ферритовый материал

Классы МПК:H01F1/34 неметаллические вещества, например ферриты
C04B35/26 на основе ферритов
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2004-03-01
публикация патента:

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к ферритовым материалам, использующимся в невзаимных СВЧ-устройствах, например вентилях, циркуляторах высокого уровня мощности. Ферритовый материал на основе Li-феррошпинели содержит, вес.%: Li2O 2,79-3,45; TiO2 0,001-5,74; ZnO 7,57-7,99; MnO2 6,07-8,12; Fe2О3 79,49-88,90; Со3O 4 0,33-0,97; Nb2О5 1,90-2,22. Техническим результатом является снижение значения ширины линии резонанса спиновых волн и значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь в миллиметровом диапазоне волн при сохранении высокого значения намагниченности насыщения. 1 табл.

Формула изобретения

Ферритовый материал на основе Li-феррошпинели, содержащий оксиды лития, титана, цинка, железа, марганца с добавками оксидов кобальта и ниобия, отличающийся тем, что добавки оксидов кобальта и ниобия составляют 0,33-0,97 и 1,90-2,22 соответственно, при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Оксид лития Li 2O 2,79-3,45

Оксид титана TiO2 0,001-5,74

Оксид цинка ZnO 7,57-7,99

Оксид марганца MnO 2 6,07-8,12

Оксид железа Fе2O3 79,49-88,90

Оксид кобальта Со3O4 0,33-0,97

Оксид ниобия Nb2O5 1,90-2,22

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности ферритовым материалам, предназначенным для использования в невзаимных СВЧ-устройствах: вентилях, циркуляторах высокого уровня мощности, работающих в коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.Создание таких устройств требует ферритовых материалов, обладающих высокими значениями:

- намагниченности насыщения - JS~ 320-380 кA/м,

- ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Нк,

- низкими значениями тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) как на низком, так и высоком уровне мощности.

Тангенс угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) зависит от однородности ферритового материала как с точки зрения микроструктуры - зернистости, так и с точки зрения его фазового состава.

Зернистость характеризуется коэффициентом однородности далее (Кодн), который определяется как отношение максимального к вероятному размеру зерна.

Чем выше однородность микроструктуры - зернистость, тем меньше пористость и выше плотность и тем совершеннее ферритовый материал с точки зрения получения вышеназванных свойств.

Тангенс угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) определяет один из основных электрических параметров СВЧ-устройств - прямые потери на СВЧ.

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

оксид лития (Li 2O) 3,5-4,0

оксид марганца (MnO2) 3,5-4,5

оксид висмута (Bi2O3) 1,5-2,5

оксид цинка (FnO) 0,3-2,0

оксид железа (Fe2 O3) остальное [1].

Рентгеноструктурный анализ показывает неоднородность фазового состава: наличие основной фазы шпинели и второй фазы, являющейся продуктом взаимодействия оксидов висмута и железа. Такой фазой является висмут - железистая фаза - BiFeO3, которая, распределяясь по границам зерен, препятствует их росту.

Микроструктурный анализ показывает высокую однородность микроструктуры - зернистость - Кодн =3, низкую пористость и высокую плотность.

Однако BiFeO3 обладает большими диэлектрическими потерями в миллиметровом диапазоне длин волн, что приводит к увеличению тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в указанном диапазоне длин волн до 8· 10-3.

Данный ферритовый материал обладает недостаточными значениями - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк~ 0,5 кA/м и низкими значениями намагниченности насыщения - JS~ 260 кA/м.

Все это делает невозможным использование данного ферритового материала в невзаимных СВЧ-устройствах высокого уровня мощности, работающих как в коротковолновой части сантиметрового, так и миллиметрового диапазона длин волн.

Известен ферритовый материал на основе также Li-феррошпинели состава

ферритовый материал, патент № 2257629 содержащий оксиды титана, кобальта, марганца, цинка, висмута при следующем соотношении компонентов, в мол.%:

ферритовый материал, патент № 2257629

Наличие в составе ферритового материала оксида висмута в указанных количествах определяет как достоинства - однородность микроструктуры - зернистость, так и недостатки - высокие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в миллиметровом диапазоне длин волн.

