre d’une étude plus extensive sur le sujet, il serait très pertinent de procéder à

l’optimisation de la quantité de lubrifiant à employer pour une application particulière.

Les résultats ont également permis de comparer les propriétés physiques d’un matériau

pour deux pressions de compaction différentes, soit 620 MPa et 825 MPa. En théorie, on

devrait s’attendre à ce que l’augmentation de la pression de compaction entraîne une hausse

de la densité et du nombre de contacts fer-fer. Pour des raisons évidentes, ces phénomènes

entraîneraient nécessairement une diminution de la résistivité. C’est d’ailleurs ce qui fut

observé pour l’échantillon 2, soit celui préparé avec l’attaque de M. Abe. Toutefois, contre

toute attente, pour le premier échantillon on a trouvé le phénomène contraire. Comme trois

échantillons ont été compactés dans chaque cas, que la déviation standard était inférieure à

10% et que les mesures de résistivité ont été reprises une seconde fois, on peut exclure la

possibilité d’une erreur de mesure. De plus, les échantillons compactés à 620 MPa et à 825

MPa ont tous été compactés à partir du même lot de poudre. Ce qui permet d’exclure la

possibilité que les poudres n’aient pas été préparées de la même façon ou qu’un des

mélanges ait été confondu avec un autre type de poudre. Par ailleurs, on peut également

exclure la possibilité d’une erreur de pression de compaction étant donné que les densités

coïncident avec les valeurs attendues. Bref, avec les informations dont on dispose, on ne

peut vraiment expliquer pourquoi la relation entre la résistivité et la pression de compaction

ne correspond pas avec la théorie pour cet échantillon.

Dans un autre ordre d’idée, les propriétés des échantillons faits à partir d’une poudre

attaquée mais non revêtue ont également été mesurées (échantillons 1-AT et 2-AT). Ceux-

ci ont montré qu’une simple attaque à l’acide chlorhydrique permettait d’augmenter

beaucoup la résistivité du matériau, en particulier pour la deuxième technique. Cette hausse

de résistivité peut être expliquée à partir des résultats de spectrométrie photoélectronique X

obtenus plus tôt. Effectivement, ils ont montré que l’attaque au HCl entraînait la formation

142

d’une couche d’oxyde ou d’hydroxyde à la surface des particules. Celle-ci étant plus

résistive que le fer, elle entraîne donc nécessairement l’augmentation de la résistivité des

échantillons tel qu’observé au Tableau 13. Ceci étant dit, il pourrait être très intéressant de

caractériser des anneaux de poudres ayant simplement été attaquées à l’acide

chlorhydrique. Cette étude sortirait des objectifs du projet, or elle pourrait s’avérer très

intéressante dans le cadre de travaux futurs.

Finalement, les propriétés magnétiques des échantillons furent déterminées et sont

présentées au Tableau 16. Comme mentionné à la section 4.1.2.2, les résultats ont montré

un phénomène très surprenant. De manière générale, on peut diminuer les pertes

magnétiques engendrées par un champ magnétique variable en augmentant l’induction, la

perméabilité, la résistivité et en diminuant le champ coercitif. Or, en comparant les deux

échantillons compactés à 620 MPa, on constate le phénomène contraire. Les résultats

obtenus lors de la caractérisation magnétique ont généralement une déviation standard

inférieure à 10%, donc on peut exclure la possibilité d’une erreur de mesure. De plus, toutes

les mesures de propriétés (induction, perméabilité, champ coercitif et pertes) sont

effectuées à partir du même montage. Ceci permet donc d’exclure la possibilité d’une

erreur de manipulation d’une mesure à l’autre. Comme les pertes magnétiques dépendent

directement de l’aire sous la courbe d’hystérésis, aucune propriété autre que celles

mesurées ne peut avoir une influence sur cette mesure. Donc, à partir des données

recueillies, on ne peut malheureusement déterminer pourquoi la théorie n’a pas été

respectée entre ces échantillons.

Par ailleurs, les essais de caractérisation magnétique ont aussi permis de voir l’effet de

l’augmentation de la pression de compaction sur les propriétés magnétiques en comparant

les échantillons compactés à 620 MPa et 825 MPa. Comme prévu par la théorie, ces

résultats ont montré que la hausse de densité qui en découle a pour effet d’augmenter

l’induction, la perméabilité et de diminuer le champ coercitif. Tous ces éléments font en

sorte que les pertes magnétiques générées par l’induction d’un champ magnétique variable

à 60 Hz et à 400 Hz sont réduites. Il est à noter toutefois que normalement l’augmentation

143

de la pression de compaction devrait avoir pour effet d’augmenter le champ coercitif du

matériau. Ceci est normalement causé par l’augmentation du nombre de défauts présents

dans le réseau cristallin qu’entraînent les déformations plus importantes associées à

l’accroissement de la pression. Cela dit, le traitement thermique de 30 minutes a pour effet

de réduire ce nombre et du même coup diminuer le champ coercitif. C’est ce qui fait qu’en

général, pour les fréquences utilisées, il est préférable de compacter les échantillons à 825

MPa plutôt qu’à 620 MPa. Toutefois, les équipements employés dans le cadre de ce projet

font en sorte qu’il est beaucoup plus simple de compacter les échantillons à 620 MPa qu’à

825 MPa. Pour cette raison, les prochains échantillons ne seront compactés qu’à 620 MPa.

On pourra ainsi comparer les échantillons compactés à 620 MPa entre eux et si jamais on

désire vraiment obtenir les meilleures propriétés magnétiques, il sera toujours possible de

compacter quelques échantillons à 825 MPa.

En somme, la comparaison entre les deux techniques a révélé que la technique suggérée par

M. Abe permettait effectivement d’augmenter la résistivité du matériau. L’analyse au MEB

a permis de constater que cette hausse de résistivité était attribuable à l’augmentation de

l’épaisseur du revêtement. Toutefois, contrairement aux essais de la section précédente, les

analyses XPS n’ont pas permis de distinguer de différence de chimie de surface permettant

de comprendre pourquoi il en est ainsi. Bien que la nouvelle technique investiguée ait

permis d’obtenir des résistivités plus élevées, après traitement thermique, celle-ci diminue

radicalement pour tous les échantillons. Afin de régler ce problème, la prochaine section

étudiera plus en détails le traitement thermique en question. D’autre part, la caractérisation

des propriétés magnétiques a montré que la technique de M. Abe permettait d’augmenter

l’induction et la perméabilité et de diminuer le champ coercitif, mais qu’étrangement ces

améliorations ne menaient pas à la diminution des pertes magnétiques encourues par

l’application d’un champ magnétique variable. Finalement, les tests ont révélés que la

compaction des échantillons à 825 MPa plutôt qu’à 620 MPa permet de réduire les pertes.

144

5.1.3 – Amélioration du traitement thermique

Le troisième aspect investigué lors de cette étude est le traitement thermique à appliquer

aux échantillons après la compaction. Comme mentionné à la section précédente, le besoin

d’étudier plus en détails ce procédé découle de l’importante chute de résistivité qu’il

entraîne. Afin de l’améliorer, deux paramètres ont été étudiés, soit l’atmosphère et la

température à employer. Plusieurs autres aspects auraient pu être investigués, par exemple

la durée du traitement, toutefois le but ici n’était pas d’optimiser le procédé mais

simplement de l’améliorer. En effet, son optimisation aurait requis beaucoup plus de temps

et aurait débordé des objectifs du projet.

5.1.3.1 – Atmosphère

Comme expliqué à la section 3.1.3.1, deux types d’atmosphères ont été étudiés dans le

cadre de ce projet. Dans un cas les pièces ont été traitées thermiquement dans l’air et dans

l’autre elles furent traitées dans un gaz inerte, soit l’argon. D’autres atmosphères auraient

pu être étudiées. On aurait par exemple pu procéder au traitement sous vide, dans une

atmosphère composée entièrement d’oxygène ou encore dans une atmosphère comprenant

une certaine portion de vapeur d’eau (supérieure à celle retrouvée dans l’air ambiant). Cela

dit, il a été jugé que les deux traitements les plus intéressants étaient ceux mentionnés plus

haut.

Les résultats obtenus ont été présentés à la section 4.1.3.1. En jetant un coup d’œil aux

résistivités après traitement thermique obtenues pour les échantillons 1 et 2, on constate que

l’atmosphère d’argon a effectivement permis de d’augmenter la résistivité finale des

échantillons environ d’un facteur 2. Dans les deux cas, on a encore pu remarquer une

importante chute de résistivité, mais elle était moindre pour le second échantillon.

Une chose est surprenante cependant. Normalement, comme la seule différence entre les

échantillons 1 et 2 est l’atmosphère utilisée pendant le traitement thermique, les résistivités

avant le traitement auraient dû être sensiblement les mêmes. Or, il n’en est rien. On note

145

plutôt une différence importante entre les deux valeurs. Ce phénomène met en évidence la

grande variabilité du procédé employé. Comme ce fut expliqué précédemment, à ce jour, la

technique utilisée ne permet toujours pas d’obtenir exactement les mêmes résistivités d’un

essai à l’autre. Ceci implique donc que, dans le cadre de travaux futurs, il serait essentiel

d’améliorer la méthode expérimentale afin de remédier à cet inconvénient.

D’autre part, il est également important de noter que l’observation au MEB a révélé deux

microstructures très semblables pour les deux échantillons. Plus spécifiquement, l’épaisseur

du revêtement était pratiquement la même dans les deux cas. C’est donc dire que, cette fois-

ci, la différence de résistivité avant traitement thermique n’est pas attribuable à ce

paramètre.

Finalement, les propriétés magnétiques ont été caractérisées et sont présentées au Tableau

18. Normalement, comme la microstructure et la densité des deux échantillons étaient à peu

près les mêmes, on aurait pu s’attendre à avoir des propriétés similaires. Cependant, on

remarque que les propriétés magnétiques des échantillons traités thermiquement dans

l’argon sont largement supérieures à celles de leurs homologues traités dans l’air. En effet,

on note une augmentation de l’induction de près de 20%, une hausse de la perméabilité

d’environ 7% et, surtout, une diminution du champ coercitif de 34%. Tous ces

changements mènent à une réduction des pertes magnétiques de 47% et 58% pour des

fréquences d’applications de 60 Hz et 400 Hz respectivement. Tous ces changements de

propriétés semblent indiquer un changement de composition chimique. On peut donc croire

que le traitement dans l’air a pour effet de former des composés qui détériorent les

propriétés magnétiques.

