Science des matériaux
Tungstène – Un Métal Méconnu des Hautes Technologies
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Le métal stratégique oublié
Les investissements dans les matières premières se concentrent souvent sur les marchés les plus importants en volume et en valeur : pétrole, gaz, produits alimentaires, fer et cuivre. Ils peuvent aussi viser des matériaux associés aux nouvelles technologies, comme le lithium, le cobalt, le nickel et les terres rares.
Malgré leur importance capitale pour la société industrielle moderne, certaines parties importantes du tableau périodique des éléments sont hors des feux de la rampe.
Le tungstène en est un bon exemple : il sert à fabriquer des semi-conducteurs, des composants aérospatiaux et des équipements militaires. Ses applications dans les batteries et la fusion nucléaire font également l’objet de recherches.
Ses usages et la forte concentration de sa production en Chine en font un métal stratégique, particulièrement dans un contexte de tensions géopolitiques et de préoccupations concernant la sécurité des approvisionnements.
Selon les estimations de l’USGS pour 2023, les pays autres que la Chine représentaient moins de 20 % de la production mondiale de concentrés de tungstène.
Source: Almonty
Un métal aux propriétés exceptionnelles
Le tungstène se distingue notamment par son point de fusion, le plus élevé parmi les métaux, à environ 3 400 °C. Sa densité est également très élevée, proche de celle de l’uranium.
Le tungstène résiste à de nombreux environnements chimiques. Il ne réagit pas avec l’eau à température ambiante, mais sa résistance à la corrosion dépend du milieu et de la température ; il peut notamment s’oxyder lorsqu’il est chauffé à l’air.
Il possède une résistance mécanique élevée, dont la valeur dépend de sa pureté, de sa forme et des conditions de mesure.
Combiné au carbone, il forme le carbure de tungstène, un matériau très dur utilisé dans les outils de coupe. Celui-ci reste toutefois moins dur que le diamant.
Source: Chemistry Learner
Approvisionnement en tungstène
Le tungstène a été isolé en 1783 par les frères Elhuyar. Ses principaux minerais comprennent la wolframite ((Fe,Mn)WO4), dont le nom wolfram est à l’origine du symbole chimique W. On le trouve également dans la scheelite (CaWO4). Le nom « tungstène » vient du suédois et signifie « pierre lourde ».
Le tungstène est un élément relativement peu abondant dans la croûte terrestre. Les gisements suffisamment concentrés pour permettre une exploitation économique sont rares.
L’extraction, la purification et la transformation du tungstène nécessitent des procédés complexes et énergivores, ce qui contribue à son coût.
Applications du tungstène
Ses propriétés justifient son utilisation dans de nombreuses applications industrielles où la résistance à la chaleur, à l’usure ou aux contraintes mécaniques est essentielle.
La demande provient ainsi de plusieurs secteurs, des usages industriels traditionnels aux technologies émergentes.
Source: Almonty
Cependant, le tungstène pourrait bientôt voir davantage d’applications dans des versions améliorées d’alliages (métaux mélangés) appelés alliages réfractaires. Ceux-ci sont extrêmement résistants à la chaleur et sont fabriqués en combinant des métaux des cinquième et sixième périodes du tableau périodique des éléments : le molybdène, le niobium, le tungstène, le tantale et le rhénium.
Des scientifiques ont récemment découvert que l’on peut rendre ces alliages plus flexibles et moins fragiles, les rendant ainsi plus utiles (bien qu’ils aient utilisé un alliage niobium-molybdène-tantale-hafnium sans tungstène).
Construction, exploitation minière et industrie
Le carbure de tungstène est couramment utilisé pour fabriquer des forets très durs et d’autres outils capables d’usiner l’acier, le béton et divers matériaux.
Il est particulièrement utile pour percer la roche dans les mines grâce à sa résistance thermique et mécanique, ainsi que pour le traitement du métal dans les processus industriels.
La demande de ce segment est relativement stable et suit principalement l’activité économique mondiale globale.
