Pourquoi les métaux des terres rares sont-ils importants pour l'électronique?

J'ai beaucoup entendu dans les médias à quel point les métaux des terres rares sont importants (du point de vue économique de la Chine limitant leurs exportations), mais qu'est-ce que certains d'entre eux font réellement qui les rend si essentiels qu'on ne peut pas en faire plus des éléments communs comme le silicium, l'or, le cuivre, l'aluminium, le germanium, etc.? Il semble que tous les éléments constitutifs d'un ordinateur numérique tels que les transistors puissent être fabriqués sans eux, alors pourquoi tant de bruit?

J'ai creusé un peu pour des articles, mais tous ceux-ci sont écrits pour le grand public et ne nomment que les appareils qui nécessitent des terres rares plutôt que des composants réels.

Bien que le tantale ne soit pas l'une des terres rares - c'est l'un des "métaux de transition", comme l'or - la rareté du tantale (1 ou 2 ppm de la croûte terrestre) et son utilisation principale en électronique (condensateurs au tantale) cadrent avec la portée de cette question.

Aux États-Unis (juillet 2010), une législation récente oblige les entreprises à divulguer si elles utilisent des produits contenant du tantale obtenus en République démocratique du Congo (RDC). En conséquence, les prix ont fortement augmenté, les autres producteurs revenant lentement en ligne. Une mine en Australie représente 1/3 de la production mondiale potentielle mondiale.

(Remarque: l'échelle verticale du graphique ne commence pas à zéro, elle donne un aspect légèrement déformé. Le graphique en taille réelle est ici )

Parce que les condensateurs électrolytiques au tantale peuvent être beaucoup plus petits que les condensateurs électrolytiques en aluminium de la même capacité et ont des tensions nominales plus élevées, ils sont utilisés dans presque tous les téléphones cellulaires et dans d'autres équipements électroniques portables.

Il y a quelques années, j'ai conçu quelques "tants" de 1 000 µF dans un produit, et récemment le fabricant sous contrat nous a contactés pour nous dire que le délai de livraison des pièces s'étalait sur 16 semaines et m'a demandé si je pouvais trouver un substitut. À la suite de cet exercice, dans ma dernière conception, je suis retourné aux condensateurs électrolytiques en aluminium montés en surface, même s'il y avait une pénalité d'espace importante.

Jetez un œil à ce qui se trouve réellement dans un circuit intégré, y compris son emballage. Le silicium lui-même est abondant (cher à raffiner à haute pureté et bonne structure cristalline, mais néanmoins abondant), mais qu'en est-il des éléments de dopage utilisés pour fabriquer les semi-conducteurs P et N? Et les LED? Ce ne sont généralement pas du silicium et contiennent souvent du gallium, par exemple. Qu'en est-il des céramiques spéciales utilisées dans les semi-conducteurs qui doivent avoir des propriétés thermiques étroitement liées au silicium? Jetez un œil à la composition des différentes céramiques des condensateurs céramiques.

L'électronique contient beaucoup plus de matériaux que le cuivre et le silicium.

Ce ne sont pas nécessairement les puces en silicium dont ils parlent. Le tantale entre dans les condensateurs, l'étain dans la soudure, le lithium dans les batteries. Le néodyme se transforme en petits aimants super puissants qui maintiennent le couvercle sur votre iPad ou l'adaptateur mural sur votre MacBook.

Ces divers composants étaient dans de nombreux cas déjà fabriqués à partir d'éléments plus abondants dans le passé, mais les percées de la science des matériaux ont permis de grandes améliorations qui, dans certains produits (relativement coûteux), valaient et valent le coût supplémentaire du matériau. Comparez un téléphone portable "brick" Motorola des années 80 à un iPhone et ce ne sont pas seulement les puces qui se sont améliorées de façon spectaculaire. Les aimants peuvent être en fer, les batteries en plomb, les condensateurs en aluminium. C'est juste que ces appareils sont considérablement plus grands, plus lourds ou d'une autre manière pires que leurs homologues plus modernes.