Une autre chose qui permet d’expliquer la diminution des pertes est l’augmentation de la

résistivité. D’ailleurs, cette propriété devient particulièrement importante pour des

fréquences plus élevées. Par exemple, c’est ce qui explique pourquoi le facteur de réduction

des pertes augmente avec l’accroissement de la fréquence. On pourrait d’ailleurs s’attendre

à ce que ce dernier continu d’augmenter pour des fréquences supérieures à 400 Hz. Ce lien

146

entre la résistivité et la fréquence fait en sorte que, tout dépendamment du type

d’application visé, la résistivité optimale sera amenée à changer. Par exemple, pour un

champ magnétique variant à une fréquence faible, on favorisera une perméabilité élevée, au

détriment de la résistivité, afin de minimiser les pertes. Dans un tel cas, on pourrait par

exemple employer un revêtement plus mince. À l’inverse, pour des applications impliquant

des fréquences plus élevées, il serait préférable d’utiliser un revêtement plus épais, au

détriment de la perméabilité.

En conclusion, les résultats obtenus ont révélé que, bien que l’on remarque toujours une

chute importante de résistivité à la suite du traitement thermique, l’utilisation d’une

atmosphère d’argon plutôt que de l’air permet de réduire cette dernière. De plus, la

caractérisation magnétique a montré que cette pratique entraînait également une

amélioration majeure des propriétés magnétiques.

5.1.3.2 – Température

L’autre aspect étudié afin d’améliorer le traitement thermique est la température à laquelle

celui-ci est effectué. En premier lieu, un test de calorimétrie différentielle à balayage a été

fait sur des particules de fer n’ayant subi aucun traitement et sur d’autres recouvertes de

ferrite afin de voir si une réaction chimique se produisait à une température située entre la

température ambiante et 500°C. Les résultats présentés à la Figure 43 ont montré

qu’effectivement une réaction exothermique avait lieu aux alentours de 225°C. Afin de

savoir si cette réaction peut être à l’origine de la chute des propriétés, la résistivité fut

mesurée sur des échantillons ayant été traités à 200°C, 250°C et 500°C. Comme illustré à la

Figure 44, les résultats ont montré une chute notable de la résistivité entre 200°C et 250°C.

Ceci semble donc indiquer que la réaction en question pourrait effectivement être

responsable de cette diminution de propriétés.

À titre comparatif, des échantillons ont été compactés en n’utilisant du lubrifiant que sur les

parois. Ces derniers ont également permis d’observer une chute marquée de la résistivité

147

entre 200°C et 250°C (voir Figure 44). Dans tous les cas, les densités obtenues étaient

sensiblement les mêmes que celles obtenues en incorporant 0,5%-m de Kenolube à la

poudre et les résistivités étaient beaucoup plus faibles. Cette diminution de la résistivité est

justifiée par les mêmes raisons que celles énumérées à la section 5.1.2.2. Cela dit, étant

donné que la technique de lubrification des parois a entraîné une diminution de la résistivité

sans pour autant augmenter la densité des échantillons, on peut s’attendre à ce que les

propriétés magnétiques de ces échantillons soit inférieures à celles de ceux auxquelles du

lubrifiant a été pré-mélangé.

Afin de comprendre ce qui pouvait expliquer la chute importante de résistivité entraînée par

le traitement thermique, des échantillons de poudre ont été analysés en diffraction des

rayons X. Comme on peut le voir sur les Figure 45 et Figure 46, les deux spectres indiquent

la présence d’un mélange de fer et de ferrite. La seule différence notable que l’on peut

observer entre ces deux graphiques est que les pics de la ferrite sont un peu mieux définis

après le traitement thermique qu’avant. Ceci peut normalement indiquer deux choses. Soit

que l’on a une augmentation de la concentration en ferrite, soit que l’on a à faire à un

matériau plus cristallin. La première hypothèse peut tout de suite être rejetée étant donné

que les deux échantillons proviennent du même lot de poudre et que des tests de

spectrométrie d’absorption atomique et d’analyse d’oxygène n’ont révélé aucun

changement significatif de la composition en nickel, en zinc et en oxygène. La deuxième

hypothèse est en fait beaucoup plus probable, car il est fort possible que le traitement

thermique ait permis la croissance des grains du revêtement de ferrite. Il est certain que les

températures utilisées seraient normalement trop faibles pour permettre la croissance des

grains dans la ferrite. Toutefois, dans le cas présent, la taille des grains avant le traitement

thermique est extrêmement faible, soit de l’ordre de 50 à 100 nm. Il s’agit donc d’un

matériau nanostructuré avec une très grande concentration de défauts cristallins. Pour cette

raison, il est possible que l’énergie d’activation requise pour la recristallisation soit

tellement faible qu’il soit possible pour les grains de ferrite de croître même à des

températures inférieures ou égales à 500°C.

148

Afin d’en avoir le cœur net, les échantillons ont été observés au microscope électronique à

transmission. Les images obtenues et présentées à la Figure 47 ont permis de voir un

revêtement continu et relativement uniforme ayant une épaisseur moyenne

d’approximativement 250 nm avant traitement thermique et 200 nm après. Il ne faut

toutefois pas considérer ces valeurs comme absolues étant donné que ces mesures ont été

prises sur une toute petite portion d’une seule poudre et on ne peut savoir si elles sont

représentatives de l’ensemble des poudres. En comparant les Figure 47 à Figure 51, on

remarque que la taille des grains a effectivement augmenté. Ceci vient donc confirmer

l’hypothèse avancée au paragraphe précédent. L’impact qu’a cette observation est majeur

puisque la résistivité dépend entre autres de la taille des grains. En particulier, lorsque celle-

ci est aussi faible. En effet, plus la taille de ces derniers est faible, plus la résistivité

augmente et vice versa. Ce phénomène pourrait donc être à l’origine de la chute de

résistivité observée.

D’autre part, comme les résultats de diffraction des rayons X l’avaient déjà montré, des

patrons de diffraction pris sur les revêtements avant et après traitement thermique ont tous

deux révélé qu’il s’agissait de ferrite. De plus, les mesures patrons de diffraction des

électrons pris au MET ont également confirmé la présence de ferrite. Ces résultats

impliquent que la chute de résistivité ne peut être attribuable à un changement de la

structure cristallographique.

L’observation au MET a également permis de remarquer que le revêtement était en fait

poreux. La présence de porosité au sein du revêtement a pour effet d’augmenter davantage

la résistivité de ce dernier. En comparant les revêtements avant et après le traitement

thermique, on constate que la proportion de porosité a effectivement diminué. En fait, après

traitement thermique, il ne semble plus en rester du tout. Ce changement de densité de

porosité peut lui aussi expliquer la chute drastique de résistivité observée pendant le

traitement thermique.

149

Un mystère persiste toutefois. Le pic observé sur la courbe de DSC est très bref et ce genre

de phénomène indique souvent un changement de phase ou d’autres réactions du même

genre qui s’effectuent à une température précise. La croissance des grains ou encore la

densification sont des phénomènes qui nécessitent la diffusion des atomes et qui par

conséquent se produisent normalement sur une période de temps et sur une plage de

températures plus étendues. Ce qui fait qu’il serait étonnant que le pic observé en question

corresponde réellement à ces phénomènes. Il est possible que celui-ci proviennent plutôt

d’un changement de phase d’un produit secondaire de réaction se retrouvant dans la poudre

finale (ex : KCl, FeCl2, FeCl3, NiCl2, ZnCl2, etc). Toutefois, après avoir vérifié les

caractéristiques physiques de produits étant susceptibles de s’y retrouver, on constate

qu’aucun d’entre eux n’a un changement de phase à des températures avoisinant 225°C. De

plus, on enregistre tout de même un changement majeur de résistivité à ce point. Il faut

donc que la réaction correspondant à ce pic puisse avoir un effet marqué sur la résistivité.

Bref, avec les données recueillies, il est difficile pour le moment d’affirmer avec certitude

que le pic observé en calorimétrie différentielle à balayage correspond effectivement à la

recristallisation de la ferrite et à la diminution du nombre de porosité, mais ça semble être

l’hypothèse la plus probable.

En se basant sur les résultats de résistivité obtenus, les propriétés magnétiques

d’échantillons n’ayant pas été traités thermiquement ont été comparées à celles

d’échantillons ayant été traités à 200°C et 500°C. Le but était de savoir si la résistivité plus

élevée des échantillons non traités ou traités à 200°C pouvait compenser pour les bonnes

propriétés magnétiques (haute perméabilité et faible champ coercitif) des échantillons

traités à 500°C. Les résultats obtenus ont été présentés au Tableau 20. Ceux-ci ont montré

que le traitement thermique permettant d’obtenir les pertes les moins élevées était celui fait

à 500°C. En comparant les échantillons traités à 200°C et 500°C, on peut voir que le

traitement à plus haute température a permis d’augmenter l’induction de 8,5% et la

perméabilité de 37% tout en diminuant le champ coercitif de 21%. Malgré le fait que la

résistivité de l’échantillon 2 était 60 fois supérieure à celle de l’échantillon 4, les pertes

magnétiques de ce dernier étaient inférieures de 19%. Ces résultats montrent à quel point

150

les pertes par hystérésis (dépendantes de l’induction, de la perméabilité et du champ

coercitif) sont importantes par rapport aux pertes par courants de Foucault, du moins pour

les fréquences d’application utilisées.

Par ailleurs, les propriétés magnétiques des échantillons compactés sans lubrifiant pré-

mélangés ont également été caractérisées. En comparant l’échantillon 2-DW (lubrifiant

seulement sur les parois) à l’échantillon 2 (lubrifiant pré-mélangé), on remarque que les

propriétés magnétiques sont très similaires. En effet, l’induction, la perméabilité et le

champ coercitif des échantillons sans lubrifiant pré-mélangé sont légèrement plus élevés,

soit de 3,7%, de 6,3% et de 3,5% respectivement. Toutefois, comme la résistivité des

échantillons contenant 0,5%-m de Kenolube est supérieure d’un facteur

d’approximativement 3, les pertes magnétiques de l’échantillon 2-DW sont supérieures de

4% à celle de l’échantillon 2.

