Влияние параметров микроструктуры на радиофизические характеристики Ni-Zn-ферритовых материалов

УДК 621.318.134

С. Б. Меньшова, Э. В. Лапшин, С. Б. Бибиков, М. В. Прокофьев, Р. М. Вергазов

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОСТРУКТУРЫ НА РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Ni-Zn-ФЕРРИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация. Проведены исследования радиофизических характеристик образцов Ni-Zn-ферритовых радиопоглощающих материалов, полученных по различным технологическим режимам. Установлено влияние микроструктуры на радиофизические характеристики испытуемых материалов.

Ключевые слова: ферритовые радиопоглощающие материалы, радиофизические характеристики, микроструктура, легирующие добавки, средний размер зерна.

Abstract. In this paper there have been studied the radiophysical characteristics of samples of Ni-Zn ferrite electromagnetic absorbers obtained by different technological modes. There has been determined the influence of microstructure on the ra-diophisical characteristics materials which have been tested.

Keywords: ferrites electromagnetic absorbers, radiophysical characteristics, microstructure, alloying additives, average size of grain.

Введение

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 Ni-Zn-ферритов. Поскольку композиционные материалы градиентного (пирамидального) типа имеют габариты, сопоставимые с длиной волны электромагнитного излучения, и требуют специальных конструкций для их монтажа, а импортные ферритовые РПМ дороги (не менее 60 тыс. руб. за 1 м2), актуальны разработка 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 зерна, тем больше

f; и и ^ г^-|

мнимая часть ц комплексной магнитной проницаемости ц [2]:

^ м /1 \

ц =ц - л ,

определяющая потери электромагнитной энергии.

Управляя средним размером зерна, можно 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 ферритового материала того же состава, полученного дроблением спеченных заготовок.

В качестве легкоплавкой эвтектики в производстве радиопоглощающих №-2п-ферритов можно использовать оксид висмута Б1203, так как крупные ионы висмута Б13+ (0,213 нм) будут выходить из решетки шпинели, образованной плотной укладкой анионов кислорода 02(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 (РДГ), 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 №-2п-ферритовых материалов близки, поэтому для расширения интервала радиопоглощения необходимо снизить частоту РДГ или увеличить частоту ЕФМР. Для частоты ЕФМР юЕФМР справедливо соотношение [3]

где у - гиромагнитное отношение; М0 - намагниченность насыщения; На - напряженность поля анизотропии, которая определяется как

где £ - константа кристаллографической магнитной анизотропии. Она зависит от состава феррита и характера катионного распределения. С уменьшением содержания цинка в зернах константа кристаллографической магнитной анизотропии £1 увеличивается. При увеличении £1 частота ЕФМР сдвигается в сторону верхних частот. Зависимость М0 от перечисленных факторов не так чувствительна к указанным параметрам.

Для феноменологического описания РДГ используют уравнение Де-ринга [4]:

2уНА < Юефмр < 2уНА + 4утМ0,

На-тт-

£1

М0’

т1р - эффективная масса доменной границы; х - координата границы; £, - обобщенный квазиупругий коэффициент, выражающий некоторую упругую силу, возвращающую границу в положение устойчивого равновесия; р - обобщенный диссипативный коэффициент, характеризующий необратимые потери энергии в системе при действии на нее обобщенной силы М0 Н 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:

ЮрДт

V

тгр

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 межзеренных 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 выдвинутого предположения были изготовлены четыре экспериментальных партии ферритовых РПМ. Первая партия базового состава была изготовлена по стандартной технологии получения №-2п-феррита марки 1000НН, имеющей среди №-2п-ферритов максимальную магнитную проницаемость. В процессе изготовления второй партии использовали легирующую добавку Б1203, добавляемую на стадии второго помола. Это позволило снизить температуру спекания с 1350 °С, характерную для базовой партии, до 1300 °С. Третья партия отличалась от партии базового состава введением в пресс-порошок 2,5 % крупной фракции (50-100 мкм) феррита, соответствующего изготавливаемому по химическому составу. Предполагалось, 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. Четвертая партия характеризовалась меньшим количеством - 2 % крупной фракции, вводимой перед операцией прессования, и температурой спекания 1300 °С.

Образцы №-2п-ферритов всех четырех опытных партий были выполнены в форме шайб с наружным диаметром 16-0 05 мм и внутренним диаметром 7-0,05 мм. Для проведения микроструктурного и рентгеноструктурного анализов из каждой партии было отобрано по пять образцов. Результаты анализов в пределах данной выборки были практически идентичными.

Для снятия радиофизических характеристик - коэффициентов отражения и комплексных коэффициентов магнитной проницаемости - из каждой

партии также было отобрано по пять образцов. Разброс экспериментальных данных внутри выборки не превышал 5 %.

Измерения коэффициентов отражения в режиме короткого замыкания от образцов различной толщины на металлической пластине в диапазоне частот 0,3-1300 МГц проводились на лабораторном стенде, созданном на базе измерителя комплексных коэффициентов передачи «0бзор-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. Расчет комплексной магнитной проницаемости проводился по разработанной методике на основе известного метода «короткого замыкания - холостого хода» [5].