Добавки оксида кобальта, в указанном количестве, с одной стороны, увеличивают значение ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк до 2,3 кA/м и это хорошо, но с другой стороны, и увеличивают значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в миллиметровом диапазоне длин волн до 1,2· 10-2 .

Значения намагниченности насыщения - JS данного ферритового материала низкие ~ 215 кA/м.

Все это делает невозможным использование и данного ферритового материала в невзаимных СВЧ-устройствах высокого уровня мощности, работающих как в коротковолновой части сантиметрового, так и миллиметрового диапазона длин волн.

Известен ферритовый материал также на основе Li-феррошпинели, соответствующей химической формуле

Lia+Rb n+Fe3+Nbx 5+O4 ,

где а+в+с+х=3 и

а+пв+5х+3с=8,

а Rbn =Cu, Mn, Co, Ni, Zn, Cr, Col, V, Ti

указанные выше компоненты представлены в химической формуле в виде оксидов и имеют следующий количественный состав:

ферритовый материал, патент № 2257629

Ферритовый материал, соответствующий вышеуказанному количественному составу компонентов, обладает достаточно высоким значением намагниченности насыщения - JS~ 350 кA/м, значение которой определяют наличие оксидов цинка, никеля меди и кобальта.

Количество оксида кобальта и оксида ниобия, рассчитанное исходя из указанного выше состава и для указанной намагниченности насыщения - JS~ 350 кА/м, равно 1,81 и 5,87, вес.% соответственно.

Наличие оксида кобальта в указанном количестве с одной стороны позволило увеличить значение ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк до ~ 2,5 кА/м благодаря тому, что кобальт является ионом с сильным спинорбитальным взаимодействием и это хорошо, но с другой стороны данное количество оксида кобальта резко увеличивает значение тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в миллиметровом диапазоне длин волн до 8· 10-3 .

Добавка оксида ниобия в состав ферритового материала, как правило, позволяет улучшить однородность микроструктуры - зернистость, а следовательно, снизить пористость и повысить плотность.

Однако микроструктурный анализ данного ферритового материала показывает наличие как крупных, так и мелких зерен, что говорит о неоднородности микроструктуры - зернистости - Кодн =5,8, а следовательно, высокой пористости и низкой плотности.

Таким образом, данный ферритовый материал обладает достаточно высокими значениями намагниченности насыщения - JS ~ 350 кА/м, ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк~ 2,5 кА/м, очень высокими значениями тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в миллиметровом диапазоне длин волн до 8· 10-3 , что делает невозможным использование и данного ферритового материала в невзаимных СВЧ-устройствах высокого уровня мощности, работающих как в коротковолновой части сантиметрового, так и миллиметрового диапазона длин волн.

Техническим результатом изобретения является снижение значений ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк и значений тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в миллиметровом диапазоне длин волн путем улучшения как однородности микроструктуры - зернистости ферритового материала, так и изменением его фазового состава, при сохранении высокого значения намагниченности насыщения - JS.

Технический результат достигается тем, что в известном ферритовом материале на основе Li - феррошпинели, содержащем оксиды лития, титана, цинка, железа, марганца с добавками оксидов кобальта и ниобия, добавки оксидов кобальта и ниобия составляют 0,33-0,97 и 1,90-2,22 соответственно при следующем соотношении компонентов, вес.%:

оксид лития (Li2 O) 2,79-3,45

оксид титана (TiO2) 0,001-5,74

оксид цинка (ZnO) 7,57-7,99

оксид марганца (MnO 2) 6,07-8,12

оксид железа (Fe2O3 ) 79,49-88,90

оксид кобальта (CO3О4 ) 0,33-0,97

оксид ниобия (Nb2O5) 1,90-2,22

Оптимизация содержания оксида кобальта в количествах 0,33-0,97 вес.% позволит снизить значения ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк (при сохранении высоких значений намагниченности насыщения - JS.