En regard des résultats recueillis, il a été observé que le traitement thermique permettant de

minimiser les pertes magnétiques était celui effectué à 500°C. En effet, le fait de faire le

traitement thermique à une température aussi élevée permet d’améliorer les propriétés

magnétiques au détriment de la résistivité, qui elle, chute dramatiquement. Ces résultats

dénotent d’ailleurs un point très intéressant. On a pu voir que bien que le traitement à

500°C plutôt qu’à 200°C entraîne une chute de la résistivité d’un facteur d’environ 60, la

hausse relativement faible des propriétés magnétiques qu’il entraîne fait en sorte que les

pertes magnétiques s’en trouvent diminuées. Ce phénomène relativise l’importance de la

résistivité par rapport à celle des propriétés magnétiques, à tout le moins, pour les

fréquences d’applications utilisées. Ceci indique que dans le cadre d’une éventuelle

utilisation concrète de ce procédé, pour des fréquences d’applications comprises entre 60

Hz et 400 Hz, il serait probablement préférable de réduire l’épaisseur du revêtement afin

d’obtenir de meilleures propriétés magnétiques. Dans le même ordre d’idées, on pourrait

aussi envisager de faire le traitement thermique à des températures supérieures à 500°C.

Parallèlement à cela, les résultats ont aussi indiqué qu’il n’était pas souhaitable de

compacter les échantillons sans lubrifiant pré-mélangé. En effet, on a pu voir que cette

151

technique entraînait une diminution de la résistivité sans pour autant améliorer les

propriétés magnétiques, ce qui se soldait en des pertes magnétiques plus élevées.

5.1.4 – Autres paramètres

Les techniques employées au cours des dernières sections ont permis d’obtenir un

revêtement de ferrite continu et relativement uniforme. Dans un souci d’améliorer

davantage le procédé, deux modifications ont été apportées à la technique utilisée afin de

voir leur impact sur les propriétés finales du matériau. Les modifications consistaient à

faire un tamisage à la poudre et à compacter les échantillons à tiède. Les deux prochaines

sections discuteront des résultats obtenus dans le cadre de ces manipulations.

5.1.4.1 – Tamisage

Comme expliqué à la section 3.1.4.1, un tamisage a été fait sur les poudres dans le but

d’améliorer leur compressibilité et d’améliorer les propriétés magnétiques des échantillons

compactés. Le tamisage consistait à retirer les particules ayant une taille inférieure à 63 µm.

Malheureusement, les résultats ont révélé que cette pratique avait pour effet de diminuer la

densité plutôt que de l’augmenter. En effet, la densité passait de 6,89 g/cm3 à 6,73 g/cm

3 et

de 7,01 g/cm3 à 6,84 g/cm

3 pour des pressions de compaction de 620 MPa et de 825 MPa

respectivement. Comme on pouvait s’y attendre cette diminution de densité se traduit par

une diminution majeure des propriétés magnétiques et une augmentation des pertes (voir

Tableau 22).

Un autre point soulevé par les résultats obtenus suite à ces tests est la différence entre les

résistivités avant le traitement thermique. En effet, comme les deux lots de poudre ont subi

les mêmes traitements à la différence du tamisage, les résistivités auraient dû être

sensiblement les mêmes, ou du moins, elles auraient dû être du même ordre de grandeur.

Or, ce n’est pas du tout le cas. Cette différence ramène sur la table le problème de

répétabilité du procédé évoqué plus tôt à la section 5.1.3.1. Comme ce fut mentionné, le

152

procédé employé ne permet toujours pas d’obtenir exactement les mêmes résistivités avant

traitement thermique d’un essai à l’autre. À cet égard, pour une éventuelle application de

cette méthode, il serait essentiel de modifier la procédure expérimentale de manière à

éliminer ce problème. Pour ce qui est des résistivités après traitement thermique toutefois,

on ne remarque pas une aussi grande différence d’un essai à l’autre. En fait, pour tous les

échantillons, les valeurs de résistivités obtenues sont très proches les unes des autres.

Donc, en somme, les essais effectués sur le tamisage ont révélé que cette modification à la

technique déjà utilisée avait pour effet de réduire la densité des échantillons compactés et,

du même coup, d’augmenter les pertes magnétiques. Ceci fait en sorte qu’il sera

évidemment préférable de ne pas utiliser cette technique.

5.1.4.2 – Compaction à tiède

L’autre modification apportée à la technique utilisée dans les dernières sections consistait à

compacter les échantillons à une température supérieure à la température de la pièce, soit

125°C. La compaction d’échantillons dans ces conditions est souvent utilisée pour atteindre

des densités élevées. Dans le cas présent, le but était d’augmenter la densité afin

d’améliorer du même coup les propriétés magnétiques.

Les résultats obtenus ont montré qu’une densité beaucoup plus élevée a effectivement été

atteinte, soit 7,23 g/cm3. Ceci correspond à une densité théorique de 94,5%, ce qui est

remarquable. Comme aucun traitement thermique n’a été fait, la résistivité est demeurée

élevée, soit 397 µΩ-m. Toutefois, cette hausse de densité n’a pas mené à une amélioration

des propriétés magnétiques. En effet, en comparant les résultats du Tableau 18 à ceux du

Tableau 24, on note que malgré l’augmentation de l’induction (7%), la diminution de la

perméabilité (7%) et l’augmentation majeure du champ coercitif (39%) ont mené à une

augmentation des pertes de 33% et de 22% pour des fréquences d’application de 60 Hz et

de 400Hz respectivement. On peut expliquer la diminution de la perméabilité et

l’augmentation de la résistivité par l’absence de traitement thermique. En effet, sans cette

153

étape supplémentaire, la présence de défauts dans le réseau cristallins demeure très élevée,

en particulier étant donné les pressions de compaction. Puis, comme on le sait, la

perméabilité, le champ coercitif et, par extension, les pertes magnétiques sont grandement

influencées par la présence de tels défauts. En ce sens, il serait probablement intéressant,

dans le cadre de travaux futurs, de compacter des échantillons dans les mêmes conditions,

soit à 125°C et à une pression de 825 MPa, et de leur faire subir un traitement thermique de

30 minutes à 500°C. Ainsi, les propriétés magnétiques risqueraient d’être largement

supérieures. Bien sûr, la résistivité s’en trouverait diminuée, mais, comme on l’a vu, cette

propriété ne semble pas être prépondérante dans le domaine de fréquences utilisées pour ce

projet.

Par ailleurs, on a pu voir que la résistivité était significativement plus élevée (d’un facteur

13) pour les derniers essais que pour ceux de la section 5.1.3.1. Or, étant donné que les

propriétés magnétiques étaient moins bonnes, les pertes magnétiques ont augmenté. Encore

une fois, ces résultats semblent indiquer que la résistivité n’est pas si importante pour les

fréquences d’application utilisées. De plus, on peut remarquer que, comme ce fut également

le cas à la section 5.1.3.1, l’accroissement des pertes est réduit avec l’augmentation de

fréquence. Un autre signe qui indique que plus la fréquence augmente, plus la résistivité

devient une propriété importante.

Pour conclure, les tests ont révélé que la compaction à tiède permettait effectivement

d’augmenter la densité, mais que l’absence de traitement thermique à 500°C faisait en sorte

que les pertes magnétiques augmentaient malgré tout. Un des points positifs de l’absence

de traitement à haute température était que l’on maintenait une résistivité élevée.

Cependant, comme ce fut discuté au cours des dernières sections, cette propriété ne semble

pas être primordiale pour les fréquences utilisées dans le cadre de ce projet. La prochaine

section traitera justement de cet aspect.

154

5.1.5 – Importance de la résistivité

Les résultats obtenus jusqu’à maintenant ont montré à plusieurs reprises que la résistivité

n’était pas si critique pour l’obtention de faibles pertes pour des fréquences comprises entre

60 Hz et 400 Hz. En d’autres mots, c’est dire que pour ces fréquences les pertes classiques

(ou pertes par courants de Foucault) ne sont pas très importantes. Par curiosité, de

l’ATOMET 580 n’ayant subi aucun traitement a été compactée sous forme d’anneaux afin

de caractériser ses propriétés magnétiques. La poudre en question a été compactée à 620

MPa et 825 MPa, contenait 0,5%-m de Kenolube et a été traitée thermiquement à 500°C

dans l’argon pendant 30 minutes. Les résultats recueillis ont été comparés aux meilleurs

résultats obtenus avec des poudres revêtues, soit ceux obtenus avec les poudres de la

section 4.1.3.1 traitées dans l’argon.

Tableau 29 – Comparaisons des échantillons avec et sans revêtement

Échantillon Compaction Densité Résistivité B

μmax Hc Pertes (W/kg)

(MPa) (g/cm3) (µΩ-m) (T) (A/m) 60 Hz 400 Hz

Sans

revêtement

620 7,20 1,7 1,38 440 273 9,7 136

825 7,34 1,7 1,36 380 276 9,5 117

Avec

revêtement

620 6,89 28 1,15 217 405 12,2 95

825 7,01 30 1,15 213 407 11,9 93

Les données recueillies montrent qu’en raison de leur excellente compressibilité, les

poudres non revêtues offrent des propriétés magnétiques supérieures et une résistivité très

faible, soit à peine plus élevée que celle du fer pur qui est de 0,96 µΩ-m. Comme expliqué

au chapitre 2, ceci fait en sorte que pour des fréquences relativement faibles, ce matériau

devrait offrir des pertes moindres que celui à base de poudres revêtues de ferrite et qu’à des

fréquences élevées, les rôles devraient être inversés. C’est d’ailleurs ce qui se produit si on

jette un coup d’œil aux pertes des deux matériaux. On peut voir qu’à 60 Hz les poudres

revêtues entraînent des pertes 25% plus élevées et qu’à 400 Hz les poudres sans revêtement

entraînent des pertes 43% et 26% plus élevées pour des pressions de compaction de 620

MPa et 825 MPa respectivement. C’est donc que le second matériau est plus approprié à

des fréquences de l’ordre de 400 Hz et plus. Pour le rendre plus efficace à des fréquences

155

de l’ordre de 60 Hz, on aurait avantage à améliorer ses propriétés magnétiques au détriment

de la résistivité. Comme expliqué à travers ce chapitre, pour y arriver on peut réduire

l’épaisseur du revêtement, augmenter la température et la durée du traitement thermique,

augmenter la pression de compaction, employer une granulométrie plus grossière pour la

poudre de base et compacter les échantillons à tiède (tout en faisant un traitement

thermique). Bref, plusieurs options permettraient d’arriver à améliorer les propriétés. Il

s’agit là toutefois d’un travail d’optimisation qui peut changer en fonction de la fréquence

ou du domaine de fréquences pour lequel le matériau sera utilisé.