3. Результаты и обсуждение

Наиболее характерные снимки микроструктуры, полученные на сканирующем микроскопе фирмы «Карл Цейс Йена», представлены на рис. 1. На снимках микроструктуры видно, что у образцов базовой партии средний размер зерна около 10 мкм, у образцов, содержащих висмут, зерна 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. Рост зерен при легировании оксидом висмута можно объяснить активированием процессов спекания в результате формирования легкоплавкой эвтектики. Введение крупной фракции в количестве 2 % крупной фракции также увеличивает средний размер зерна, что можно объяснить активизацией процессов вторичной рекристаллизации. Однако введение 2,5 % крупной фракции обеспечивает более мелкозернистую структуру. Видимо, избыточное количество частиц крупной фракции начинает тормозить процессы вторичной рекристаллизации.

На снимке микроструктуры, полученном на изломе образцов, содержащих висмут, видны белые протяженные включения по границам зерен (рис. 1,б). Они неравномерно расположены на изломе образца, отличаются по протяженности и толщине (рис. 2). Результаты рентгеноспектрального анализа границ и глубины зерен показали, что внутри зерен висмута нет, тогда как он находится в указанных белых включениях.

Экспериментальные спектры магнитной проницаемости были получены для образцов исследуемых партий в диапазоне частот 300 кГц - 1,3 ГГц. Разброс экспериментальных данных для каждого из пяти образцов каждой партии не превышал 5 %. Типичные спектры для образцов четырех опытных партий приведены на рис. 3-6. Согласно [2] спектры мнимой части магнитной проницаемости ферритовых РПМ обычно имеют два экстремума: первый соответствует частоте РДГ, а второй - частоте ЕФМР. В случае №-2п-фер-ритов указанные частоты близки, и в результате наложения двух процессов -РДГ и ЕФМР - получается один «горбик» вместо двух. Согласно [2] частоты РДГ и ЕФМР определялись по тем точкам спектра мнимой части у" магнитной проницаемости, в которых первая производная изменяет свое значение.

Как видно из графиков, у образцов базовой партии частоты РДГ и ЕФМР составили соответственно 3 и 9 МГц; у образцов, содержащих висмут, -2 и 10 МГц. Резонансные частоты для образцов, содержащих 2,5 % более

крупной фракции готового феррита того же состава, - 5 и 35 МГц; а у содержащих 2 % крупной фракции - 2 и 10 МГц.

Образцы, отличающиеся друг от друга средним размером зерна, характером и протяженностью межзеренных границ, должны отличаться также параметрами колебаний доменных границ при воздействии со стороны внешнего электромагнитного поля. Действительно, у образцов с более крупными зернами частоты РДГ меньше, чем у образцов базовой партии, на 1 МГц, за исключением образцов, содержащих 2,5 % крупной фракции. Увеличение частоты ЕФМР у указанных образцов до 10 МГц может быть обусловлено большей, чем у образцов базовой партии 1000НН, величиной внутренних механических напряжений, сформированных благодаря включениям висмута по границам зерен и особенностям формирования крупнозернистой микроструктуры.

Интерес представляют образцы, приготовленные с добавлением 2,5 % более крупной фракции. У образцов данной партии наблюдается значительный разброс зерен по размерам и сдвиг в область более высоких частот областей РДГ и ЕФМР. Рентгенографический анализ, проведенный на установке ДРОН-3, показал, что содержание цинка в середине зерна у образцов указанной партии меньше, чем у образцов остальных партий, т.е. наблюдалось выделение цинка по границам зерен. Это привело к увеличению константы кристаллографической магнитной анизотропии и увеличению частоты ЕФМР согласно (2) и (3), возможно, обусловленное увеличением величин внутренних механических напряжений, которые также способствуют сдвигу частоты ЕФМР в область более высоких частот [6].

Из спектров магнитной проницаемости образцов видно, что мнимая часть магнитной проницаемости для образцов второй и четвертой партий больше, чем у образцов первой и третьей партий. Согласно [2] образцы второй и четвертой партий должны обладать лучшим поглощением электромагнитной энергии. Кривые коэффициента отражения Котр для образцов исследованных партий (рис. 7) подтверждают данное предположение. Толщина испытуемых образцов во всех опытах составляет 6 мм.

Таким образом, характеристики коэффициентов отражения показали, что наилучшими эксплуатационными показателями обладают образцы с крупнозернистой структурой, т. е. легированные висмутом и приготовленные с добавкой 2 % крупной фракции готового феррита того же состава. Образцы базовой партии (рис. 3) имеют недостаточное поглощение электромагнитной энергии во всем частотном диапазоне, точка экстремума соответствующей кривой - 3 дБ. Недостатком образцов партии, содержащей 2,5 % более крупной фракции, является недостаточное поглощение до 50 МГц, по модулю не превышающее 10 дБ.