Оптимизация оксида ниобия в количествах 1,90-2,22 вес.%, как показал рентгеноструктурный, так и микроструктурный анализ, позволит получать ферритовые материалы, имеющие наряду с основной фазой - шпинели наличие устойчивой второй фазы - ниобата лития (LiNbO3), которая образуется в результате спекания смеси исходных компонентов.

Наличие устойчивой второй фазы ниобата лития (LiNbO3):

во-первых, обеспечит высокую однородность микроструктуры - зернистости за счет распределения ее по границам зерен, препятствуя их росту, тем самым снижая пористость и повышая плотность;

во-вторых, фаза ниобата лития (LiNbO3) является хорошим диэлектриком с сопротивлением ферритовый материал, патент № 2257629 =1014 Oм/см и ее наличие в ферритовом материале позволит получать низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в миллиметровом диапазоне длин волн.

При смещении в высокочастотную область миллиметрового диапазона длин волн магнитная составляющая - tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь стремится к нулю, а следовательно, значение тангенса угла суммарных потерь будет определяться в основном диэлектрической составляющей tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 .

Как было указано выше, наличие второй устойчивой фазы - ниобата лития (LiNbO3) с высоким удельным сопротивлением - ферритовый материал, патент № 2257629 =1014 Oм/см позволит получать низкую проводимость предлагаемого ферритового материала, а следовательно, максимально снизить диэлектрическую составляющую - tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь, а следовательно, и значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ).

Добавки оксидов кобальта менее 0,33, вес.% не обеспечивают получение высоких значений ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк, более 0,6 кА/м, а более 0,97, вес.%, резко увеличивают значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в миллиметровом диапазоне длин волн до 1,8· 10-3 .

Добавки оксида ниобия менее 1,90, вес.%, и более 2,22 вес.%, не обеспечивают получение высокой однородности микроструктуры - зернистости, а следовательно, низкой пористости и высокой плотности.

Пример 1.

Ферритовый материал изготавливают по обычной керамической технологии, включающей смешивание исходных компонентов.

Берут в, вес.%,:

оксид лития (Li2O) в виде (Li2CO3) - 2,95,

оксид титана (TiO2) - 3,72,

оксид цинка (ZnO) - 7,60,

оксид марганца (MnO2) в виде (MnCO3) - 7,11,

(берут количество сверх стехиометрии)

оксид железа (Fe2O3) - 79,78,

оксид кобальта (Co3O4) - 0,65,

оксид ниобия (Nb 2O5) - 1,90,

затем смесь исходных компонентов прокаливают последовательно при следующих температурах:

400° С - 1 час,

500° С - 2 час,

750° С - 5 час,

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

100° С - 1 час,

200° С - 1 час,

360° С - 2 час,

1000° -1150° С - 7 час, при этом скорость нагрева - 80° С в час.

Примеры 2-5.

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

Также был изготовлен образец ферритового материала согласно соотношений компонентов прототипа.

На изготовленных образцах ферритового материала были измерены значения ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк, намагниченности насыщения - JS, тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в миллиметровом диапазоне длин волн, а также проведен рентгеноструктурный и микроструктурный анализ образцов.

Результаты приведены в таблице.

Как видно из таблицы, образцы ферритового материала, содержащие добавки оксидов ниобия и кобальта в количестве, указанном в формуле изобретения (пример 1-3), обладают:

во-первых, высокой однородностью микроструктуры -зернистостью. Кодн . составляет 3,4-3,5;

во-вторых, высокими значениями ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк~ 0,93-1,5 кА/м;

в-третьих, низкими значениями тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 ) в миллиметровом диапазоне длин волн на уровне (7,0-8,1) 10 -4.

При этом сохраняются высокие значения намагниченности насыщения - JS~ 320-380 кА/м.