5.1.6 – Comparaison entre les différentes techniques

Les essais effectués ont permis de produire un revêtement de ferrite continu, relativement

uniforme et résistif permettant de limiter les pertes magnétiques. Celui-ci n’est toujours pas

optimisé et a certaines limites, mais semble très prometteur et avec un peu plus de travail de

recherche pourrait s’avérer très efficace.

Parmi toutes les techniques employées dans cette partie du projet, celle qui a donné les

meilleurs résultats est la technique décrite à la section 4.1.1.3. Pour être vraiment efficace

celle-ci doit être précédée d’un traitement de surface à l’acide chlorhydrique tel que décrit à

la section 4.1.2.2. Finalement, les résultats obtenus ont également révélé qu’un traitement

thermique de 30 minutes à 500°C dans l’argon était nécessaire pour obtenir de bonnes

propriétés magnétiques et ainsi réduire les pertes magnétiques.

Comme mentionné à la section précédente, bien qu’efficace pour obtenir un matériau

résistif, cette technique pourrait toutefois être améliorée grandement en apportant certaines

modifications au procédé de manière à lui conférer de meilleures propriétés magnétiques,

aux dépends de la résistivité.

De plus, dans le cadre d’une éventuelle application de cette méthode, certains problèmes de

répétabilité mentionnés aux sections 4.1.3.1 et 5.1.4.1 pourront être réglés, bien qu’ils ne

156

semblent pas affecter les propriétés après traitement thermique. Par ailleurs, l’étude sur le

traitement thermique a montré une chute importante de la résistivité aux alentours de

225°C. Bien que la raison exacte expliquant ce phénomène n’ait pu être déterminée avec

certitude, les résultats indiquent qu’il y aurait fort probablement un lien entre la chute de

résistivité et la croissance des grains et/ou la diminution de la densité de porosité du

revêtement. En ce sens, il serait probablement très pertinent d’essayer de trouver une

méthode permettant de conserver une faible taille de grains et de limiter la diminution de la

densité de porosité afin de maintenir une résistivité élevée pendant le traitement thermique

et ainsi limiter davantage les pertes magnétiques.

5.2. – Ajout de nanoparticules

La deuxième méthode envisagée pour isoler les particules de fer les unes des autres

consistait à ajouter des nanoparticules de ferrite NiZn au mélange. Comme expliqué à la

section 3.2, l’idée derrière cette pratique est que les nanoparticules se collent à la surface

des poudres de fer et les isolent. Trois techniques d’ajout de nanoparticules ont été

essayées, soit l’ajout de nanoparticules à sec, l’ajout de nanoparticules avec une phase

liquide et l’ajout d’une grande quantité de nanoparticules. Les prochaines sections

discuteront des résultats obtenus suite à ces essais et, finalement, une comparaison entre les

méthodes de mélange sera faite.

5.2.1 – Ajout de nanoparticules à sec

La première technique utilisée pour mélanger les nanoparticules de ferrite NiZn aux

poudres de fer était en fait la plus simple. Elle consistait à mélanger directement les deux

types de particules ensembles de la même façon qu’on ajoute généralement les éléments

d’alliage en métallurgie des poudres. Comme mentionné à la section 3.2.1, la ferrite et le

lubrifiant ont été ajoutés séparément. Deux concentrations de ferrite ont été utilisées de

même que deux temps de mélanges différents à chacune des deux étapes de mélange. Ce

157

qui fait un total de huit conditions de mélange différentes. Elles furent présentées en détails

au Tableau 7.

Les résultats ont montré que les échantillons contenant 2%-m de ferrite ont mené à des

résistivités environ 5 fois plus élevées avant traitement thermique que ceux contenant

0,6%-m et 2 fois plus élevées après traitement. Ce résultat s’explique simplement par le fait

que l’augmentation de la concentration en ferrite permet d’isoler les particules de fer plus

efficacement les unes des autres.

D’autre part, les résultats ont également montré que les différents temps de mélange avaient

une légère influence sur la résistivité des échantillons. En effet, on remarque que la

résistivité augmente avec l’augmentation du temps de mélange, et ce, pour chacune des

deux étapes. Ceci fait en sorte que le mélange étant le plus résistif est celui ayant été

mélangé le plus longtemps, soit le mélange 8. Il aurait d’ailleurs été intéressant de mélanger

les différents constituants encore plus longtemps afin de voir si la résistivité continuait à

augmenter. Cela dit, ce ne fut pas fait car le but de cette étape était simplement de voir si la

technique pouvait donner des résultats intéressants ou non. Cette augmentation de la

résistivité est probablement causée par le fait qu’en mélangeant la poudre plus longtemps,

les nanoparticules de ferrite sont dispersées de manière plus uniforme au sein du mélange et

qu’ainsi elles parviennent à isoler les particules de fer d’une manière plus efficace.

Pour en savoir plus sur la manière dont sont répartis les différents constituants dans chaque

mélange, ces derniers furent observés au microscope électronique à balayage. Comme on

pouvait s’y attendre, on a pu retrouver une grande quantité d’agglomérats, en particulier,

pour des raisons évidentes, dans les échantillons contenant 2,0%-m de ferrite. Ce résultat

n’est pas trop étonnant étant donné que l’on savait que les nanoparticules allaient avoir une

certaine tendance à s’attirer entre elles. Cela dit, on a tout de même pu retrouver une

quantité importante de nanoparticules à la surface des particules de fer. Il est intéressant de

comparer la surface des particules de fer avant et après l’ajout du lubrifiant. On note une

diminution de la quantité de nanoparticules après l’ajout. Ceci indique que le mélange avec

158

le Kenolube a pour effet d’en retirer un certain nombre d’entre elles de la surface.

D’ailleurs, on remarque que la taille et le nombre d’agglomérats ont augmenté lors de

l’ajout du lubrifiant. C’est donc qu’une portion des nanoparticules présentes à la surface

des particules de fer s’est jointe à ces derniers. L’observation de la surface des boules de

lubrifiant a aussi permis d’y détecter la présence de nanoparticules. Ces deux phénomènes

permettent donc d’expliquer la diminution de la quantité de ferrite présente à la surface des

particules de fer. Quoiqu’il en soit la présence d’agglomérats de ferrite avant la compaction

fait en sorte que les nanoparticules ne parviennent pas à isoler les poudres de fer les unes

des autres d’une manière très efficace. Ceci explique pourquoi les résistivités obtenues pour

cette série d’expériences ne sont pas aussi intéressantes qu’on aurait pu le souhaiter.

Comme pour la technique du placage de la ferrite, le traitement thermique à 500°C a aussi

pour effet de diminuer considérablement la résistivité. Étant donné que cette fois aussi la

ferrite est présente sous forme nanostructurée (la taille moyenne des particules est de

l’ordre de 40 nm et la taille de grains est évidemment plus faible ou égale), il est fort

probable que le traitement thermique ait eu l’effet d’un léger frittage et qu’il ait encore

entrainé la croissance de la taille des grains. Ces deux phénomènes sont tous deux

susceptibles de diminuer la résistivité du matériau. Cette fois cependant, étant donné les

résultats obtenus et les coûts entraînés par ce genre d’étude, cette hypothèse n’a pas été

vérifiée au microscope électronique à transmission.

En résumé, les résistivités obtenues à partir de la technique décrite dans cette section furent

relativement faibles. L’observation en microscopie optique et en microscopie électronique à

balayage a permis de constater que ces résultats étaient attribuables à la présence

d’agglomérats de nanoparticules au sein du mélange et donc d’une distribution non efficace

de celles-ci. Afin d’essayer de limiter la formation d’agglomérats, il serait donc intéressant

de procéder au mélange en utilisant une phase liquide. C’est la technique qui est décrite à la

prochaine section.

159

5.2.2 – Ajout de nanoparticules avec une phase liquide

Comme on a pu le voir avec les résultats de la dernière technique, le mélange à sec de

nanoparticules de ferrite NiZn à l’ATOMET 580 a entraîné la formation d’agglomérats,

menant ainsi à des résistivités relativement faibles. Comme expliqué à la section 3.2.2, le

fait de procéder au mélange dans une phase liquide plutôt qu’à sec a pour effet de réduire

l’importance des forces attirant les nanoparticules entre elles et est donc susceptible de

limiter la formation d’agglomérats lors du mélange. En addition à cela, il est possible

d’utiliser des ultrasons afin de briser les agglomérats et de disperser davantage les

nanoparticules de ferrite. C’est donc la technique qui fut utilisée. Le liquide employé fut de

l’acétone pour prévenir l’oxydation de la poudre de fer et faciliter le séchage. De plus, ce

solvant permet d’y dissoudre un liant et, comme expliqué précédemment, celui-ci a été

utilisé pour coller les nanoparticules de ferrite à l’ATOMET 580. Par ailleurs, pour cette

série de tests, seulement une concentration de ferrite a été utilisée. Puisqu’à la section

précédente 0,6%-m ne semblait pas être suffisant pour recouvrir complètement les

nanoparticules et que 2,0%-m entraîne la formation d’une très grande quantité

d’agglomérats, une concentration en ferrite de 1,5%-m a été employée. Deux mélanges ont

été préparés, le premier contenant 0,05%-m de liant et l’autre n’en contenant pas. Comme

pour les essais précédents, un traitement thermique de 30 minutes à 500°C dans l’argon a

été effectué sur les échantillons.

