CC BY
74
Баннов В.Я. , Бибиков С.Б., Лапшин Э.В., Меньшова С.Б., Прокофьев М.В., Трусов В.А., Хованов Д.М. СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Согласно закону РФ «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств», ужесточаются требования к уровню электромагнитного излучения выпускаемых электронных и электрических приборов. Поэтому весьма актуальна разработка материалов, обладающих высоким уровнем поглощения электромагнитной энергии [1].
Известно, что для поглощения электромагнитных волн в диапазоне от сотен кГц используются радиопоглощающие материалы (РПМ) на основе ферритов, в частности Ы1-Еп ферритов. Поскольку композиционные материалы градиентного (пирамидального) типа имеют высокие габариты, сопоставимые с длиной волны электромагнитного излучения и требуют специальных конструкций для их монтажа, а импортные ферритовые РПМ дороги (не менее 60000 рублей за 1м2), актуальны разработки технологических основ изготовления и налаживание отечественного производства недорогих ферритовых РПМ.
1 Предпосылки проведения исследований
Известно, что магнитные потери поликристаллического ферритового материала зависят от среднего размера зерна. Чем крупнее зёрна, тем больше мнимая часть ц" комплексной магнитной проницаемости
И* [2]:
ц* = Ц —УЦ (1)
определяющая потери электромагнитной энергии. Управляя средним размером зерна, мы можем управлять величиной магнитных потерь поликристаллического ферритового материала.
Окончательное формирование микроструктуры ферритов происходит на заключительной стадии спекания в процессе собирательной или вторичной рекристаллизации, - скачкообразного роста отдельных зерен до аномально крупных размеров с формированием разнозернистой структуры. Вторичная рекристаллизация может быть инициирована повышением времени или температуры спекания, легированием феррита небольшим количеством легкоплавких эвтектик: оксида меди или висмута.
Авторы предположили, что она может быть инициирована добавлением в состав оксидов небольшого количества (2-2,5% по массе) более крупной фракции (с размером частиц 50-100 мкм) готового ферри-тового материала того же состава, полученного дроблением спеченных заготовок.
Авторы решили попробовать использовать оксид висмута Ы2О3 в производстве радиопоглощающих Ы1-Еп ферритов в качестве легкоплавкой эвтектики, так как крупные ионы висмута Ы3+ (0,213нм) будут
выходить из решетки шпинели, образованной плотной укладкой анионов кислорода О2+(0,132 нм), в пустотах между которыми располагаются сравнительно небольшие катионы металлов. Сегрегируясь по границам зерен в виде эвтектического сплава, висмут будет образовывать межзеренные прослойки, которые будут оказывать сопротивление движению доменных границ при колебаниях, возбужденных внешним электромагнитным полем.
Считается [3], что магнитные потери ферритовых РПМ вызваны процессами резонанса доменных границ, приводящими к оттоку внешней электромагнитной энергии благодаря перераспределению энергии между электронами, образующими доменные границы. Потери на более высоких частотах обусловлены естественным ферромагнитным резонансом (ЕФМР). Эти частоты у Ы1-Еп ферритовых материалов близки, поэтому для расширения интервала радиопоглощения необходимо снизить частоту РДГ или увеличить частоту ЕФМР. Для частоты ЕФМР «ефмр справедливо [3]:
2УНл ^ ®ЕФМР ^ 2УНА + 4YпМ0• (2)
где у - гиромагнитное отношение, М0 - намагниченность насыщения; НА - напряженность поля анизотропии, которая определяется как:
и „К
(3)
Константа кристаллографической магнитной анизотропии кх зависит от состава феррита и характера катионного распределения. С уменьшением содержания цинка в зернах константа кристаллографической магнитной анизотропии К увеличивается. Зависимость М0 не так чувствительна к указанным параметрам. При увеличении К частота ЕФМР сдвигается в сторону верхних частот.
Для феменологического описания РДГ используют уравнение Деринга[4]: d2х <$х „ л , тт
+РА + ^ Н (4)
где т^ — эффективная масса доменной границы, х - координата границы, £ - обобщенный квазиу-
пругий коэффициент, выражающий некоторую упругую силу, возвращающую границу в положение устойчивого равновесия; р - обобщенный диссипативный коэффициент, характеризующий необратимые потери
энергии в системе при действии на неё обобщенной силы М0Н со стороны внешнего магнитного поля; М0 - намагниченность насыщения, Н - напряженность магнитного поля [4].
