СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ Mn-Zn ФЕРРИТОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF Mn-Zn FERRITES

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к способу получения марганец-цинковых ферритов с низкими магнитными потерями для сильных магнитных полей на частотах до 3 МГц, предназначенных для изготовления низкопрофильных трансформаторов в модулях источников вторичного электропитания Активных Фазированных Антенных Решеток (АФАР).
Применение подобных материалов позволяет в 1,5 раза увеличить излучаемую мощность и дальность действия аппаратуры, повысить ее надежность, обеспечить стабильную работу генераторов и снижение общих нагрузок на усилительные каскады аппаратуры.
3
Известен способ получения Mn-Zn ферритов с малыми потерями на высоких частотах (патенты США №5.846.448 и №6.627.103), который состоит из смешивания основных компонентов, обжига при температуре 900°С в течение 2-3 часов, добавления вспомогательных компонентов к основным и измельчения смеси до размера частиц ~2 мкм, обжига спрессованных образцов при температуре 1250-1300°С в течение 2-7 часов в азоте при постепенном снижении содержания остаточного кислорода. Полученный материал имеет достаточно крупное зерно ~10 мкм, а магнитные потери, измеренные в поле 200 мТл при 100°С, достигают значений 290 кВт/м уже на частоте 100 кГц.
При синтезе ферритов по данному способу получают крупнозеренную кристаллическую структуру, что приводит к росту потерь с увеличением частоты использования.
0,73
0,19
2,08
4
3
2
2
2
5
3
Известен также взятый нами за прототип способ получения Mn-Zn ферритов для планарных транформаторов (Takadate К. et al. «Fine grained Mn-Zn ferrite for high frequency driving». - «J.Apple.Phys.», 1998, v.83, №11, pt.2, pp.6861-6863). В качестве базового материала берется гидротермально осажденный порошок феррита состава MnZnFeO с размером частиц около 0,13 мкм. В этот порошок вводятся вспомогательные добавки СаСО, SiO, TiO, ТаО и вместе перемешиваются в шаровой мельнице до получения однородной смеси, после чего порошок обжигается в азоте при температуре 900°С. Обожженный порошок последовательно проходит стадии помола, сушки, прессовки и обжига при температуре 1075°С в течение 4 часов при уменьшающемся давлении кислорода. Спеченные образцы имеют мелкозеренную структуру порядка 2÷5 мкм и малые магнитные потери Р=100 кВт/м, измеренные при 25°С на частоте 1 МГц в поле 25 мТл.
Несмотря на достижение хороших параметров данный способ технически сложен и требует специального дополнительного оборудования по гидротермальному синтезу базового материала.
Целью изобретения является создание способа получения аналогичных материалов с достигнутым уровнем свойств в рамках приемов традиционной керамической технологии и с использованием стандартного оборудования, что позволяет обеспечить получение материалов со значительно более высокими параметрами при сравнительно умеренных затратах.
Для достижения поставленной цели синтезируют мелкодисперсные (0,2÷0,6 мкм) порошки базового состава Mn-Zn феррита. Затем для получения заданного состава добавляют компоненты комбинированной лигатуры. Комбинированная лигатура состоит из двух частей: дошихтовочной по основным и легирующей по вспомогательным компонентам. Причем состав для каждого компонента можно рассчитать по известной формуле (ПЯ0.054.181 КТД, 1983 г.)
х
где С - содержание компонентов в комбинированной лигатуре, %;
1
С- содержание основного компонента в синтезируемом материале, %;
2
С- содержание основного компонента в базовом составе, %;
где n≤10%, т.е. количество лигатуры составляет не более 10% в общей массе материала.
Перемешивание смеси базового состава и компонентов комбинированной лигатуры проводится в шаровой мельнице в этаноле в течение 18-24 часов. Высушенный порошок обжигается в азоте при температуре 900±50°С в течение 2÷5 часов и проходит повторный помол в этаноле в течение 2÷6 часов. Спекание напрессованных изделий проводится при температуре 1100÷1200°С в течение 2÷4 часов в среде азота с постепенным снижением содержания остаточного кислорода. Данный способ позволяет благодаря использованию базового состава и комбинированной лигатуры получать ряд материалов, отличающихся по начальной магнитной проницаемости и другим магнитным свойствам за счет варьирования в комбинированной лигатуре двух составляющих частей основного состава и добавок, что также позволяет упростить и удешевить способ получения материалов с разными значениями магнитных параметров.
H
2
3
Приведем примеры получения Mn-Zn ферритов с µ=1300÷1700. В этом случае базовый состав будет следующим, вес %: FеO=71,3; МnO=22,3; ZnO=6,40 с дисперсностью частиц 0,2 - 0,6 мкм, а комбинированная лигатура может иметь следующее соотношение компонентов, вес.%:
2
3
FеО - 84,0
MnO - 6,1
ZnO - 0,8
2
ТiO - 6,0
CaO - 2,0
2
SiO - 0,3
2
5
ТаO - 0,8
2
Пример 1. (n=2) Смешивают 98% базового состава и 2% компонентов комбинированной лигатуры в этаноле 24 часа. Высушенный порошок обжигают при температуре 950°С в течение 4 часов в азоте, затем мелят в этаноле в течение 5 часов, шихту высушивают, готовят пресс-порошок и прессуют изделия при удельном давлении 2 т/см. Обжиг образцов проводят при температуре 1200°С в течение 2 часов в среде азота с постепенным снижением содержания кислорода.
Пример 2. (n=5) Смешивают 95% базового состава и 5% компонентов комбинированной лигатуры в этаноле 20 часов. Далее, как и в примере 1, но температура обжига в азоте 900°С в течение 3 часов, после следуют 2 часа помола. Температура обжига образцов 1150°С в течение 3 часов.
