Способ изготовления анизотропных ферритов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления ферритовых материалов, предназначенных для работы в радиоэлектронных устройствах миллиметрового диапазона длин волн (90-150 ГГц). Предварительно синтезируют BaF₂·0,5Li₂O·5,5Fe₂O₃ и осуществляют сухое измельчение. Полученный продукт смешивают с окислами железозамещающих элементов и необходимыми до стехиометрии фторидом бария и оксидом лития с последующим измельчением в этиловом спирте. Проводят прессование в магнитном поле и обжиг. Полученный материал характеризуется большими полями анизотропии (до 50 кЭ) и малыми диэлектрическими потерями (tgδ_ε≤7·10^-4) в сочетании с высокой плотностью. 1 табл.

 

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к способам изготовления ферритовых материалов, предназначенных для работы в радиоэлектронных устройствах миллиметрового диапазона длин волн (90-150 ГГц). Высокочастотное применение обеспечивается высоким значением поля анизотропии феррита (30-50 кЭ). Создание материалов с высокими полями анизотропии и с малыми диэлектрическими потерями в сочетании с высокой плотностью необходимы для нового поколения СВЧ-приборов без внешних магнитных систем, что уменьшает массогабаритные характеристики, в том числе и в интегральном исполнении.

Известен ферритовый материал (Авторское свидетельство №1593485), содержащий, вес.%:

оксид бария - 14,6÷15,0;

оксид алюминия - 10,7÷15,5;

оксид железа - остальное.

Материал характеризуется высоким полем анизотропии (На=33÷41 кЭ), узкой шириной ферромагнитного резонанса ΔН=1,5 кЭ, которая возрастает с увеличением На (до 2 кЭ), что свидетельствует о снижении степени магнитной текстуры в материале. При этом плотность материала имеет значение ρ=4,7÷4,9 г/см³. Недостатком данного материала являются большие диэлектрические потери (tgδ_ε≤2·10^-3).

Указанное техническое решение взято нами за прототип. Материал получают по способу, включающему сухое измельчение, предварительный обжиг, измельчение в этиловом спирте, прессование в магнитном поле и окончательный обжиг, при этом температуры предварительного и окончательного отжигов возрастают до 1300-1370°С, что связано с тугоплавким оксидом алюминия в составе материала.

Однако при попытке совместного введения таких компонентов, как Al₂О₃ и Li₂O, по аналогичному способу ферритовых материалов с низкими потерями не получить, т.к. Al₂О₃ тугоплавкое соединение и для его вхождение в решетку гексаферрита необходимо повышение температуры свыше 1250°С. При этих температурных условиях легкоплавкий оксид Li₂O, замещающий Fe₂O₃, начинает улетучиваться, не успевая вступить в реакцию. Нарушение стехиометрии приводит к образованию многофазного соединения и, следовательно, к ухудшению основных параметров: увеличению диэлектрических потерь, снижению степени текстуры.

Целью изобретения является создание технологии производства ряда ферритовых материалов с большими полями анизотропии (до 50 кЭ) и малыми диэлектрическими потерями (tgδ_ε<7·10^-4) в сочетании с высокой плотностью, что обеспечивает малое водопоглощение и хорошую полируемость подложек для интегральных приборов, и степенью текстуры (F>90%), что обеспечивает уменьшение магнитных потерь материала и повышение интенсивности ферромагнитного резонанса в устройствах.

Для достижения поставленной цели предлагается способ, где вначале синтезируется материал BaF₂·0,5Li₂O·5,5Fe₂O₃, вес %:

BaF₂ - 16,4÷16,6;

Li₂O - 1,4÷4,6;

Fe₂O₃ - остальное,

после чего осуществляется сухое измельчение данного соединения, смешение полученного продукта с оксидами железозамещающих элементов и компонентами, недостающими до стехиометрии с последующим помолом в этиловом спирте, прессованием пасты в магнитном поле и обжигом.

Пример №1

Из смеси фторида бария, оксида лития и оксида железа синтезируют ферритовый материал при Т=1080-1100°С. Полученное соединение после сухого измельчения смешивают с оксидом Al₂О₃ и недостающими до стехиометрии компонентами BaF₂ и Li₂O, измельчают в этиловом спирте в шаровой мельнице в течение 20-24 часов. Затем прессуют в магнитном поле 8 кЭ и обжигают в токе кислорода при Т=1300±20°С в течение 4-х часов.