Проводя аналогию с гармоническим осциллятором, можно заключить, что увеличение эффективной массы доменных границ (и среднего размера зерна), приведет к снижению частоты РДГ:
'і/К
что важно для расширения рабочего интервала ферритового РПМ.
Из уравнения (4) видно, что формирование зернограничных прослоек, выполняющих функцию торможения доменных границ при их колебаниях, означает увеличение диссипативных сил системы и обобщенного диссипативного коэффициента р . Кроме того, формирование межзернных прослоек будет способствовать более жесткому закреплению доменных границ, что также увеличивает диссипацию электромагнитной энергии при возбуждении в системе колебаний доменных границ.
2 Экспериментальная часть
Для проверки нашего предположения были изготовлены 4 экспериментальные партии ферритовых РПМ. Первая была изготовлена по стандартной технологии получения Ы1-Еп феррита марки 1000НН, имеющей среди Ы1-Еп ферритов максимальную магнитную проницаемость. В процессе изготовления второй партии использовали легирующую добавку Ы2О3, добавляемую на стадии второго помола. Это позволило снизить
температуру спекания, которая характерной для базовой партии, с 1350 °С до 1300 °С. Вторая партия отличалась от партии базового состава введением в пресс-порошок 2,5 % крупной фракции (50-100 мкм) феррита, соответствующего изготавливаемому по химическому составу. Мы предполагаем, что наличие в спекаемом материале подобных центров кристаллизации будет инициировать процесс вторичной рекристаллизации, и сформируется микроструктура с разбросом зерен по размеру. Это необходимо для расширения частотного интервала абсорбции электромагнитного излучения [2]. Температура спекания также составила 1300 °С. Третья же партия характеризовалась меньшим количеством, - 2% крупной фракции, вводимой перед операцией прессования и температурой спекания 1300 °С.
Образцы Ы1-Еп ферритов всех четырех опытных партий были выполнены в форме шайб с наружным диаметром 16 мм и внутренним диаметром 7-0,05 мм. Для проведения микроструктурного и рентгеноструктурного анализов из каждой партии было отобрано по 5 образцов. Результаты анализов в пределах данной выборки были практически идентичными.
Для снятия радиофизических характеристик, - коэффициентов отражения и комплексных коэффициентов магнитной проницаемости, - из каждой партии было отобрано по 5 образцов. Разброс экспериментальных данных внутри выборки не превышал 5%.
Измерения коэффициентов отражения в диапазоне частот 0.3 МГц 4 13 0 0 МГц проводились при различной толщине образцов на лабораторном стенде, созданном на базе измерителя комплексных коэффициентов передачи "Обзор-103", сопряженного с компьютерной системой регистрации и обработки сигнала. Образцы помещались в коаксиальную измерительную ячейку с рабочим сечением в области размещения образца 16/6.95 мм, согласованную с коаксиальным измерительным трактом. Расчёт комплексной магнитной проницаемости проводился по разработанной лабораторной программе, на основе известного метода «короткого замыкания - холостого хода» [5]. Измерения коэффициента отражения образцов на металлической пластине проводились в режиме короткого замыкания.
3 Результаты и обсуждение
Наиболее характерные снимки микроструктуры, полученные на сканирующем микроскопе фирмы «Карл Цейс Йена», представлены на рис.1. Видно, что размер зерна действительно отличается от партии к партии.
Рис.1 Снимки микроструктуры образцов, полученные на сканирующем микроскопе фирмы «Карл Цейс Йена» а) образец базовой партии 10 0 0НН; б) образец партии, легированной оксидом висмута; в) образец партии с добавлением 2,5% более крупной фракции готового феррита; г) образец с добавлением 2% более крупной фракции готового феррита того же состава.
На большинстве снимков микроструктуры, полученных на изломе образцов, содержащих висмут, видны белые протяженные включения по границам зерен (рис.2). Они неравномерно расположены на изломе образца, отличаются по протяженности и толщине. Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что внутри зерен висмута нет, тогда как он весь находится в указанных белых включениях. Вероятно, висмут находится по границам зерен в виде эвтектического сплава оксида висмута с ферритом.
