СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ Mn-Zn ФЕРРИТОВ Российский патент 2010 года по МПК C04B35/38 

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.

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/м³ уже на частоте 100 кГц.

При синтезе ферритов по данному способу получают крупнозеренную кристаллическую структуру, что приводит к росту потерь с увеличением частоты использования.

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 Mn_0,73Zn_0,19Fe_2,08O₄ с размером частиц около 0,13 мкм. В этот порошок вводятся вспомогательные добавки СаСО₃, SiO₂, TiO₂, Та₂О₅ 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/м³, 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.)

где С_х - содержание компонентов в комбинированной лигатуре, %;

С₁ - содержание основного компонента в синтезируемом материале, %;

С₂ - 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.

Приведем примеры получения Mn-Zn ферритов с µ_H=1300÷1700. В этом случае базовый состав будет следующим, вес %: Fе₂O₃=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.%:

Fе₂О₃ - 84,0

MnO - 6,1

ZnO - 0,8

ТiO₂ - 6,0

CaO - 2,0

SiO₂ - 0,3

Та₂O₅ - 0,8

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/см². 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.

Приведем примеры получения Mn-Zn ферритов с µ_н=900÷650 (необходимо для более высоких частот). В этом случае базовый состав будет следующим, вес.%: Fе₂O₃=75,2; MnO=22,0; Zn0=2,8; а комбинированная лигатура имеет следующее соотношение компонентов, вес.%:

Fе₂O₃ - 74,3

MnO - 12,0

ZnO - 2,6

TiO₂ - 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_н ρ, Ом·м α, мкм Условия измерения Р, кВт/м³ 100°С f, МГц В_m, 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

Расчет компонента F₂О₃ лигатуры по формуле:

где C₁=71.55, С₂=71.3, n=2%.

С_x=84%

Пример 7

Расчет компонента МnО лигатуры по формуле:

где C₁=19.92, С₂=22, n=10%.

С_x=12%

Расчет компонента MgO лигатуры по формуле:

где C₁=0.85, С₂=0, n=10%.

С_x=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 Fe₂O₃, вес.% МnО, вес.% ZnO, вес.% TiO₂, вес.% CaO, вес.% SiO₂, вес.% Та₂O₅, вес.% MgO, вес.% С₁ ^*) С₂·(1-n)^*) С_x ^*) C₁ С₂·(1-n)^*) С_х C₁ С₂·(1-n)^*) С_х 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_х - содержание компонентов в комбинированной лигатуре, %; C₁ - содержанием основного компонента в синтезируемом материале, %; С₂ - содержание основного компонента в базовом составе, %

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). Сущность изобретения заключается в том, что к мелкодисперсному порошку базового состава, содержащему компоненты MnO, ZnO и Fе₂О₃, добавляют комбинированную лигатуру, состоящую из основных и вспомогательных компонентов для получения желаемого состава. Содержание комбинированной лигатуры не превышает 10% от общей массы. Осуществляют обжиг смеси в азоте, прессование и обжиг изделий в азоте при снижении содержания остаточного кислорода. Технический результат изобретения - увеличение излучаемой мощности и дальность действия аппаратуры с использованием полученных ферритов, повышение ее надежности, стабильности работы генераторов и снижение общих нагрузок на усилительные каскады аппаратуры. 2 табл.

Способ получения Mn-Zn ферритов с малыми потерями для сильных полей на частотах до 3 МГц, включающий использование ферритового порошка базового состава, содержащего основные компоненты: MnO, ZnO и Fе₂О₃ и имеющего мелкодисперсный состав, перемешивание его со вспомогательными добавками, обжиг смеси в азоте, прессование и обжиг изделий в азоте при снижении содержания остаточного кислорода, отличающийся тем, что к порошку базового состава с дисперсностью 0,2-0,6 мкм добавляют комбинированную лигатуру, состоящую из основных и вспомогательных компонентов для получения синтезируемого состава, при этом содержание комбинированной лигатуры не превышает 10% от общей массы.