Конечный ферритовый материал получают в ходе реакции:

0,818(BaF₂·0,5Li₂O·5,5Fe₂O₃)+0,182BaF₂+0,09Li₂O+1,0Al₂О₃=BaF₂·0,5Li₂O·1,0Al₂O₃·4,5Fe₂O₃.

Пример №2

Способ получения, как в примере №1, но температура обжига образцов в токе кислорода равна 1350±20°С в течение 4-х часов.

Конечный продукт получают в результате реакции:

0,727(BaF₂·0,5Li₂O·5,5Fe₂O₃)+0,273BaF₂+0,136Li₂O+1,5Al₂O₃=BaF₂·0,5Li₂O·1,5Al₂O₃·4,0Fe₂O₃.

Пример №3

Способ получения, как в примере №1, но температура обжига образцов в токе кислорода равна 1400±20°С.

Конечный продукт получают в результате реакции:

0,69(BaF₂·0,5Li₂O·5,5Fe₂O₃)+0,31BaF₂+0,155Li₂O+1,7Al₂O₃=BaF₂·0,5Li₂O·1,7Al₂O₃·3,8Fe₂O₃.

Пример №4

Способ получения, как в примере №1, но температура обжига образцов в токе кислорода равна 1450±20°С.

Конечный продукт получают в ходе реакции:

0,65(BaF₂·0,5Li₂O·5,5Fe₂O₃)+0,35BaF₂+0,175Li₂O+1,9Cr₂O₃=BaF₂·0,5Li₂O·1,9Cr₂O₃·3,6Fe₂O₃.

Свойства ферритов, изготовленные предложенным способом, приведены в таблице. Там же дан для сравнения известный материал прототипа (пример №5).

Пример №6 характеризует материал (за пределами изобретения), полученный обычным способом: смешением всех входящих в состав компонентов и последующим синтезом.

№ п/п	Материал	На, кЭ	P, г/см3	на f=9,3 ГГц	F, %
ε'	tgδε
1	BaF2·0,5Li2O·1,0Al2O3·4,5Fe2O3	30	5,0	17,2	6·10-4	93
2	BaF2·0,5Li2O·1,5Al2O3·4,0Fe2O3	40	4,95	17,0	7·10-4	88
3	BaF2·0,5Li2O·1,7Al2O3·3,8Fe2O3	50	4,90	16,5	6,8·10-4	90
4	BaF2·0,5Li2O·1,9Cr2O3·3,6Fe2O3	47	4,92	16,3	7·10-4	92
5	BaO·l,5Al2O3·4,5Fe2O3	41	5,03	15,5	2·10-3	60
6	BaF2·0,5Li2O·1,5Al2O3·4,0Fe2O3	He определяется	4,9	-	>4·10-4	He определяется

Как видно из таблицы №1, предложенный способ позволяет получить высокоплотный ферритовый материал с большими полями анизотропии и с малыми диэлектрическими потерями, что позволяет использовать его в качестве активного элемента при создании малогабаритных, безмагнитных высокоэффективных приборов в диапазоне частот до 150 ГГц, в том числе и в интегральном исполнении.

Ферритовый материал, пример №5 из таблицы, взятый за прототип, имеет большие диэлектрические потери и меньшую степень текстуры по сравнению с предлагаемым изобретением.

Ферритовый материал примера №6 невозможно получить однофазным, поскольку присутствие Al₂O₃ (Cr₂O₃) требует повышения температуры синтеза более 1250°С. Однако при этой температуре улетучивается Li₂O, происходит нарушение стехиометрического состава и материал с необходимыми свойствами не образуется.

Предлагаемое изобретение было создано в процессе тематического плана предприятия. Выпущены опытные образцы и комплект технологических и технических документов (КЖГП.757130.006 ТУ). Из материала получены полированные пластины, на базе которых были изготовлены в интегральном исполнении резонансные вентили и циркуляторы.

Способ изготовления анизотропных ферритов с большими полями анизотропии, включающий сухое измельчение, измельчение в этиловом спирте, прессование в магнитном поле и обжиг, отличающийся тем, что сухому измельчению подвергают предварительно синтезированный материал BaF₂·0,5Li₂O·5,5Fe₂O₃, содержащий, вес.%:

фторид бария	16,4-16,6
оксид лития	1,4-1,6
оксид железа	остальное,

а после сухого измельчения полученный материал смешивают с оксидом железозамещающего элемента и недостающими до стехиометрии фторидом бария и оксидом лития.