Les métaux rares dans la vie quotidienne : utilisations courantes et pourquoi ils sont importants

Les métaux rares sont les bêtes de somme de la vie quotidienne moderne. Ils se trouvent à l’intérieur du téléphone dans une main, du moteur électrique dans une vitre de voiture, du foret dans une boîte à outils et de l’implant dans une salle d’hôpital, mais la plupart d’entre eux ne sont jamais considérés comme des métaux. Comprendre lesquels de ces éléments sont véritablement rares et où ils apparaissent réellement aide les ingénieurs et les acheteurs à évaluer le risque d’approvisionnement au lieu d’y réagir.

Qu'est-ce qui rend un métal rare

Un métal est généralement qualifié de rare lorsqu’il est rare dans la nature, largement dispersé ou difficile à extraire de sa matière première. La dispersion compte autant que l’abondance. Le zirconium, le vanadium, le lithium et le béryllium sont tous plus abondants dans la croûte terrestre que le plomb, le zinc, le mercure ou l'étain, mais ils sont classés comme rares car ils forment rarement des minerais concentrés et économiquement exploitables et sont souvent récupérés comme sous-produits d'autres activités minières. À mesure que la technologie d’extraction s’améliore, la frontière pratique entre les métaux rares et communs ne cesse de bouger, et plusieurs éléments autrefois traités comme des curiosités sont désormais produits à l’échelle industrielle.

Les cinq familles actives des métaux rares

Pour plus de commodité, les métaux rares sont regroupés selon leur comportement physique et chimique commun, selon la manière dont ils se produisent dans les matières premières et selon les procédés utilisés pour les extraire. Les cinq familles habituelles sont :

Métaux légers rares, tels que le lithium, le rubidium, le césium et le béryllium, appréciés pour leur très faible densité.

Métaux réfractaires rares, tels que le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale, le molybdène, le tungstène et le rhénium, appréciés pour leurs points de fusion très élevés.

Métaux rares dispersés, tels que le gallium, l'indium, le germanium et le thallium, qui forment rarement leurs propres gisements et sont récupérés à partir des résidus de procédé.

Métaux des terres rares, notamment le scandium, l'yttrium, le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme et le prométhium, dont la chimie est dominée par un comportement ionique très similaire.

Métaux radioactifs rares, tels que le radium, l'actinium, le thorium et l'uranium, traités sous contrôles radiologiques dédiés.

En métallurgie, ces familles font le gros du travail que l'acier ordinaire ne peut pas faire : elles fabriquent des aciers spéciaux, des alliages super-durs et des alliages-résistants à la chaleur, elles récupèrent l'oxygène et le soufre des matières fondues, elles affinent la structure des grains et elles fournissent les fonctions magnétiques, optiques et électroniques qu'aucun métal conventionnel ne peut fournir.

Métaux rares dans la maison et dans l'électronique grand public

Regardez à l’intérieur d’une maison typique et la liste des métaux rares est étonnamment longue. Le lithium alimente les batteries rechargeables des téléphones, des ordinateurs portables, des outils électriques et des aspirateurs sans fil. Le tantale, sous forme de poudre frittée, se trouve dans les petits condensateurs solides que l'on trouve sur presque tous les circuits imprimés. Le gallium apparaît dans les diodes électroluminescentes-, dans les puces haute-fréquence et dans les composés utilisés pour les chargeurs rapides. L'indium est déposé sous forme d'oxyde d'étain et d'indium pour constituer la couche conductrice transparente des écrans tactiles et des écrans plats. Le néodyme et le praséodyme entrent dans la composition des aimants permanents, petits mais puissants, qui entraînent les haut-parleurs, les écouteurs, les disques durs, les moteurs de mise au point automatique des caméras et les moteurs des machines à laver. L'yttrium et le cérium servent de phosphores dans les lampes et les écrans, et l'oxyde de cérium reste l'un des composés de polissage du verre les plus efficaces.

Dans une cuisine ou un atelier, le même schéma se répète. Le tungstène produit les filaments des anciennes lampes à incandescence et, bien plus utilement aujourd'hui, le carbure de tungstène qui forme les pointes coupantes des forets, des lames de scie et des fraises. Le molybdène améliore la ténacité et la résistance aux températures élevées-des aciers à outils et apparaît dans les lubrifiants solides pour les joints à pression extrême-. Le vanadium renforce les aciers à outils et les alliages structurels à haute résistance. Le titane, bien que techniquement un métal réfractaire et structurel, apparaît dans les montures de lunettes, les boîtiers de montres, les ustensiles de cuisine de camping et les équipements sportifs car il est léger, solide et résistant à la corrosion. Les alliages de silex contenant du cérium-étincellent encore dans les-outils d'allumage d'incendie, et les alliages à base de lanthane-sont utilisés dans les électrodes de batterie à hydrure métallique-de nickel-hydrure métallique et dans les travaux de stockage d'hydrogène.

