Ферритовый материал

Изобретение относится к области металлургии, а именно к ферритовым материалам, используемым в технике СВЧ. Техническим результатом изобретения является снижение значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s, повышение выхода годных невзаимных развязывающих СВЧ устройств путем повышения стабильности значений намагниченности - J_s в рабочем интервале температур -60-+85°С при сохранении высоких значений намагниченности насыщения - J_s и низких значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь в миллиметровом диапазоне длин волн. Технический результат достигается тем, что предложен ферритовый материал на основе Li-феррошпинели, содержащий оксиды лития, титана, цинка, марганца, железа и фторид лития при следующем соотношении компонентов, в вес.%: оксид лития Li₂O - 2,753-3,39, оксид титана TiO₂ - 0,001-5,71, оксид цинка ZnO - 7,67-7,903, оксид марганца MnO₂ - 4,12-6,21, оксид железа Fe₂О₃ - 76,98-83,285, фторид лития LiF - 0,20-0,40. 1 табл.

 

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к ферритовым материалам, предназначенным для создания невзаимных развязывающих СВЧ устройств: вентилей, циркуляторов, работающих в интервале температур -60-+85°С, миллиметрового диапазона длин волн.

Создание указанных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств требует ферритовых материалов, обладающих:

- высокими значениями намагниченности насыщения - J_s порядка - 380 кА/м;

- низкими значениями температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка менее 0,1%/град в рабочем интервале температур -60-+85°С миллиметрового диапазона длин волн;

- высокой стабильностью значений намагниченности насыщения в вышеуказанном интервале температур;

- низкими значениями тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка 6×10^-4.

Ферритовые материалы параметрического ряда LiZn в совокупности с другими компонентами могут обеспечивать указанные параметры.

Известен ферритовый материал на основе Li-феррошпинели [1], содержащий следующие компоненты, вес.%:

Оксид лития Li2О	3,01-3,53
Оксид титана TiO2	0,1-2,97
Оксид цинка ZnO	4,11-4,22
Оксид марганца MnO2	2,21-6,47
Оксид ниобия Nb2О5	1,32-2,36
Оксид железа Fe2O3	81,48-88,21

Рентгеноструктурный анализ данного ферритового материала показывает наличие основной фазы шпинели и второй фазы - LiNbO₃, образующейся в результате взаимодействия оксидов лития и ниобия, который:

- во-первых, распределясь по границам зерен, препятствует их росту и тем самым обеспечивает высокую однородность микроструктуры - зернистость, низкую пористость и высокую плотность,

- во-вторых, ниобат лития (LiNbO₃) является хорошим диэлектриком с сопротивлением, равным 10¹⁴ Ом/см и его наличие в ферритовом материале в совокупности с оксидом марганца обеспечивает ферритовому материалу низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка 6×10^-4 в миллиметровом диапазоне длин волн.

Наличие оксида титана в ферритовом материале в совокупности с оксидом цинка с одной стороны повышает значения намагниченности насыщения - J_s, но с другой стороны уменьшает температуру Кюри - а, следовательно, увеличивает значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s.

Таким образом, данный ферритовый материал обладает высокими значениями намагниченности насыщения - J_s порядка 360 кА/м, низкими значениями тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка 6×10^-4 и высокими значениями температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,15%/град, последнее затрудняет использование данного ферритового материала в невзаимных развязывающих СВЧ-устройствах, работающих в интервале температур -60-+85°С, миллиметрового диапазона длин волн, из-за:

- во-первых, повышения требований к настройке параметров невзаимных развязывающих СВЧ-устройств, связанные с запасом по прямым и обратным потерям в рабочей полосе частот при комнатной температуре,

- во-вторых, низкого выхода годных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств, способных работать в указанном выше интервале температур.

Известен ферритовый материал на основе Li-феррошпинели, содержащей, вес.%:

Оксид лития Li2O	2,62-3,5
Оксид титана TiO2	0,09-2,95
Оксид цинка ZnO	3,76-3,98
Оксид марганца MnO2	2,14-5,77
Оксид ниобия Nb2O5	1,31-2,06
Оксид молибдена МоО3	0,78-1,11
Оксид железа Fe2О3	84,60-85,35

прототип [2].