Рис.2 Снимок микроструктуры образцов, полученные на сканирующем микроскопе фирмы «Карл Цейс Йена», на котором видны включения эвтектики висмута.
На рис.3 приведены кривые коэффициента отражения КоТр для образцов базовой партии и партии, содержащей 2,5% более крупной фракции. На рис.4 приведены кривые коэффициента отражения КоТр, измеренные для образцов партий, которые содержат висмут и 2% более крупной фракции. Толщина образцов во всех опытах составляет бмм.
„ с 100ОНИ/ТЕМ (коакс. линия)
К^тр (КЗ). дБ ' '
1 1 1 11Л^_ 1 1 1 1 II III 1 1 1 1 1 1 III 1 1 1 II IIII 1 1 1 1 1 1 III
~ПЕ 1 і і V! : і їм ■'VI I- ГГПТП- >1 1 1 1 1 III ! \| 1 1 1 1 1II 1 гтттпгг-1 1 1 1 1 1 III 1 1 1 1 1 1 III
і і\ і , N11: -|_|_\|_Ш 1 г 1 1 1 і 11 Г \ 1 1 " 1 1 1 1 1 1 III 1 1 1 1 1 1 ІІІ .и.ц>
- 1 |\||| 1 1 ‘7 "Гі \і, їм 1 1 1 И 1 III 1—і—нн\н+- 1 ,ит 1 и-Т1 II
і 111 м і ! ігй 111\ 1 1 ПІІ- ^—" пм\ —ЖІ1 1'!/ 1III, ГТ1 ТУП~ \ 1 1 1 1 1/111
“Т г пт гг _1 _1Т1\- ■>Г_Г 1 1 1 1 1 1111 __1 І_Ш_ШІ.
1 1 1 1 1 11II ' і 1 1/1 1II '| . 1 /1 1111 \1 и -1 / -Ц-
Обрл ІЄЦ 6л (ОВОІЇ 1 1 1 1 1 11II —1—|_і_ 4_|4 4_| 4_
партии 1 II 1 1 1 III \ і \Т\ 11 \ 1 111
Образец с 2,5 % “крупном фракции І І і І І І І ІI 1 1 1 1 1 1 1II V , " г-Ц-1 \| /1 1 і VI 1
“1—ггггтг тттттптт- 1 1 1 1 1 1 III —і—і і 11 ми
1 1 II II 1
1 10 100 1000 Частота, МГц
Рис. 3 Измерения коэффициента отражения на металлической пластине (режим «КЗ») образцов М-Еп феррита партии базового состава и партии, содержащей 2,5% крупной фракции готового феррита
1000НН / ТЕМ (коакс.линия)
^тр(КЗ),дБ
■40 І І І І ІII-!—І І І І 11II-----!—І І І І 11II-------1—І І І І ІIII
1 10 100 1000
Частота, МГц
Рис. 4 Измерения коэффициента отражения на металлической пластине (режим «КЗ») образцов М-Еп феррита партий, содержащих 2% оксида никеля и 2% крупной фракции готового феррита.
Экспериментальные спектры магнитной проницаемости были получены для образцов указанных партий в диапазоне частот 300 кГц - 1,3 ГГц. Разброс экспериментальных данных для каждого из 5 образцов
не превышал 5%. Оказалось, что у образцов базовой партии частоты РДГ и ЕФМР составили соответ-
ственно 3МГц и 9МГц; у образцов, содержащих висмут, - 2МГц и 10МГц. Резонансные частоты для образцов, содержащих 2,5% более крупной фракции готового феррита того же состава, соответствуют 5МГц и 35МГц; а у содержащих 2% крупной фракции - 2МГц и 10МГц.
На снимках микроструктуры (рис.1) видно, что у образцов базовой партии средний размер зерна около 10 мкм, у образцов, содержащих висмут, зёрна крупнее в 2-3 раза, у образцов с 2% более крупной фракции готового феррита того же состава зерна крупнее в 3-5 раз, чем у образцов базовой партии. У образцов партии, содержащей 2,5% крупной фракции, зерна крупнее, чем у партии базового
состава примерно в 1,5 раза, и наблюдается некоторый разброс зерен по размеру. Образцы, отличаю-
щиеся друг от друга средним размером зерна, характером и протяженностью межзеренных границ, долж-
ны отличаться также параметрами колебаний доменных границ при воздействии со стороны внешнего электромагнитного поля.