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 -28 дБ и ниже. В целом можно заключить, что при увеличении среднего размера зерна радиопоглощающие свойства ферритовых №-2п РПМ в исследованном частотном диапазоне 300 кГц -1,3 ГГц улучшаются.

а) образец базовой партии 1000НН

б) образец партии, легированной оксидом висмута

Рис. 1. Снимки микроструктуры образцов, полученные

г) образец с добавлением 2 % более крупной фракции готового феррита того же состава

на сканирующем микроскопе фирмы «Карл Цейс Йена»

Рис. 2. Снимок микроструктуры образцов, полученный на сканирующем микроскопе фирмы «Карл Цейс Йена», на котором видны включения эвтектики висмута

Рис. 3. Спектр комплексной магнитной проницаемости образцов №-2п-феррита 1000НН базовой партии

Рис. 4. Спектр комплексной магнитной проницаемости образцов №-2п-феррита, легированного оксидом висмута Б1203

Рис. 5. Спектр комплексной магнитной проницаемости образцов №-2п-феррита, легированного 2,5 % более крупной фракцией готового феррита

Рис. 6. Спектр комплексной магнитной проницаемости образцов №-2п-феррита, легированного 2 % более крупной фракцией готового феррита

Рис. 7. Частотная зависимость коэффициента отражения мощности от поверхности ферритовых образцов

2. Из рассмотренных технологических приемов, увеличения среднего размера зерна, наиболее эффективными оказались легирование 2 % оксидом висмута, добавляемым на стадии второго помола, и дошихтовка 2 % крупной фракции (с размером частиц 50-100 мкм) готового феррита, соответствующего изготавливаемому по химическому составу, на стадии второго помола.

3. Сдвиг области ЕФМР, возможно, обусловлен большей величиной внутренних механических напряжений в готовом ферритовом материале из-за образования межзеренных прослоек, содержащих висмут, а также увеличением константы кристаллографической магнитной анизотропии. Одной из причин увеличения константы кристаллографической магнитной анизотропии является уменьшение содержания цинка в зернах за счет выхода цинка из зерна.

1. Никольский, В. В. Электродинамика и распространение радиоволн / В. В. Никольский, Т.И. Никольская. - М. : Наука, 1989. - 273 с.

2. Крутогин, Д. Г. Элементы и устройства магнитоэлектроники : лабораторный практикум / Д. Г. Крутогин. - М. : МИСИС, 2008. - 81 с.

3. Гуревич, А. Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках / А. Г. Гуревич. - М. : Наука, 1973. - 573 с.

4. Смит, Я. Ферриты / Я. Смит, Х. Вейн. - М. : Изд-во иностр. литературы, 1962. -

5. Бр андт, А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах / А. А. Брандт. - М. : Физматгиз, 1963. - 404 с.

6. Алексеев, А. Г. Физические основы технологии Stealth / А. Г. Алексеев, Е. А. Штагер, С. В. Козырев. - СПб. : ВВМ, 2007. - 284 с.

Список литературы

503 с.

Меньшова Светлана Борисовна

кандидат технических наук, доцент, кафедра естественно-научных и технических дисциплин, Кузнецкий институт информационных и управленческих технологий Пензенского государственного университета

Menshova Svetlana Borisovna Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of engineering and natural sciences disciplines. Kuznetsk Institute of Information and Management Technologies under Penza State University

E-mail: savva_72@mail.ru

Лапшин Эдуард Владимирович

доктор технических наук, профессор, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет

E-mail: edlapshin@mail.ru

Lapshin Eduard Vladimirovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of radio devices engineering and production, Penza State University

Бибиков Сергей Борисович Bibikov Sergey Borisovich

кандидат технических наук, старший Candidate of engineering sciences,

научный сотрудник, лаборатория senior staff scientist, laboratory of applied

прикладной электродинамики и фотоники electrodynamics and photonics композиционных материалов и наноструктур, Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН

E-mail: sb@deom.chph.ras.ru

Прокофьев Михаил Владимирович

кандидат химических наук, доцент, кафедра материаловедения, Московский авиационный институт

E-mail: mihail1953@post.ru

Вергазов Рашит Мунирович

преподаватель, Кузнецкий колледж электронной техники

E-mail: vergrash@mail.ru

УДК 621.318.134 Меньшова, С. Б.

Влияние параметров микроструктуры на радиофизические характеристики Ш^]Ч-ферритовых материалов / С. Б. Меньшова, Э. В. Лапшин, С. Б. Бибиков, М. В. Прокофьев, Р. М. Вергазов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. -№ 3 (15). - С. 123-134.

of composites and nanostructures, Institute of biochemical physics named after N. M. Emanuel of the Russian Academy of Sciences

Prokofyev Mikhail Vladimirovich Candidate of chemical sciences, associate professor, sub-department of material science, Moscow Aviation Institute

Vergazov Rashit Munirovich

Lecturer, Kuznetsk College of Electronic Engineering