Рентгеноструктурный анализ данного ферритового материала показывает, как и в первом аналоге, наличие основной фазы шпинели и второй фазы - LiNbO₃, который обеспечивает вышеназванные преимущества ферритового материала - аналога, а именно достаточно высокие значения намагниченности насыщения - J_s, низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка 6,8×10^-4 и данному ферритовому материалу.

Кроме того, наличие в данном ферритовом материале дополнительно оксида молибдена обеспечивает по сравнению с аналогом еще более повышение намагниченности насыщения - J_s порядка 380 кА/м, а также уменьшение значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,1%/град.

Однако и данные значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s ферритового материала являются недостаточными для использования и данного ферритового материала в невзаимных развязывающих СВЧ-устройствах, работающих в интервале температур -60-+85°С, миллиметрового диапазона длин волн.

Кроме того, данный ферритовый материал отличается низкой стабильностью значений намагниченности насыщения - J_s в вышеуказанном интервале температур, что определяет и низкий выход годных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств.

Техническим результатом изобретения является снижение значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s, повышение выхода годных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств путем повышения стабильности значений намагниченности насыщения - J_s в рабочем интервале температур -60-+85°С при сохранении высоких значений намагниченности насыщения - J_s и низких значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) миллиметрового диапазона длин волн.

Технический результат достигается тем, что известный ферритовый материал на основе Li-феррошпинели, содержащий оксиды лития, титана, цинка, марганца, железа, дополнительно содержит фторид лития в количестве 0,20-0,40 при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Оксид лития Li2O	2,753-3,39
Оксид титана TiO2	0,001-5,71
Оксид цинка ZnO	7,67-7,903
Оксид марганца MnO2	4,12-6,21
Оксид железа Fe2О3	76,98-83,285
Фторид лития LiF	0,20-0,40

Наличие фторида лития в количестве 0,20-0,40 в совокупности с другими компонентами и указанном их соотношении в ферритовом материале обеспечивает:

- во-первых, снижение значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s в рабочем интервале температур -60-+85°С,

- во-вторых, стабильность значений намагниченности насыщения - J_s в вышеуказанном интервале температур.

Это стало возможным в результате замещения ионов кислорода с отрицательной валентностью О^-2 на более электроотрицательный ион фтора F^1-, что приводит к образованию цепочек в кристаллической решетке в виде октаэдров (FeO_6-xF_x) и тетраэдров (Fe₃O_4-xF_x), и, как следствие, к уменьшению параметров кристаллической решетки с 8,375 до 8,361-8,367 Å, что в свою очередь приводит к усилению обменного процесса взаимодействия вышеназванных цепочек и, как следствие, как было сказано выше:

- во-первых, снижению значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s в рабочем интервале температур -60-+85°С,

- во-вторых, повышению стабильности значений намагниченности насыщения - J_s в вышеуказанном интервале температур.

При этом указанное соотношение компонентов обеспечивает сохранение высоких значений намагниченности насыщения - J_s и низких значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) миллиметрового диапазона длин волн.

Последние обеспечиваются в том числе снижением электропроводности ферритового материала благодаря наличия в нем фторида лития.

Наличие фторида лития в количестве менее 0,20 и более 0,40 вес.% нежелательно, так как приводит:

- во-первых, к образованию низкой однородности микроструктуры - разнозернистости, повышению пористости и снижению плотности,

- во-вторых, к повышению значений температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s,

- в-третьих, увеличению значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)).

Пример 1.

Ферритовый материал изготавливают по стандартной керамической технологии.

Берут оксид лития, оксид титана, оксид цинка, оксид марганца, оксид железа, фторид лития в количестве в вес.% 3,18, 3,78, 7,67, 4,12, 81,25, 0,3 соответственно.

При этом фторид лития берут сверхстехиометрического состава.

Затем смесь исходных компонентов прокаливают последовательно при следующих температурах и в течение времени:

400°С - 1 час,

500°С - 2 часа,

725°С - 5 часов,

после чего шихту размалывают, вводят в нее раствор поливинилового спирта, прессуют из нее заготовки и проводят их окончательное спекание последовательно при следующих температурах и в течение времени:

100°С - 1 час,

200°С - 1 час,

350°С - 2 часа,

1050-1125°С - 7 часов, при скорости нагрева, равной 100°С/час.