Пример 3. (n=7) Смешивают 93% базового состава и 7% компонентов комбинированной лигатуры в этаноле 20 часов. Далее, как в примере 1, но температура обжига порошка 870°С, а спекания образцов - 1100°С.
Пример 4. (n=10) Смешивают 90% базового состава и 10% комбинированной лигатуры в этаноле 18 часов. Далее, как в примере 1, но температура обжига в азоте 850°С в течение 5 часов, помол 6 часов, а температура спекания 1000°С в течение 4 часов.
Пример 5. (n=12. За пределами формулы изобретения). Смешивают 88% базового состава и 12% комбинированной лигатуры, а остальное так же, как в примере 3.
н
2
3
Приведем примеры получения Mn-Zn ферритов с µ=900÷650 (необходимо для более высоких частот). В этом случае базовый состав будет следующим, вес.%: FеO=75,2; MnO=22,0; Zn0=2,8; а комбинированная лигатура имеет следующее соотношение компонентов, вес.%:
2
3
FеO - 74,3
MnO - 12,0
ZnO - 2,6
2
TiO - 1,8
CaO-0,8
MgO-8,5
Пример 6. (n=4) Смешивают 96% базового состава и 4% компонентов комбинированной лигатуры в этаноле 20 часов. Далее все, как в примере 1.
Пример 7. (n=10) Смешивают 90% базового состава и 10% компонентов комбинированной лигатуры в этаноле 24 часов. Далее все, как в примере 1, но температура обжига порошка 920°С, а температура обжига образцов 1180°С.
Пример 8. (n=11. За пределами формулы изобретения). Смешивают 89% базового состава и 11% компонентов комбинированной лигатуры, а остальное так же, как в примере 7.
Свойства синтезированных материалов приведены в таблице 1. Химический состав примеров синтезированных материалов приведен в таблице 2.
Таблица 1
Материал
µ<sub>н</sub>
ρ, Ом·м
α, мкм
Условия измерения
Р, кВт/м<sup>3</sup> 100°С
f, МГц
В<sub>m</sub>, мТл
Пример №1
1450
10
2÷5
1,0
50
510
Пример №2
1500
11
2÷5
1,0
50
475
Пример №3
1600
10
2÷5
1.0
50
480
Пример №4
1300
13
2÷5
1,0
50
460
Пример №5
1680
5
5÷7
1,0
50
880
Пример №6
900
12
2÷5
1,0
50
300
2,0
30
900
Пример №7
650
11
2÷5
3,0
10
100
30
900
Пример №8
600
4
3÷8
3,0
10
600
Далее приведены примеры расчета лигатуры.
Пример 1
2
3
Расчет компонента FО лигатуры по формуле:
1
2
где C=71.55, С=71.3, n=2%.
x
С=84%
Пример 7
Расчет компонента МnО лигатуры по формуле:
1
2
где C=19.92, С=22, n=10%.
x
С=12%
Расчет компонента MgO лигатуры по формуле:
1
2
где C=0.85, С=0, n=10%.
x
С=8.5%
Как видно из таблиц, предложенный способ позволяет получать Мn-Zn ферриты с хорошими параметрами по керамической технологии на традиционном оборудовании при тех же затратах. Дополнительное преимущество состоит в создании ряда различных Mn-Zn ферритов, отличающихся начальной магнитной проницаемостью и, следовательно, предназначенных для работы в разных частотных диапазонах.
Предлагаемое изобретение было создано в процессе выполнения тематического плана предприятия. Выпущены опытные образцы и комплект технических и технологических документов.
Таблица 2
Материал
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, вес.%
МnО, вес.%
ZnO, вес.%
TiO<sub>2</sub>, вес.%
CaO, вес.%
SiO<sub>2</sub>, вес.%
Та<sub>2</sub>O<sub>5</sub>, вес.%
MgO, вес.%
С<sub>1</sub> <sup>*)</sup>
С<sub>2</sub>·(1-n)<sup>*)</sup>
С<sub>x</sub> <sup>*)</sup>
C<sub>1</sub>
С<sub>2</sub>·(1-n)<sup>*)</sup>
С<sub>х</sub>
C<sub>1</sub>
С<sub>2</sub>·(1-n)<sup>*)</sup>
С<sub>х</sub>
Пример 1, n=2%
71,55
69,88
1,68
21,68
21,56
0,12
6,30
6,272
0,016
0,12
0,04
0,006
0,016
-
Пример 2, n=5%
71,94
67,74
4,2
21,49
21,85
0,305
6,41
6,37
0,04
0,30
0,10
0,015
0,04
-
Пример 3, n=7%
72,19
66,31
5,88
21,17
20,74
0,43
6,14
6,08
0,06
0,42
0,14
0,021
0,056
-
Пример 4, n=10%
72,57
64,17
8,4
20,68
20,07
0,61
5,84
5,76
0,08
0,60
0,20
0,03
0,08
-
Пример 5, n=12%
72,82
62,74
10,08
20,36
19,62
0,73
5,73
5,632
0,096
0,72
0,24
0,036
0,096
-
Пример 6, n=4%
75,164
72,192
2,972
21,60
21,12
0,48
2,792
2,688
0,104
0,072
0,032
-
-
0,34
Пример 7, n=10%
75,11
67,68
7,43
19,92
19,8
0,12
2,78
2,52
0,26
0,18
0,08
-
-
0,85
Пример 8, n=11%
75,10
66,93
8,173
20.9
19,58
1,32
2,77
2,492
0,286
0,20
0,09
-
-
0,935
где С<sub>х</sub> - содержание компонентов в комбинированной лигатуре, %;
C<sub>1</sub> - содержанием основного компонента в синтезируемом материале, %;
С<sub>2</sub> - содержание основного компонента в базовом составе, %