Les résultats ont été présentés au Tableau 26. Ceux-ci montrent que la nouvelle technique

n’a pas permis de gain en résistivité. En fait, les valeurs obtenues se situent entre celles des

échantillons contenant 0,6%-m et 2,0%-m. En d’autres termes, cela signifie que, pour les

conditions utilisées dans le cadre de cette série d’expériences, il n’y a simplement pas de

gain significatif à mélanger en phase liquide plutôt qu’à sec.

Comme ce fut le cas précédemment, les mélanges ont été observés au MEB afin de voir

comment se sont distribuées les nanoparticules. L’observation à faible grossissement a

révélé que, comme on pouvait s’y attendre, on retrouvait toujours une grande quantité

160

d’agglomérats dans le mélange. C’est ce qui explique les propriétés discutées plus haut.

L’examen de la surface des particules de fer a encore une fois révélée la présence d’une

certaine quantité de nanoparticules de ferrite. Or, comme ce fut le cas pour les essais

précédents, cette quantité n’est pas suffisante pour assurer une isolation efficace des

particules de fer. À part la présence d’une mince couche de polymère à la surface des

particules du premier mélange, on n’a pu noter de différence majeure entre celui-ci et le

second ne contenant pas de liant. Ce qui indique que, bien que la résistivité après traitement

thermique du premier mélange soit un peu plus élevée que celle du second, il n’y a pas

d’avantages notables justifiant l’utilisation d’un liant.

En somme, le fait de procéder au mélange dans une phase liquide n’a pas eu l’effet

escompté. Effectivement, on a tout de même pu remarquer la présence d’une grande

quantité d’agglomérats et, conséquemment, les propriétés n’ont pas été améliorées. Pour

cette raison, on peut affirmer que, dans les conditions employées, il n’y avait pas de gain

notable à préparer les mélanges à l’aide d’une phase liquide.

5.2.3 – Ajout d’une grande quantité de nanoparticules

Les résultats obtenus jusqu’à maintenant dans la partie du projet touchant à l’ajout de

nanoparticules de ferrite n’ont toujours pas permis d’obtenir des propriétés intéressantes.

En effet, les résistivités mesurées après traitement thermique sont de l’ordre de 3 à 6 µΩ-m.

Afin de voir si cette technique pouvait possiblement permettre d’atteindre des résistivités

intéressantes, un dernier essai a été fait en incorporant une plus grande quantité de

nanoparticules. On a donc répété les mêmes opérations mais en ajoutant 5%-m de ferrite

nanométrique. Il convient de mentionner qu’étant donné la très faible densité apparente de

cette poudre, celle-ci représentait une portion du volume qui était beaucoup plus importante

que 5%. De plus, en regard des résultats obtenus lors des deux dernières sections, le

mélange a été fait en mélangeant les nanoparticules à l’ATOMET 580 à sec pendant 10

minutes et ensuite en ajoutant 0,5%-m de Kenolube au tout et en mélangeant 20 minutes.

161

Les résultats obtenus ont été présentés aux Tableau 27 et Tableau 28. Ceux-ci ont montré

une résistivité particulièrement intéressante avant traitement thermique, soit plus de 3000

µΩ-m. Par contre, après traitement thermique cette dernière chute aux mêmes valeurs que

celles obtenues lors des derniers tests, soit de l’ordre de 4 µΩ-m. L’observation au MEB a

évidemment montré une très grande quantité d’agglomérats et la présence d’une certaine

quantité de nanoparticules à la surface des poudres de fer. En bref, il semble y avoir une

quantité maximale de nanoparticules que les particules de fer peuvent contenir à leur

surface et les autres se regroupent pour former des agglomérats. C’est probablement ce qui

explique pourquoi, dans tous les cas, la résistivité après traitement thermique des

échantillons atteints des valeurs très proches les unes des autres. Encore une fois, la

résistivité a chuté de manière drastique pendant le traitement thermique. Comme pour les

autres essais, cette diminution est probablement attribuable à un léger frittage et à la

croissance de la taille des grains des nanoparticules de ferrite.

En comparant la microstructure des échantillons produits par ajout de nanoparticules à celle

d’échantillons préparés par placage de la ferrite, on peut comprendre pourquoi la résistivité

des premiers est plus faible. En effet, les deux comprennent approximativement la même

concentration en ferrite, soit approximativement 5%-m. Toutefois, les deux techniques font

en sorte que dans le cas des échantillons préparés par placage, la ferrite est distribuée de

manière relativement uniforme sur les particules de fer, alors que pour les échantillons

préparés par ajout de nanoparticules, celles-ci se retrouvent majoritairement sous forme

d’agglomérats répartis entre les particules de fer. La Figure 72 illustre très clairement ce

phénomène. C’est principalement pour cette raison que les résultats obtenus avec la

deuxième méthode étaient, de manière générale, moins bons que ceux de la première.

162

Figure 72 – Comparaison des microstructures obtenues par A) placage et B) ajout de nanoparticules

Pour la première fois avec cette technique, les propriétés magnétiques des échantillons ont

été mesurées. Ces dernières se sont avérées relativement bonnes. En fait, on peut voir

qu’elles sont légèrement meilleures que celles des meilleurs échantillons produits par

placage de la ferrite (voir Tableau 18). Toutefois, la résistivité plus faible des échantillons

contenant des nanoparticules fait en sorte que les pertes magnétiques sont plus élevées, en

particulier à 400 Hz.

En conclusion, bien que l’ajout d’une grande quantité de nanoparticule ait finalement

permis d’obtenir une résistivité initiale élevée, celle-ci chute drastiquement pendant le

traitement thermique. De plus, la caractérisation magnétique des échantillons a révélé que,

en dépit de propriétés magnétiques très bonnes, les pertes étaient élevées en raison de la

faible résistivité. De manière plus générale, les résultats obtenus au cours des dernières

sections ont révélé que l’ajout de nanoparticules ne permettait pas d’obtenir des résistivités

après traitement thermique suffisamment élevées. Peu importe la technique utilisée,

l’observation au MEB a révélé que le principal obstacle à l’obtention de bonnes propriétés

était la présence d’agglomérats au sein du mélange. Donc, à moins de trouver une technique

permettant une distribution plus uniforme des nanopoudres à la surface des poudres de fer,

l’ajout de nanoparticules de ferrite NiZn à des poudres de fer ne semble pas être un moyen

efficace pour produire un matériau résistif et ultimement de limiter les pertes magnétiques

entraînées par un champ magnétique variable.

163

6 – Conclusion

Ce projet avait pour but de déterminer si la ferrite NiZn pouvait être un bon isolant dans

l’élaboration d’un composite magnétique doux à base de poudre métallique. Pour répondre

à cette interrogation, deux techniques furent étudiées, soit le placage de la ferrite et l’ajout

de nanoparticules de ferrite NiZn. En premier lieu, l’étude de la première technique a

permis d’arriver aux conclusions suivantes :

Une formation lente de la ferrite favorise sa déposition en surface des particules de

fer plutôt que sa précipitation au sein de la solution. La meilleure technique trouvée

pour contrôler la vitesse de réaction consistait à contrôler l’oxydation des ions Fe2+

présents en solution.

Effectuer un traitement de surface à l’aide d’une solution acide sur les particules de

fer à recouvrir favorise grandement la formation de la ferrite sur ces dernières et

permet l’obtention de résistivités supérieures. La meilleure technique utilisée

consistait à faire l’attaque dans un milieu exempt d’oxygène à l’aide d’acide

chlorhydrique dilué dans l’eau.

Effectuer le traitement thermique dans l’argon plutôt que dans l’air permet de

minimiser considérablement la chute de résistivité lors du même traitement.

Effectuer un traitement thermique à 500°C plutôt qu’à 200°C permet de réduire les

pertes magnétiques pour des fréquences de 60 Hz et 400 Hz.

Selon les données recueillies, il semble que la chute de résistivité entraînée par le

traitement thermique est principalement causée par l’augmentation de la taille des

grains de ferrite et une diminution de porosité du revêtement de ferrite.

Compacter les échantillons à 825 MPa plutôt qu’à 620 MPa permet de réduire les

pertes magnétiques pour des fréquences de 60 Hz et 400 Hz.

164

Compacter les échantillons avec 0,5%-m de Kenolube pré-mélangé plutôt qu’avec

du lubrifiant seulement sur les parois de la matrice permet de réduire les pertes

magnétiques pour des fréquences de 60 Hz et 400 Hz.

Les résultats recueillis ont montré que la résistivité n’était pas une propriété

prépondérante pour l’obtention de pertes magnétiques faibles à des fréquences de 60

Hz et 400 Hz.

Tamiser l’ATOMET 580 de manière à retirer les particules ayant un diamètre

inférieur à 63 µm entraîne une diminution de la compressibilité et une augmentation

des pertes magnétiques.

Pour une même pression de compaction, compacter les échantillons à 125°C sans

effectuer d’autre traitement thermique permet d’augmenter la densité des

échantillons sans pour autant réduire les pertes magnétiques pour des fréquences de

60 Hz et 400 Hz.

En second lieu, l’étude de l’ajout de nanoparticules de ferrite à la poudre de fer a permis

d’arriver aux conclusions qui suivent :

Mélanger à sec ou dans l’acétone des nanoparticules de ferrite NiZn ayant un

diamètre moyen compris entre 10 nm et 30 nm à de l’ATOMET 580 entraîne la

formation d’agglomérats de nanoparticules.

Mélanger les nanoparticules de ferrite et les particules de fer dans l’acétone avec ou

sans liant n’entraîne pas de changement majeur des propriétés physiques.

La résistivité relativement faible des CMD à base de poudre de fer comprenant des

nanoparticules de ferrite est attribuable à la présence d’agglomérats de

nanoparticules et à la distribution non uniforme de ces dernières à la surface des

particules de fer.

La comparaison entre ces deux techniques a montré que la meilleure répartition de la ferrite

au sein des échantillons préparés par placage de la ferrite fait en sorte que leurs pertes

magnétiques sont généralement moindres à des fréquences de 60 Hz et 400 Hz. Quoiqu’il

165

en soit, les résultats obtenus au cours de cette étude permettent d’affirmer que la ferrite

NiZn ou un mélange de ferrite Fe et de ferrite NiZn peut être un bon matériau isolant pour

l’élaboration de composites magnétiques doux à base de poudre métallique.