Dernièrement, il a été demandé si cela valait le coût humain, les vies perdues à la guerre et l'esclavage autour des mines congolaises qui approvisionnent en tantale, étain et tungstène. Une autre question est de savoir ce qui se passera alors que la Chine, qui approvisionne la majeure partie de l'approvisionnement mondial en éléments de terres rares tels que le néodyme, réduit ses exportations pour alimenter sa propre capacité de fabrication. (Réponse: Molycorp rouvre une ancienne mine en Californie.)

C'est un argument comparable pour savoir si la conduite d'une voiture propulsée par le pétrole est immorale lorsque les gens mènent des guerres pour le pétrole. Le problème n'est pas tant que le pétrole est rare aujourd'hui que sa distribution en grappes sur la planète facilite la concentration de la richesse en monopolisant la production plutôt que si elle était distribuée de manière plus égale. Bien sûr, nous pouvons imaginer que les fournitures s'assèchent dans quelques décennies, mais c'est un peu plus loin que dans les 5 à 15 ans, la plupart des gens garderont leur prochaine voiture. Vous pouvez alimenter une voiture avec un moteur à vapeur au charbon, ou une centrale électrique au charbon qui charge les batteries, ou des panneaux solaires chargeant les batteries, mais l'essence a le meilleur mélange de fonctionnalités et de prix pour le moment pour la plupart des clients payants. concerné. Il reste à voir si la majeure partie de l'humanité renoncera à l'essence pour les voitures électriques avant qu'elles ne coûtent moins cher.

Ce n'est pas nécessairement le cas que les choses s'amélioreront inexorablement. Les batteries peuvent être fabriquées à partir d'autres éléments qui sont des ordres de grandeur plus abondants, comme le fer et le sodium, mais ces batteries peuvent ne jamais avoir l'énergie par poids d'une batterie au lithium. Il est possible que dans quelques siècles, après l'extraction du pétrole, du charbon, du lithium, etc., les gens conduiront des voitures qui ont beaucoup moins d'autonomie qu'aujourd'hui, mais qui se rechargent assez rapidement pour que cela n'ait pas trop d'importance. D'un autre côté, quelque chose de bien meilleur pourrait arriver, ou qui sait, peut-être que nous serons tous en vidéoconférence d'ici là.

Il y a des scientifiques qui travaillent sur ces problèmes, mais la science des matériaux est un domaine lent. Il est très difficile, voire impossible, de modéliser les propriétés macroscopiques d'un nouveau matériau dans un ordinateur. Le progrès passe essentiellement par des essais et des erreurs éclairés. Même une fois qu'un nouveau matériau est assez bien compris, le modèle théorique et les tests expérimentaux peuvent ne pas s'aligner parfaitement. Essayer de concocter de nouveaux matériaux à partir d'une liste de souhaits de propriétés souhaitées peut prendre des décennies.

Eh bien, il y a beaucoup de tracas commerciaux autour de tout cela. En fait, vous avez besoin de très très peu de matériaux de terres rares dans la (micro) électronique grand public moderne. Certains appareils électroniques dépendent en effet fortement d'eux (comme certains moments des lasers et des LED), mais ils consomment à peine une quantité importante de production mondiale. En outre, une utilisation notable concerne les aimants permanents.

Les principaux utilisateurs de terres rares sont des types spéciaux d'acier et d'autres matériaux utilisés dans les zones spatiales / militaires / nucléaires (et, évidemment, personne ne révélera la quantité utilisée dans chaque pays).

Jetez également un œil ici: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

Pourquoi les métaux des terres rares sont-ils importants pour l'électronique?

Parce que la même propriété nommée "taille ionique" rend ce métal à la fois:

• extraordinaire électriquement sage
• et géologiquement rare (qui leur a donné le nom)

Une certaine valeur spéciale du rapport de la taille ionique avec la masse atomique pour chacun de ces éléments rendra difficile leur concentration dans la nature et leur séparation chimique. Le même rapport fait que les propriétés comme la ferroélectricité, le ferromagnétisme, la constante diélectrique élevée des oxydes, etc. sont supérieures à d'autres éléments moins rares avec des tailles ioniques différentes.

Le coût élevé des éléments rares a une cause naturelle. Note latérale: Les éléments les plus rares et les plus chers en électronique sont "unobtanium" et "unaffordium".