Les métaux rares dans les transports, l'énergie et les soins médicaux

L’électrification a déplacé les métaux rares du laboratoire vers la route. Les moteurs de traction et les générateurs d'éoliennes utilisent des aimants en néodyme-fer-bore, tandis que les cathodes de batterie dépendent du lithium ainsi que du nickel et du cobalt, et les anodes de batterie peuvent utiliser du graphite avec des ajouts de silicium. Les convertisseurs catalytiques utilisent des métaux du groupe du platine-avec de l'oxyde de cérium pour stocker et libérer de l'oxygène. Les pièces structurelles légères utilisent de plus en plus d'alliages de titane où le rapport résistance-/-poids détermine les performances.

La technologie médicale en dépend d’une manière difficilement substituable. Le titane et ses alliages, dans les qualités commercialement pures et dans Ti-6Al-4V ELI, constituent la base des plaques osseuses, des vis, des implants dentaires et des arthroplasties, car ils résistent aux attaques des fluides corporels et s'intègrent aux os. Les céramiques d'oxyde de zirconium constituent les surfaces d'usure de certains implants de hanche, et une petite quantité d'alliage de zirconium est utilisée pour le revêtement des assemblages de combustible nucléaire où la transparence des neutrons est importante. Les composés de gadolinium servent d'agents de contraste dans l'imagerie par résonance magnétique, et les cristaux à base de lutétium se trouvent dans les scanners TEP. Les cristaux de grenat d'yttrium et d'aluminium sont le moyen de gain de nombreux lasers médicaux et industriels.

Tableau de référence des utilisations quotidiennes des métaux rares

Approvisionnement, substitution et utilisation responsable

Étant donné qu'un grand nombre de métaux rares sont récupérés en tant que sous-produits, leur approvisionnement est lié à la rentabilité du métal primaire qu'ils accompagnent, et la pénurie d'un élément ne peut pas toujours être résolue simplement en en extrayant davantage. Cette réalité conduit à trois réponses pratiques. Les concepteurs réduisent la quantité nécessaire par unité, comme cela s'est produit avec les formulations d'aimants et de condensateurs. Les fabricants développent des substituts qui acceptent des performances légèrement inférieures, tels que des produits chimiques alternatifs à aimants permanents et des qualités de palladium inférieures-dans les alliages résistants à la corrosion-. Les recycleurs récupèrent les métaux qui se concentrent bien dans les équipements-en fin de vie-, notamment les métaux des batteries, le carbure de tungstène et les aimants de terres rares.

Pour les acheteurs industriels, la leçon est simple. Traitez la teneur en métaux rares comme un risque d’approvisionnement, et non comme une simple ligne sur la nomenclature. Sachez quels éléments sont essentiels à la fonction, identifiez à l'avance une qualité alternative approuvée, maintenez des tolérances de spécification réalistes afin que les matériaux rares ne soient pas gaspillés et concevez pour le démontage afin que la récupération reste possible lorsque l'équipement atteint la fin de sa durée de vie.

Foire aux questions

Q : Les métaux rares sont-ils réellement rares dans la croûte terrestre ?
Pas toujours. Plusieurs, dont le zirconium, le vanadium, le lithium et le béryllium, sont plus abondants que le plomb, le zinc, le mercure ou l'étain. On les qualifie de rares parce qu'ils sont dispersés et difficiles à extraire économiquement plutôt que parce que leur quantité totale est faible.

Q : Comment les métaux rares sont-ils classés ?
La classification de travail commune sépare les métaux légers rares, les métaux réfractaires rares, les métaux rares dispersés, les métaux des terres rares et les métaux radioactifs rares, regroupant des éléments qui partagent un comportement physique, une présence dans les matières premières ou des voies d'extraction.

Q : Quels métaux rares un smartphone contient-il ?
Un combiné typique utilise du lithium dans la batterie, du tantale dans les condensateurs solides, de l'indium dans le revêtement de l'écran tactile, du gallium dans les composants de radiofréquence et d'affichage, du néodyme dans le haut-parleur et les aimants vibrants, ainsi que de petites quantités de phosphores de terres rares dans l'écran.

Q : Pourquoi le titane est-il regroupé avec les métaux rares alors qu’il est largement utilisé ?
Le titane est classé parmi les métaux rares réfractaires car son extraction est difficile et gourmande en énergie, même si son utilisation industrielle s'est considérablement développée dans les produits aérospatiaux, chimiques, médicaux et de consommation.

Q : Les métaux rares peuvent-ils être remplacés ou recyclés ?
Les deux itinéraires sont actifs. Les formules d'aimants et de condensateurs à faible teneur en-réduisent la demande, des produits chimiques alternatifs remplacent certains éléments critiques et le recyclage récupère les métaux des batteries, les outils en carbure de tungstène et les aimants de terres rares là où des systèmes de collecte existent.

Q : Que doit faire un acheteur face au risque d’approvisionnement en métaux rares ?
Identifiez les éléments qui sont fonctionnellement critiques, qualifiez une qualité alternative avant qu'une pénurie ne se produise, gardez des spécifications réalistes pour éviter le gaspillage et choisissez des conceptions qui permettent de séparer et de récupérer les composants en fin de vie.