Действительно, что у образцов с более крупными зернами частоты РДГ меньше, чем у образцов базовой партии, на 1МГц. Увеличение частоты ЕФМР у указанных образцов до 10МГц может быть обусловлено большим, чем у образцов базовой партии 1000НН, количеством внутренних напряжений, сформированных благодаря включениям висмута по границам зерен или особенностям формирования микроструктуры.
Интерес представляют образцы, приготовленные с добавлением 2,5% более крупной фракции. У них наблюдается сдвиг в область более высоких частот областей РДГ и ЕФМР. Видимо, это связано, с наибольшим количеством внутренних напряжений в материале. Именно у образцов данной партии наблюдается значительный разброс зерен по размерам. Рентгенографический анализ, проведенный на установке ДРОН-3, показал, что содержание цинка в середине зерна у образцов указанной партии меньше, чем у образцов остальных партий, то есть наблюдалось выделение цинка по границам зерен. Это привело к увеличению константы кристаллографической магнитной анизотропии и увеличению частоты ЕФМР, согласно (2) и (3), а так же к увеличению внутренних напряжений, которые также способствуют сдвигу частоты ЕФМР в область более высоких частот [6].
Характеристики коэффициентов отражения показали, что наилучшими эксплуатационными показателями обладают образцы, у которых размер зерна наибольший, то есть легированные висмутом и приготовленные с добавкой 2% крупной фракции готового феррита того же состава. Образцы базовой партии (рис.3) имеет недостаточной поглощение электромагнитной энергии во всем частотном диапазоне, точка экстремума соответствующей кривой -13дБ. Недостатком образцов партии, содержащей 2,5% более крупной фракции, является недостаточное поглощение до 50МГц, по модулю не превышающее 10дБ.
Заключение
По результатом выполненных исследований можно сформулировать следующие выводы:
1. Увеличение среднего размера зерна приводит к уменьшению частоты РДГ, расширению интервала абсорбции электромагнитной энергии, снижению коэффициента отражения до -28дБ и ниже. В целом, можно заключить, что при увеличении среднего размера зерна до 30-50мкм эксплуатационные характеристики ферритовых Ni-Zn РПМ в исследованном частотном диапазоне 300 кГц - 1,3 ГГц улучшаются.
2. Из рассмотренных технологических приемов, проведенных с целью увеличения среднего размера зерна, наиболее эффективными оказались легирование 2% оксидом висмута, добавляемого на стадии второго помола, и дошихтовка 2% крупной фракции (с размером частиц 50-100 мкм) готового феррита, соответствующего изготавливаемому по химическому составу.
3. Сдвиг области ЕФМР обусловлен большим количеством внутренних напряжений в готовом феррито-вом материале, а также увеличением константы кристаллографической магнитной анизотропии.
4. Увеличение константы кристаллографической магнитной анизотропии происходит при уменьшении содержания цинка в зернах за счет выхода цинка из зерна.
5. Увеличение внутренних напряжений возникает из-за образования межзеренных прослоек, содержащих висмут, и из-за выделения цинка по границам зерен.
ЛИТЕРАТУРА
1. Никольский, В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / В. В. Никольский, Т.И. Никольская. - М.: Наука, 1989. - 273с.
2. Крутогин, Д. Г. Элементы и устройства магнитоэлектроники: лабораторный практикум / Д. Г. Крутогин. - М.: МИСИС, 2008. - 81с.
3. Гуревич, А. Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках / А. Г. Гуревич. - М.: Наука, 1973. - 573с.
4. Смит, Я. Ферриты / Я.Смит, Х.Вейн. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1962. - 503с.
5. Брандт, А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах / А. А. Брандт. - М.: Физ-матгиз, 1963. - 404 с.
6. Алексеев, А. Г. Физические основы технологии Stealth / А. Г. Алексеев, Е.А. Штагер, С. В. Козырев. С-Пб.: ВВМ, 2007, - 284с.
