Métaux rares ou de haute technologie

Les minéraux et les roches sont régulièrement utilisés de nos jours dans la fabrication de produits de la vie courante. Il en est de même pour les métaux rares.

Les métaux rares, également appelés « métaux stratégiques » ou « métaux de haute technologie », sont en général des métaux non ferreux. Ils sont utilisés en petite quantité avec d’autres métaux et substances chimiques dans la fabrication de nombreux produits industriels.

Monocristal de bastnaesite Ce(CO3)F

Les métaux rares sont utilisés dans de nombreux biens de consommation (d’après Énergie et Ressources naturelles du Québec) :

  • Téléphones cellulaires, baladeurs, processeurs, pièces informatiques
  • Écrans de téléviseurs et d’ordinateurs
  • Véhicules hybrides et véhicules électriques
  • Superconducteurs
  • Aimants permanents (moteurs électriques)
  • Alliages et superalliages (aéronautique)
  • Instruments chirurgicaux et implants
  • Optique filtres pour rayons X, lasers
  • Raffinage du pétrole, additifs et catalyseurs
  • Verres et céramiques
  • Batteries rechargeables et accumulateurs
  • Éoliennes
  • Cellules photovoltaïques
  • Ampoules lumineuses ultra-efficaces
  • Systèmes de radar et équipements militaires
  • Convertisseurs catalytiques
  • Industrie chimique et industrie nucléaire
  • Produits de polissage
Monocristal de monazite, La,Ce,Nd)PO4

Origine et usage des métaux de haute technologie

Quelques exemples permettent d’illustrer l’utilisation des métaux utilisés dans la production d’objets de haute technologie. Les contextes d’usage et d’extraction géologiques sont multiples et témoignent alors de la diversité de ces substances.

Le lithium est concentré dans les saumures des lacs salés (Bolivie ou Chili) et dans les gisements pegmatitiques (roche magmatique à gros cristaux résultant de la cristallisation d’un magma riche en eau) dont trois minéraux lithinifères sont extraits : le spodumène (LiAlSi2O6), la pétalite (LiAlSi4O10) et la lépidolite (KLi2AlSi3O10(OH,F).
Le lithium trouve une application bien connue dans la production de piles et de batteries rechargeables ou à haute tension. Il est également utilisé dans l’industrie du verre et des céramiques, dans l’industrie des thermoplastiques et entre aussi dans la composition de lubrifiants spéciaux.

Le béryllium est l’élément essentiel du béryl Be3Al2(SiO3)6. Il est extrait principalement de la bertrandite (Be4Si2O7(OH)2), un minéral qui provient du lessivage de roches volcaniques par les fluides hydrothermaux.

Le béryllium est souvent employé comme durcissant dans les alliages. On le retrouve dans des clubs de golf, des étriers de freins, mais aussi en dentisterie et dans le domaine spatial.

Le zirconium est présent dans la nature sous forme de zircon (ZrSiO4) ou sous forme de baddeleyite (ZrO2). Il est considéré comme un minéral accessoire dans la plupart des roches.

Le zirconium est utilisé pour la fabrication de carrelages sous forme de zircon. Le métal pur sert de revêtement dans de nombreux domaines comme pour la fabrication de moteurs à réaction, de fours et dans l’industrie nucléaire. ZrO2, d’appellation courante zircone, est la matière de fabrication des céramiques utilisées pour les implants dentaires actuels.

Le germanium et le gallium sont présents essentiellement dans la sphalérite ((Fe,Zn)S) en substitution du zinc. Ils sont extraits à partir de minerais de zinc. Le germanium est également présent dans les mines d’argent, de plomb, de cuivre, mais aussi dans les charbons et dans la bauxite, roches principalement constituées d’hydroxydes d’aluminium et de fer. Lors de l’extraction de l’aluminium, le gallium est extrait de la bauxite. Le gallium trouve des applications dans le domaine des semi-conducteurs. Le germanium quant à lui, est utilisé dans la technologie des fibres optiques, la catalyse, l’électronique, l’optique ou encore les cellules photovoltaïques.

Le niobium et le tantale sont présents dans de nombreuses roches issues des magmas. Celles-ci sont enrichies en ces éléments lors de la latéritisation (très forte altération des sols comme en Afrique) et la formation de placers (concentration des grains détritiques sous l’action de l’eau).
La columbite (Fe,Mn)(Nb>Ta)2O6 contient en proportions variables de deux métaux toujours associés : le niobium et le tantale. Dans les gisements contenant ces deux métaux, on trouve aussi du pyrochlore (Na,Ca)2Nb2O6(OH,F), du microlite (Na,Ca)2Ta2O6(O,OH,F) et de la wognite.

Le niobium est utilisé dans les alliages, en particulier pour les aciers, les aimants supraconducteurs ou encore des scanners IRM. Le tantale est quant à lui utilisé pour la fabrication d’instruments chirurgicaux et d’implants, car il ne réagit pas avec les fluides corporels. Il a également de nombreuses applications en électronique et dans l’industrie chimique.

Les éléments des terres rares peuvent être extraits à partir de carbonatites, des roches magmatiques particulières riches en carbonate. Le plus important gisement en tonnage est celui de Bayan Obo en Chine, qui produit la grande majorité des terres rares. Certains gisements sont liés à des altérations de surface de roches magmatiques tandis que d’autres appartiennent à des contextes géologiques différents comme des granites, des placers ou encore des zones hydrothermalisées. Les principaux minéraux de Terres Rares exploitables sont la bastnaesite Ce(CO3)F, la monazite (La,Ce,Nd)PO4, le xénotime Y(PO4) et la parisite Ca(Ce,La)2(CO3)3F2. Il existe aussi des silicates de terres rares comme l’allanite (Ca,Ce,La, Nd, Y, Th)2(Al, Fe, Mn, Mg)Al2O(SiO4)(Si2O7)(OH) mais qui sont non exploités industriellement.

Outre les aimants permanents, les terres rares sont beaucoup utilisées aujourd’hui comme catalyseurs dans l’industrie pétrolière et automobile et dans certains alliages métalliques. On les retrouve dans les nouvelles technologies (smartphones, tablettes, ordinateurs, téléviseurs…) mais aussi dans d’autres secteurs très stratégiques tels que l’aviation, l’armement et le secteur des énergies renouvelables (moteurs de voitures électriques ou hybrides, batteries d’éoliennes onshore et offshore).
Les terres rares sont également utilisées dans des applications plus classiques. Par exemple, le cérium est employé pour le polissage du verre, dans le secteur de l’optique et des roches ornementales.