166

7 – Travaux futurs

Cette section présente quelques suggestions de travaux futurs afin d’améliorer ou d’étudier

plus en détails les techniques étudiées dans le cadre de ce projet.

Placage de la ferrite

Trouver des modifications à apporter à la méthode expérimentale permettant de

réduire la variabilité des résultats.

Trouver les ratios de concentration en ions [Ni2+

]/[Fe2+

] et [Zn2+

]/[Fe2+] permettant

d’augmenter la résistivité du revêtement.

Comparer les propriétés d’échantillons compactés à partir de poudres simplement

attaquées à l’acide chlorhydrique

Déterminer l’épaisseur du revêtement optimale pour une fréquence ou un domaine

de fréquences donné.

Vérifier si la chute de résistivité observée lors du traitement thermique découle

effectivement de l’augmentation de la taille des grains et/ou de la diminution de la

densité de porosités.

Ajout de nanoparticules de ferrite NiZn

Trouver une méthode de mélange permettant d’obtenir une meilleure répartition des

nanoparticules.

Déterminer la quantité de nanoparticules de ferrite à ajouter à la poudre de fer

permettant de minimiser les pertes magnétiques pour une fréquence ou un domaine

de fréquences donné.

Vérifier si la chute de résistivité observée lors du traitement thermique découle

effectivement de l’augmentation de la taille des grains et d’un léger frittage des

nanoparticules de ferrite

167

Placage de la ferrite et ajout de nanoparticules

Déterminer la quantité de lubrifiant permettant de minimiser les pertes magnétiques

pour une fréquence ou un domaine de fréquences donné.

Déterminer la pression de compaction à utiliser afin de minimiser les pertes pour

une fréquence ou un domaine de fréquences donné.

Comparer les propriétés d’échantillons compactés à tiède et après traitement

thermique à celles obtenues dans ce mémoire.

Comparer les propriétés d’échantillons compactés à partir de poudres de différentes

distributions granulométriques.

168

8 – Références

[1] J. STÖHR, H.C. SIEGMANN, Magnetism : From Fundamentals to Nanoscale

Dynamics, Springer, Berlin, 2006, 820p.

[2] D.K. CHENG, Field and Wave Eletromagnetics, 2nd Ed., Addison-Wesley, Reading,

MA, 1989, 703p.

[3] J.D. JACKSON, Classical Electrodynamics, 3rd Ed., John Wiley & Sons Inc., New

York, 1999, 808 p.

[4] J.-P. BAÏLON, J.-M. DORLOT, Des matériaux, 3e Éd., Presses internationales

Polytechnique, Montréal, 2000, 736p.

[5] W.D. CALISTER, Science et génie des matériaux, Modulo, Mont-Royal, 2001, 781p.

[6] C. KITTEL, Physique de l’état solide, 7e Éd., Dunod, Paris, 2005, 610p.

[7] G. COUDERCHON, Alliages magnétiques doux, Techniques de l’ingénieur, M350,

1998.

[8] G. BERTOTTI, Physical Interpretation of Eddy Current Losses in Ferromagnetic

Materials, Journal of Applied Physics, 57, 1985, pp. 2110-2126.

[9] G. BERTOTTI, Hysteresis in Magnetism for Physicists, Materials Scientists, and

Engineers, Academic Press, San Diego, 1998, 558p.

[10] C. CYR, Modélisation et caractérisation des matériaux magnétiques composites doux

utilisés dans les machines électriques, Thèse de doctorat, Université Laval, Québec,

2007, 206p.

[11] C.G. OLIVIER, H.G. RUTZ, Powder Metallurgy in Electromagnetic Applications,

Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials, MPIF, Princeton, NJ, 1995,

Vol. 3, pp. 11-87 - 11-102.

[12] D.E. GAY, High Performance Microencapsulated Powders for Various Applications

Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials, MPIF, Princeton, NJ, 1995,

pp. 11-103 - 11-126.

[13] C. GÉLINAS, F. CHAGNON, S. PELLETIER, Development of an Iron-Resin

Composite Material for Soft Magnetic Applications, Advances in Powder Metallurgy

& Particulate Materials, MPIF, Princeton, NJ, 1996, pp. 20-85 - 20-97.

[14] C. GÉLINAS, S. PELLETIER, P. LEMIEUX, L. AZZI, Properties and Processing of

Improved SMC Materials, Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials,

MPIF, Princeton, 2005, pp. 9-108 - 9-120.

[15] L. HULTMAN, Z. YE, Soft Magnetic Composites – Properties and Applications,

Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials, MPIF, Princeton, 2002, pp.

14-26 - 14-38.

169

[16] G.UOZUMI et al., Properties of Soft Magnetic Composite with Evaporated MgO

Insulation Coating for Low Iron Loss, Materials Science Forum, vol. 534 – 536,

2007, pp. 1361-1364.

[17] Kh. GHEISARI et al., Magnetic Losses of the Soft Magnetic Composites Consisting

of Iron and Ni-Zn Ferrite, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 320,

2008, pp. 1544-1548.

[18] R.M. GERMAN, Powder Metallurgy and Particulate Materials Processing, MPIF,

Princeton, NJ, 2005, 528p.

[19] M. PAULLIN, State of North American PM Industry, Advances in Powder

Metallurgy & Particulate Materials, MPIF, Princeton, NJ, 2008.

[20] Y. MIZUNO, State of Powder Metallurgy in Asia, Advances in Powder Metallurgy &

Particulate Materials, MPIF, Princeton, NJ, 2008.

[21] A. GOLDMAN, Modern Ferrite Technology, 2nd Ed., Springer, New York, 2006,

438p.

[22] E.C. SNELLING, Soft Ferrites: Properties and Applications, 2nd Ed., Butterworths,

London, 1988, 366p.

[23] B. LAX, K.J. BUTTON, Microwave Ferrites and Ferrimagnetism, McGraw-Hill,

New York, 1962, 752 p.

[24] R.F. SOOHOO, Theory and Application of Ferrites, Prentice-Hall Inc., Englewood

Cliffs, NJ, 1960, 280 p.

[25] E.E. RICHES, Ferrites: A Review of Materials and Applications, Mills and Boon

Ltd., London, 1972, 88p.

[26] F. BERTAUT, F. FOMAT, The Structure of Ferromagnetic Ferrites of Rare Earths,

Académie des Sciences Compt. Rend., 242 (Jan. 1956) p. 382.

[27] J. TASAKI, T. ITO, Effect of Sintering Atmosphere on the Permeability of Sintered

Ferrite, Ferrites: Proceedings of the International Conference, University Park Press,

Japan, July 1970, p. 84.

[28] R. WINAND, Electrocrystallization- Theory and Applications, Hydrometallurgy, vol.

29, 1992, pp. 567-598.

[29] E. GHALI, Analyse et conception en électrométallurgie, Notes de cours, Repro

Laval, Québec, 2001.

[30] W. D. FIELDS, R. N. DUNCAN, J. R. ZICKGRAF, Electroless Nickel Plating,

Metals Handbook, 9th Ed., vol. 5, ASM, Metals Park, OH, 1982, pp. 219-243.

[31] J. I. DUFFY, Electrodeposition Processes, Equipment and Composition, Chemical

Technology Review, vol. 206, Noyes Data Corp., Park Ridge, NJ, 1982, 308p.

[32] J. I. DUFFY, Electroless and Other Nonelectrolytic Plating Techniques Recent

Developments, Chemical Technology Review, vol. 171, Noyes Data Corp., Park

Ridge, NJ, 1980, 452p.

[33] O. N. COLLIER, S. J. HACKETT, Metal Powders, US Patent, no. 4130506, 1978.

170

[34] T. TAKADA, M. KIYAMA, Preparation of Ferrites by Wet Method, Ferrites:

Proceedings of the International Conference, University Park Press, Tokyo, 1970, pp.

69-71.

[35] Y. TAMAURA, P. V. BUDUAB, T. KATSURA, Studies on the Oxidation of Iron(II)

Ion during the Formation of Fe3O4 and a-FeO(0H) by Air Oxidation of Fe[OH]2

Suspensions, J. Chem. Soc. Dalton Trans., Issue 9, 1981, pp. 1807-1811.

[36] T. P. NIESEN, M. R. DE GUIRE, Review of Ceramic Thin Films at Low

Temperatures from Aqueous Solutions, Journal of Electroceramics, vol. 6, 2001, pp.

169-207.

[37] M. ABE, Y. TAMAURA, Ferrite-Plating in Aqueous Solution: A New Method for

Preparing Magnetic Thin Film, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 22, no. 8,

1983, pp. L511-L513.

[38] M. ABE, Y. TAMAURA, Process for Forming a Ferrite Film, US Patent, no.

4477319, 1984.

[39] M. ABE, T. ITOH, Y. TAMAURA, Magnetic and Biomagnetic Films Obtained by

Ferrite Plating in Aqueous Solution, Thin Solid Films, vol. 216, 1992, pp. 155-161.

[40] M. OISHI, T. SAITO, K. ISHIKAWA, Forming Ferrite Film, European Patent, no.

0259194A2, 1988.

[41] M. ABE et al., Ultrasound Enhanced Ferrite Plating; Bringing Breakthrough in

Ferrite Coating Synthesized from Aqueous Solution, IEEE transactions on Magnetics,

vol. 33, no. 5, 1997, pp. 3649-3651.

[42] Y. NAKAYAMA, H. YAJIMA, Y. KITAMOTO, M. ABE, Preparation of Ferrite

Films Electrical Insulation by Ultrasound-Enhanced Ferrite Plating, IEEE

Transactions on Magnetics, vol. 35, no. 5, 1999, pp. 3040-3042.

[43] M. ABE, Ferrite Plating; a Chemical Method Preparing Oxide Magnetic Films at

24-100°C, and Its Applications, Electrochimica Acta, vol. 45, 2000, pp. 3337-3343.

[44] M. ABE, A Soft Solution Processing Technique for Preparing Ferrite Films and

Their Applications, MRS Bulletin, vol. 25, 2000, pp. 51-55.