Образцы ферритового материала, содержащие добавки оксидов ниобия и кобальта, выходящие за пределы, указанные в формуле изобретения (примеры 4, 5), имеют низкую однородность микроструктуры - зернистость, величина - Кодн увеличивается до 5,4-6,2.

В то же время:

Образец ферритового материала (пример 4) имеет низкие значения тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 в миллиметровом диапазоне длин волн, но обладает и низким значением ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк~ 0,6 кА/м.

Образец ферритового материала (пример 5) имеет высокое значение ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк~ 2,0 кА/м, но и высокое значение тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 )ферритовый материал, патент № 2257629 в миллиметровом диапазоне длин волн.

При этом намагниченность насыщения - JS и в этих образцах ферритового материала (примеры 4-5) высокая и составляет 350-360 кА/м.

Таким образом, предлагаемый ферритовый материал по сравнению с ферритовым материалом, описанным в прототипе, обладает:

во-первых, низкими значениями ширины линии резонанса спиновых волн - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк на уровне 0,93-1,5 кА/м (прототип - ферритовый материал, патент № 2257629 Hк~ 2,5 кА/м);

во-вторых, низкими значениями тангенса угла суммарных диэлектрических и магнитных потерь - tgферритовый материал, патент № 2257629 =ферритовый материал, патент № 2257629 (tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 +tgферритовый материал, патент № 2257629 ферритовый материал, патент № 2257629 в миллиметровом диапазоне длин волн на уровне (7,0-8,1)· 10-4 (прототип 8· 10-3).

При этом сохраняются высокие значения намагниченности насыщения - JS, более 320 кА/м.

Предлагаемый ферритовый материал, обладающий такими параметрами, позволит использовать его для создания невзаимных развязывающих СВЧ-устройств: вентилей, циркуляторов среднего и высокого уровня мощности, работающих как в коротковолновой части сантиметрового, так и миллиметрового диапазона длин волн, обеспечивая прямые потери в СВЧ-устройствах на уровне 0,8-1,0 дБ.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1073807, MПК H 01 F 1/10, опубл. 15.02.84 г.

2. Патент США №3694361, МПК С 04 В 35/26, опубл. 1972 г.

3. Патент ФРГ №2346403, МПК С 04 В 35/2, опубл. 11.09.75 г.

Таблица
                   
12,95 3,727,607,11 83,060,65 2,02   3607,6· 10 -41,23,4
22,79 0,037,945,67 87,010,33 1,90   3807,0· 10 -40,933,4
33,35 5,717,748,12 80,010,97 2,22   3208,1· 10 -41,53,5
42,93 3,757,647,13 83,960,13 1,59   3606,8· 10 -40,65,4
52,97 3,707,567,09 81,911,33 2,53   3501,8· 10 -32,06,2
                   
Прототип2,06  10,25  76,481,81 5,871,062,48 3508· 10 -32,55,8

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2257629

patent-2257629.pdf

Класс H01F1/34 неметаллические вещества, например ферриты

способ получения радиопоглощающего никель-цинкового феррита -  патент 2486645 (27.06.2013)
радиопоглощающий феррит -  патент 2473998 (27.01.2013)
способ получения радиопоглощающего магний-цинкового феррита -  патент 2454747 (27.06.2012)
шихта для получения магнитострикционных ферритов с высокими значениями константы магнитострикции -  патент 2454296 (27.06.2012)
способ изготовления изделий из ферритового материала для интегральных устройств свч -  патент 2420821 (10.06.2011)
радиопоглощающий феррит -  патент 2417268 (27.04.2011)
способ изготовления ферритовых изделий -  патент 2410200 (27.01.2011)
способ получения порошка оксидного гексагонального ферримагнетика с w-структурой -  патент 2391183 (10.06.2010)
способ изготовления высокопроницаемых марганец-цинковых ферритов -  патент 2343579 (10.01.2009)
ферритовый материал -  патент 2339105 (20.11.2008)

Класс C04B35/26 на основе ферритов

Наверх