Source: Planetary.org
Défense
Le tungstène entre dans certains équipements de protection et, grâce à sa densité, dans des projectiles perforants et d’autres munitions.
En raison de ces usages, le tungstène fait partie des matériaux stratégiques détenus par la Defense Logistics Agency américaine. Les ventes effectuées au fil des années ont réduit les stocks de l’agence.
En 2022, le gouvernement américain a décidé d’inverser la tendance et de reconstituer les réserves stratégiques de « minéraux essentiels aux chaînes d’approvisionnement de la défense, tels que le titane, le tungstène et le cobalt ».
Ces ventes ont inclus 3 000 tonnes courtes de titane, utilisées dans la construction de structures aéronautiques militaires, et 76 millions de livres de minerais et concentrés de tungstène, utilisés dans les moteurs à turbine militaires et les munitions perforantes.
Aérospatiale
La résistance du tungstène à la chaleur permet son utilisation dans certaines tuyères de fusées et de missiles. Le développement des activités spatiales et des constellations de satellites pourrait accroître les débouchés de ces composants.
Le tourisme spatial, l’exploitation future d’astéroïdes et le transport hypersonique point à point via des vols suborbitaux sont également susceptibles d’augmenter la demande de tungstène.
Il est également utilisé dans certains composants aéronautiques, notamment des systèmes d’équilibrage et d’inertie.
Semi-conducteurs
Un rôle souvent méconnu du tungstène concerne la fabrication des semi-conducteurs. Un de ses composés gazeux, l’hexafluorure de tungstène, est utilisé comme précurseur pour déposer des couches de métal.
Le dépôt chimique en phase vapeur permet de former de fines couches de tungstène. Les réactions du précurseur avec les surfaces et les couches intermédiaires doivent être contrôlées pour obtenir les propriétés recherchées.
Des pointes microscopiques en tungstène servent aussi à tester les composants. Des applications informatiques expérimentales étudient notamment des portes à réaction d’oxydoréduction utilisant l’oxyde de tungstène(VI) (WO3) et l’oxyde de vanadium(IV) (VO2).
La demande de tungstène pour les semi-conducteurs dépend donc du volume de production et de l’évolution des procédés de cette industrie.
Automobile
La fabrication de batteries constitue un débouché émergent. Les usages automobiles du tungstène concernaient auparavant surtout les vilebrequins, pistons, engrenages et autres pièces mécaniques à hautes performances, avant le développement des véhicules électriques.
Certaines estimations sectorielles évoquent environ 2 kg de tungstène par véhicule électrique, mais cette quantité varie selon la conception des batteries, les composants électroniques et les matériaux utilisés ; elle ne s’applique pas à tous les véhicules.
Le développement des véhicules hybrides pourrait également soutenir certains usages dans les batteries et les pièces mécaniques soumises à de fortes contraintes.
« Les grands constructeurs automobiles semblent ralentir leurs projets de véhicules électriques, tandis que les hybrides paraissent constituer un pari plus important à court terme. Le tungstène joue aussi un rôle dans certains systèmes d’engrenages des hybrides.
Sa résistance mécanique et thermique peut être utile aux composants soumis aux contraintes du passage entre motorisation électrique et thermique. »
Lewis Black, directeur, président et PDG d’Almonty Industries (ALM )
Énergie
Hydrogène
Au-delà des batteries, le tungstène est étudié pour certaines technologies énergétiques à faibles émissions de carbone.
Une piste consiste à l’intégrer dans des catalyseurs destinés à produire de l’hydrogène. Des chercheurs ont notamment étudié un alliage de ruthénium, de silicium et de tungstène (RuSiW) pour cette application.
Dans ce système, le tungstène contribue à stabiliser le ruthénium, qui constitue la partie active du catalyseur. Ces recherches cherchent à améliorer la durabilité et à réduire le recours à des matériaux coûteux ; elles ne démontrent pas un remplacement universel des catalyseurs existants.
Fusion
Le tungstène est aussi étudié pour les parois des dispositifs de fusion nucléaire. En 2024, le tokamak WEST a maintenu un plasma chaud pendant 364 secondes, soit un peu plus de six minutes. Il ne s’agissait pas d’une production nette d’énergie par fusion.