[45] N. MATSUSHITA, S. HATANAKA, M. ABE, Fe/Ferrite Composite Magnetic

Cores Far Exceeding Snoek’s Limit Fabricated by Simplified Ferrite Plating in Open

Air, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 40, no. 4, 2004, pp. 2011-2013.

[46] M. ZHANG, T. ITOH, M. ABE, Ultrasonic Visualization of Still and Flowing Waters

Using Contrast Agents of Magnetite-Encapsulated Porous Silica Microspheres,

Japanese Journal of Applied Physics, vol. 36, no. 1A, 1997, pp. 243-246.

[47] Metal Powder Industries Federation, Materials Standards for P/M Structural Parts,

Princeton, 1998.

[48] C. BLAIS et al., Characterization of Powders and PM Components in Transmission

Electron Microscopy, International Journal of Powder Metallurgy, vol. 45, no. 2,

2009, pp. 29-38.

171

Annexe A – Calcul des caractéristiques du revêtement

Dans cette annexe, les calculs servant à déterminer la composition chimique du revêtement

et son épaisseur théorique moyenne en fonction des données expérimentales obtenues

seront présentés. Pour procéder à ces calculs, les concentrations massiques en nickel CNi, en

zinc CZn, en oxygène CO ainsi que la surface spécifique de l’ATOMET 580 sont requises.

Les deux premières données expérimentales proviennent de tests de spectroscopie

d’absorption atomique, la concentration en oxygène provient d’un test d’analyse d’oxygène

et la surface spécifique est obtenue en utilisant la méthode BET (Théorie Brunauer-Emett-

Teller). Cette dernière donnée expérimentale est considérée comme étant constante pour

tous les mélanges et, tel que mentionné à la section 4.1.1.3, celle-ci a une valeur de 0,025

m2/g. Dans le cadre de ce calcul, des données théoriques et empiriques provenant de la

littérature seront requises. C’est le cas notamment de la masse molaire du nickel (MNi =

58,6934 g/mol), du zinc (MZn = 65,39 g/mol), du fer (MFe = 55,847 g/mol) et de l’oxygène

(MO = 15,9994 g/mol). La densité de la ferrite NiZn sera aussi nécessaire pour calculer

l’épaisseur théorique du revêtement. Celle-ci peut varier entre 4,8 g/cm3 et 5,2 g/cm

3 en

fonction de sa composition chimique, toutefois puisqu’on cherche plus un ordre de

grandeur qu’une valeur très précise, celle-ci sera approximée à 5,0 g/cm3.

Le calcul présenté prochainement se base sur certaines hypothèses très importantes. On

considère également que l’épaisseur du revêtement est beaucoup plus petite que le diamètre

moyen des poudres et que la totalité du nickel, du zinc et de l’oxygène présent dans la

poudre recouverte est sous forme de ferrite. Il est à noter qu’une analyse d’oxygène a

préalablement été faite sur l’ATOMET 580 afin de soustraire la portion d’oxygène déjà

présente dans la poudre avant la déposition et qui par conséquent n’est pas sous forme de

ferrite. Les résultats de cette analyse ont révélé que 0,065%-m d’oxygène était présent au

départ dans la poudre de base.

La démarche décrite dans cette section se divise en quatre étapes. On commence par

trouver la relation reliant les concentrations en zinc et en nickel aux concentrations de

172

ferrite Ni Cferrite-Ni et de ferrite Zn Cferrite-Zn présentent dans la poudre. Ensuite, à l’aide des

relations obtenues, on trouve la relation permettant de connaître la concentration de ferrite

Fe (Fe3O4) Cferrite-Fe. Par la suite on converti les résultats trouvées en proportions molaires.

Finalement, l’épaisseur théorique moyenne sera calculée.

1 – Concentrations massiques des ferrites Ni et Zn

Par définition :

Équation 16

Équation 17

Où mNi et mZn représentent respectivement les masses en nickel et en zinc présentent dans

la poudre ayant une masse totale de mtot.

Toujours suivant la définition de la concentration massique, on trouve les concentrations en

nickel cNi et en zinc cZn dans les ferrites Ni (NiO-Fe2O3) et Zn (ZnO-Fe2O3) respectivement.

Équation 18

Équation 19

Où mferrite-Ni et mferrite-Zn représentent respectivement les masses de ferrite Ni et de ferrite Zn

présentent dans la poudre.

Maintenant en isolant mNi dans l’équation 18 et en le substituant dans l’équation 16, on

obtient :

Équation 20

De la même manière on obtient avec les équations 17 et 19 on obtient :

Équation 21

173

Finalement, en isolant les concentrations de ferrite Ni et Zn on trouve les deux relations

suivantes :

Équation 22

Équation 23

Où cNi et cZn sont des constantes qui ont été définies aux équations 18 et 19.

2 – Concentration massique de ferrite Fe

Dans la première partie, on s’est servi de la concentration en Ni et en Zn dans les ferrites Ni

et Zn pour déduire la concentration de ferrite dans la poudre étudiée. Pour trouver la

proportion de ferrite Fe, on ne peut se baser sur la concentration en fer dans la poudre

comme on a fait pour le nickel et le zinc puisque le substrat sur lequel on dépose le

revêtement est fait de fer. On doit donc trouver une méthode indirecte pour y arriver. En

considérant que tout l’oxygène, mise à part la portion présente dans la poudre avant la

déposition CO-init, est présent sous forme de ferrite. En connaissant la concentration

massique de ferrite Ni et Zn, on peut indirectement déduire la portion de ferrite Fe présente

dans la poudre.

Sachant que :

Équation 24

Équation 25

Équation 26

Où CO-Ni, CO-Zn et CO-Fe sont les concentrations massiques en oxygène contenues dans la

poudre provenant respectivement de la ferrite nickel, zinc et fer. Les masses d’oxygènes

associées à ces concentrations sont désignées par mO-Ni, mO-Zn et mO-Fe.

174

On doit maintenant trouver les concentrations en oxygène contenues dans les ferrites nickel

cO-Ni, zinc cO-Zn et fer cO-Fe.

Équation 27

Équation 28

Équation 29

Ensuite, en utilisant la même technique que celle qui fut utilisée pour trouver les équations

20 et 21, on obtient :

Équation 30

Équation 31

Équation 32

En posant l’hypothèse que tout l’oxygène contenu dans la poudre, outre la portion présente

avant le recouvrement, est présent sous forme de ferrite Ni, Zn ou Fe, on trouve l’équation

suivante :

Équation 33

Où CO correspond à la concentration totale en oxygène présente dans la poudre. Cette

relation permet de relier les termes CO-Ni, CO-Zn et CO-Fe. La concentration en oxygène

provenant de la magnétite CO-Fe étant le seul inconnu on peut maintenant connaître sa

valeur. En l’utilisant dans l’équation 32, on peut finalement déduire la concentration en

ferrite Fe présente dans les poudres étudiées.

3 – Proportions molaires des ferrites Ni, Zn et Fe

En connaissant les concentrations massiques des ferrites nickel, zinc et fer, on peut

convertir ces valeurs en proportions molaires. L’intérêt de faire cette conversion est qu’elle

permet d’exprimer la composition du revêtement sous la forme (NiO)x-(ZnO)y-Fe3-x-yO4-x-y

où x représente la proportion molaire de ferrite Ni et y représente la proportion molaire de

175

ferrite Zn. Il s’agit d’une formulation très répandue dans la littérature pour donner la

composition chimique des ferrites et d’autres composés.

Pour faire cette conversion, on commence d’abord par trouver le nombre de moles de

ferrite Ni, Zn et Fe.

Équation 34

Équation 35

Équation 36

Où Mferrite-Ni, Mferrite-Zn et Mferrite-Fe représente respectivement les masses molaires des

ferrites nickel, zinc et fer.

Finalement, pour connaître chacune des proportions molaires (Pferrite-Ni, Pferrite-Zn et Pferrite-Fe),

on divise le nombre de moles d’un type de ferrite par le nombre total de moles de ferrite.

Ainsi on obtient les trois équations qui suivent :

Équation 37

Équation 38

Équation 39

4 – Épaisseur théorique moyenne du revêtement

La concentration totale de ferrite présente dans la poudre peut être utilisée pour calculer

l’épaisseur théorique moyenne du revêtement. Il est possible de trouver cette dernière en

additionnant les concentrations de ferrites nickel, zinc et fer ensemble.

Équation 40

176

En considérant que le diamètre moyen des poudre est de beaucoup supérieur à l’épaisseur

du revêtement (D >> e), on peut faire l’approximation suivante :

Équation 41

Où Vferrite représente le volume total de ferrite et AFe représente la superficie de la poudre

de fer. On peut connaître cette valeur en utilisant la surface spécifique s de l’ATOMET 580

obtenue suite aux tests de BET et en la multipliant par la masse totale de poudre de fer mFe.

En procédant à cette modification on obtient la formule qui suit :

Équation 42

On peut exprimer cette équation en remplaçant le volume de ferrite par le rapport entre la

masse de ferrite mferrite et sa densité ρferrite.

Équation 43

Sachant la concentration totale de ferrite est définie par :

Équation 44

En isolant la masse de ferrite dans l’équation 44 et en la substituant dans l’équation 43 on

obtient finalement l’équation permettant de calculer l’épaisseur théorique moyenne du

revêtement.

Équation 45

177

Annexe B – Protocole d’utilisation de la boîte à gants

pour l’utilisation de nanoparticules

Auteurs : Louis-Philippe Lapierre-Boire, Paul-Emile Mongeon, Sylvain Pelletier, Yannig

Thomas

Institut des matériaux industriels – Conseil national de recherches du Canada

Boucherville, QC, Canada

2008

Équipement de protection personnel

1. Lunettes de sécurité

2. Gants de protection

3. Sarrau

4. Masque respiratoire /M avec filtre P100 solvant et poudre

5. Gant de rechange pour la boîte à gant ou élément de fermeture pour les trous

6. Mettre le cartable MSDS pour tous les produits introduits dans le laboratoire

Installation du sac protecteur pour une boîte à gant propre

1. Retirer les gants.

2. Ouvrir la partie avant de la boîte à gants en retirant la vitre de protection.

3. Insérer le sac avec les manches vers le devant de la boîte.

4. Fixer le sac à l’aide des velcros installés.

5. Remettre la vitre de protection.

6. Faire sortir les manches du sac par les trous pour les gants et les replier sur les

anneaux.