После окончания спекания образцы ферритового материала охлаждают до 700°С, при скорости охлаждения, равной 100°С/час.

Примеры 2-5.

Аналогично были изготовлены образцы ферритового материала, но при других соотношениях компонентов, как указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и выходящих за ее пределы (примеры 4-5).

Также были изготовлены образцы ферритового материала согласно соотношению компонентов прототипа.

На изготовленных образцах ферритового материала были измерены значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s в рабочем интервале температур -60-+85°С, значения намагниченности насыщения - J_s, значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь

(tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)).

Результаты приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы, образцы ферритового материала, изготовленные при соотношении компонентов, в том числе и фторида лития, указанные в формуле изобретения (примеры 1-3) имеют:

- низкие значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,058%/град,

- высокие значения намагниченности насыщения - J_s порядка 380 кА/м,

- низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка (7,0-8,2)×10^-4.

Образцы же ферритового материала, изготовленные при соотношении компонентов, в том числе и фторида лития, выходящих за пределы, указанные в формуле изобретения (примеры 4-5), имеют высокие значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,13%/град. Кроме того, наблюдается значительное повышение значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) (порядка (1,3-1,7)×10^-3.

Таким образом, предложенный ферритовый материал по сравнению с ферритовым материалом, описанным в прототипе имеет:

- во-первых, низкие значения температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,058%/град (прототип порядка 0,07%/град) в рабочем интервале температур -60-+85°С,

- во-вторых, обеспечивает стабильность значений намагниченности насыщения - J_s, а следовательно, повышение выхода годных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств, работающих в вышеуказанном интервале температур.

При этом предложенный ферритовый материал сохраняет:

- высокие значения намагниченности насыщения - J_s порядка 380 кА/м,

- низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь (tgδ=∑(tgδ_∑+tgδ_μ)) порядка (7,0-8,2)×10^-4.

Это позволит использовать предлагаемый ферритовый материал для создания невзаимных развязывающих СВЧ-устройств: вентилей, циркуляторов, работающих в интервале температур -60-+85°С, миллиметрового диапазона длин волн.

Источники информации

1. Патент РФ №2247436, МПК⁷ H 01 F 1/34, опубл. 27.02.05 г., бюл. №6.

2. Патент РФ №2247437, МПК⁷ H 01 F 1/34, опубл. 27.02.05 г., бюл. №6.

№№ п/п	Соотношение компонентов, вес.%	Результаты измерений параметров образцов ферритового материала
Li2O	TiO2	ZnO	MnO2	Fe2O3	LiF	МоО3	Nb2O5	TKJs %/град -60-+85°С	Js кА/м	(tgδ=∑(tgδ∑+tgδμ))
1	3,18	3,78	7,67	4,12	81,25	0,30			0,08	360	7,6×10-4
2	2,753	0,001	7,903	6,058	83,285	0,20			0,11	380	8,2×10-4
3	3,39	5,71	7,71	6,21	76,98	0,40			0,058	340	7,0×10-4
4	3,18	3,78	7,67	4,12	81,25	0,08			0,15	360	1,3×10-3
5	3,18	3,78	7,67	4,12	81,25	0,50			0,13	350	1,7×10
Прототип	2,95	1,3	3,85	4,03	85,09	-	0,93	1,85	0,1	380	6,8×10-4
	2,62	0,09	3,76	5,77	84,60	-	1,11	2,06	0,13	405	7,5×10-4

Ферритовый материал на основе Li-феррошпинели, содержащий оксиды лития, титана, цинка, марганца, железа, отличающийся тем, что ферритовый материал дополнительно содержит фторид лития при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Оксид лития Li2O	2,753-3,39
Оксид титана TiO2	0,001-5,71
Оксид цинка ZnO	7,67-7,903
Оксид марганца MnO2	4,12-6,21
Оксид железа Fe2O3	76,98-83,285
Фторид лития LiF	0,20-0,40