« Nous devons fournir une nouvelle source d’énergie, et cette source doit être continue et permanente. Ce sont de beaux résultats. Nous avons atteint un régime stationnaire malgré un environnement difficile dû à cette paroi en tungstène. » – Xavier Litaudon, scientifique au CEA et président du CICLOP
Ces travaux montrent que les matériaux capables de résister aux conditions du plasma, comme le tungstène, comptent aux côtés de la physique et des systèmes magnétiques dans le développement de la fusion.
Autres
Le tungstène possède d’autres applications spécialisées, anciennes ou émergentes, qui représentent une part plus limitée de la demande. Il est notamment utilisé dans :
- Certaines lentilles destinées à la réalité virtuelle.
- Les appareils à rayons X.
- La microscopie électronique.
- Les instruments chirurgicaux.
- La bijouterie.
- Les filaments de lampes.
- Des biens de consommation, comme les clubs de golf.
Entreprises du tungstène
1. Almonty Industries (AII.TO)
En 2024, Almonty était notamment producteur de tungstène au Portugal, dans une mine exploitée depuis plus d’un siècle.
L’entreprise travaillait à l’extension de ses activités portugaises et possédait également des projets en Espagne.
Source: Almonty
Son principal projet de développement était la mine de Sangdong, en Corée du Sud.
Selon les estimations présentées par l’entreprise, les ressources présumées de Sangdong dépassaient celles de ses autres gisements réunis.
Source: Almonty
Almonty figure parmi les producteurs de tungstène actifs hors de Chine, ce qui lui confère un intérêt stratégique pour les chaînes d’approvisionnement industrielles et de défense.
Ses projets peuvent contribuer à diversifier les sources d’approvisionnement.
En 2024, la direction présentait Sangdong comme un projet susceptible de modifier l’approvisionnement hors de Chine et avançait une contribution potentielle de 30 % à ce marché. Ces chiffres correspondaient à des projections de l’entreprise, dépendantes de la mise en service et de la montée en puissance de la mine.Lewis Black, directeur, président et PDG d’Almonty Industries
La situation de Sangdong en Corée du Sud pourrait faciliter l’approvisionnement d’une industrie nationale de défense importante, notamment dans les chars, l’artillerie et les munitions.
Almonty a conclu un accord d’achat assorti d’un prix plancher avec Plansee. Ce fabricant de métaux à hautes performances est aussi un client et un actionnaire important d’Almonty.
L’accord décrit dans les documents de l’époque prévoyait un prix plancher de 235 dollars par MTU, sans plafond. Une MTU correspond à 10 kg d’oxyde de tungstène contenu, et non à une tonne de métal. L’objectif annoncé de coût décaissé de 110 dollars par MTU constituait une projection ; il ne garantissait pas la rentabilité du projet.
2. China Molybdenum / CMOC Group (603993.SS)
La Chine domine depuis longtemps la production de tungstène. Les producteurs situés ailleurs doivent tenir compte de la concurrence sur les coûts, des conditions de marché et des politiques publiques.
CMOC exploite notamment des mines de molybdène et de tungstène en Chine, de cuivre et de cobalt en République démocratique du Congo, ainsi que de niobium et de phosphates au Brésil.
Selon ses résultats pour 2023, CMOC est devenu le premier producteur mondial de cobalt.
Ses activités brésiliennes en font également un producteur important de phosphates et de niobium.
Source: CMOC
L’entreprise possède aussi IXM, une société internationale de négoce de métaux de base.
CMOC cherche à réduire ses coûts grâce à des innovations, notamment des applications de la 5G aux équipements miniers autonomes et l’utilisation de camions électriques dans ses mines.
Sans être exclusivement spécialisé dans le tungstène, le groupe produit plusieurs métaux spécialisés. Son portefeuille comprend aussi des projets de lithium en Bolivie, en partenariat avec CATL (CATL a acquis indirectement une participation d’environ 24,68 % dans CMOC, lors d’une opération achevée en 2023).