7. Remettre les gants.

Éléments nécessaires dans le sac protecteur lors de l’utilisation :

1. Plateau métallique.

2. Sacs de plastique de type ziplock.

3. Bec verseur contenant de l’isopropanol.

4. Bac métallique pour nettoyage.

178

5. Serviettes humides jetables.

Introduction d’éléments dans la boîte à gants

1. S’assurer que la ventilation est en fonction. Mettre en place un cadenas pour

s’assurer que la ventilation demeure en fonction.

2. Avant l’ouverture du SAS, s’assurer que les fermetures éclairs du sac de protection

sont bien fermées.

3. Ouvrir le SAS.

4. Mettre les éléments à insérer sur le plateau.

5. Refermer le SAS.

6. Ouvrir les fermetures éclairs du sac et tirer le plateau du SAS.

7. Prendre les éléments.

8. Pousser le plateau.

9. Refermer le sac de protection.

Sortie d’éléments de la boîte à gants

Équipement

1. Avant d’ouvrir le sac de protection, s’assurer de bien nettoyer l’équipement à l’aide

des serviettes humides*.

2. Ouvrir le sac et la porte intérieure du SAS.

3. Mettre l’équipement sur le plateau.

4. Fermer la porte intérieure du SAS et le sac de protection.

5. Avec des gants de protection, ouvrir la porte extérieure du SAS.

6. Prendre l’équipement et s’assurer qu’il soit bien nettoyé.

7. Nettoyer l’équipement à l’extérieur avec des lingettes puis à l’eau courante si

possible.

8. Refermer la porte extérieure du SAS.

Échantillons

1. Avant d’ouvrir le sac de protection, s’assurer de bien nettoyer l’échantillon à l’aide

des serviettes humides*.

2. Ouvrir le sac et la porte intérieure du SAS.

3. Mettre l’échantillon sur le plateau.

4. Fermer la porte intérieure du SAS et le sac de protection.

5. Avec des gants de protection, ouvrir la porte extérieure du SAS.

6. Prendre l’échantillon et le mettre dans un sac de plastique de type ziplock.

7. Refermer la porte extérieure du SAS.

En cas de déversement dans la boîte à gants

179

Déversement mineur (faible quantité)

1. S’assurer que la ventilation soit en marche.

2. Fermer toutes les ouvertures de la boîte à gant.

3. Avertir les responsables (chef de projet responsable du laboratoire).

4. Laisser reposer quelques heures le temps que les nanoparticules se déposent.

5. À l’aide de serviettes humides*, bien nettoyer l’équipement et les échantillons.

6. Sortir ces derniers selon les procédures mentionnées plus haut.

7. Bien nettoyer toutes les surfaces exposées au déversement à l’aide de serviettes

humides*.

Déversement majeur

1. S’assurer que la ventilation soit en marche.

2. Fermer toute les ouvertures de la boîte à gant.

3. Avertir les responsables avant de poursuivre (chef de projet responsable du

laboratoire).

4. Laisser reposer quelques heures le temps que les nanoparticules se déposent.

5. À l’aide de serviettes humides*, bien nettoyer l’équipement et les échantillons.

6. Sortir ces derniers selon les procédures mentionnées plus haut.

7. Mettre le masque respiratoire.

8. Retirer le sac de protection de la boîte à gants en suivant les procédures de

désinstallation suivantes :

a. Retirer les gants de la boîte à gants.

b. Refermer les manches le plus hermétiquement possible.

c. Ouvrir la partie avant de la boîte à gants en retirant la vitre de protection.

d. Retirer le sac de protection.

9. Disposer du sac de protection dans un contenant hermétique identifié.

10. Nettoyer l’intérieur de la boîte à gants à l’aide de serviettes humides*.

11. Installer un nouveau sac de protection selon les procédures mentionnées plus haut.

Ajuster le protocole au besoin.

* Toutes les serviettes humides utilisées doivent être disposées dans un sac de plastique de type ziplock

avant la sortie de la boîte à gants. Une fois à l’extérieur de la boîte à gants, les rejets sont disposés dans une chaudière identifiée muni d’un sac plastique.

180

Annexe C – Protocole pour la compaction de poudre

contenant des nanoparticules

Auteurs : Bernard Tougas, Philippe Lapointe, Paul-Emile Mongeon, Sylvain Pelletier

Institut des matériaux industriels – Conseil national de recherches du Canada

Boucherville, QC, Canada

2008

Équipement de protection personnel :

1. Lunettes de sécurité

2. Gants de protection en nitrile

3. Sarrau

4. Masque respiratoire 3M avec filtre P100 solvant et poudre. S’assurer d’avoir une

bonne étanchéité avec le visage.

5. Mettre le cartable MSDS pour tous les produits introduits dans le laboratoire.

Mesure de la quantité de poudre pour la compaction dans la

boîte à gants :

Éléments nécessaires dans le sac protecteur lors de l’utilisation

1. Plateau métallique

2. Sacs de plastique de type ziplock

3. Bec verseur contenant de l’isopropanol

4. Bac métallique pour nettoyage

5. Serviettes humides jetables

Introduction de la poudre à peser dans la boîte à gants

La liste d’équipement de protection personnel suivante implique que si l’utilisateur ne connaît pas le fonctionnement en question il devra se référer au guide de l’utilisateur.

181

1. S’assurer que la ventilation est en fonction. Mettre en place un cadenas pour

s’assurer que la ventilation demeure en fonction.

2. Avant l’ouverture du SAS, s’assurer que les fermetures éclairs du sac de protection

sont bien fermées.

3. Ouvrir le SAS.

4. Mettre le contenant qui contient la poudre à compacter et les fioles de verre qui

contiendront la poudre pesée sur le plateau.

5. Refermer le SAS.

6. Ouvrir les fermetures éclair du sac et tirer le plateau du SAS.

7. Prendre les éléments.

8. Pousser le plateau.

9. Refermer le sac de protection.

Préparation des échantillons

1. À l’aide de la balance électronique, mesurer la quantité de poudre requise pour la

compaction d’un échantillon et la placer dans une fiole de verre.

2. Répéter cette dernière étape pour chaque échantillon.

Sortie des fioles contenant la poudre à compacter de la boîte à gant

1. Avant d’ouvrir le sac de protection, s’assurer de bien nettoyer les fioles à l’aide

des serviettes humides.

2. Ouvrir le sac et la porte intérieure du SAS.

3. Mettre l’échantillon sur le plateau.

4. Fermer la porte intérieure du SAS et le sac de protection.

5. Avec des gants de protection, ouvrir la porte extérieure du SAS.

6. Prendre les fioles et le mettre dans un sac de plastique de type ziplock.

7. Refermer la porte extérieure du SAS.

Préparation du sac de compaction :

1. Utiliser un sac à gants de la compagnie Glas-Col modèle 108D X-27-17H. (Utiliser

un sac neuf à chaque utilisation)

2. Placer deux épaisseurs de téflon autocollant à l’intérieur et à l’extérieur du sac au

point de contact entre le piston et la partie supérieure du poinçon de la matrice.

3. Placer également deux épaisseurs de téflon autocollant à l’intérieur et à l’extérieur

du sac au point de contact entre le dessous de la matrice et la plaque d’acier sur

laquelle repose la matrice lors de la compaction.

4. Insérer la matrice, le poinçon et les pièces servant à l’éjection à l’intérieur du sac.

5. Mettre à l’intérieur du sac les éléments suivant :

a. Lingettes humides et sèches

b. Sac de type ziplock

c. Spatule

d. Canette d’air comprimé (si lubrification de type « Die-Wall »)

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e. Lubrifiant (si lubrification de type « Die-Wall »)

f. Conserver et réserver tous ces éléments (lingettes, canettes, etc) dans un

contenant ou une armoire identifié.

6. Introduire les fioles contenant la poudre préalablement pesées dans la boite à gant et

sceller hermétiquement les deux extrémités du sac à gants.

Procédure de compaction :

1. Remplir la matrice à l’aide de la poudre comprise dans une fiole.

2. Mettre le poinçon sur la matrice et essuyer la surface supérieure de la matrice avec

une lingette humide.

3. Compaction usuelle de la série de pièces.

4. Bien nettoyer avec les lingettes humides les surfaces ayant été en contact avec la

poudre (fiole, matrice, poinçons, sac, spatule, etc).

5. Mettre les lingettes dans un sac ziplock.

6. Lorsque toutes les compactions sont effectuées, amener la matrice sous une hotte à

l’aide d’un chariot.

7. Sous une hotte en fonction et en utilisant tout l’équipement de protection personnel

mentionné plus haut, ouvrir le sac à l’aide d’un paire de ciseaux et y extraire tous

les éléments.

8. Toujours sous la hotte, nettoyer tous les éléments à l’aide de lingettes humides. En

particulier, procéder à un nettoyage complet de la matrice. Démonter complètement

cette dernière et nettoyer chacune de ses parties avec des lingettes humides avant de

la remonter.

9. Récupérer les fioles utilisées en les réinsérant dans la boîte à gant et en les nettoyant

avec de l’isopropanol pour des utilisations futures.

10. Disposer du sac à gants et des déchets dans un contenant hermétique identifié à cet

effet**

. En cas de déversement, voir section suivante.

En cas de déversement dans le sac de compaction :

1. Laisser reposer quelques heures le temps que les nanoparticules se déposent.

Identifier la zone, avertir le responsable du projet et le responsable de laboratoire.

2. Porter tout l’équipement de protection personnel mentionné plus haut.

3. À l’aide de serviettes humides, bien nettoyer l’équipement et les échantillons.

4. Bien nettoyer toutes les surfaces exposées au déversement à l’aide de serviettes

humides et disposer du sac de compaction ainsi que de tous les déchets dans un

contenant hermétique identifié à cet effet.

** Le contenant servant à disposer du matériel ayant été en contact avec des nanoparticules est situé sous la

boîte à gant. Sur celui-ci on doit indiquer le nom des personnes responsables et la liste des produits dangereux qu’il contient.