ФЕРРИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2015 года по МПК H01F1/34 H01Q17/00 

Настоящее изобретение относится к ферритовым материалам, предназначенным для использования в сверхвысокочастотных (СВЧ) системах, например в антенных элементах фазированных антенных решеток, в частности к ферритовым материалам с малыми диэлектрическими потерями и высокими значениями остаточной магнитной индукции. Известно, что различные свойства ферритовых материалов, влияющие на возможность их использования в различных системах, зависят определенным образом от некоторых внешних факторов и параметров самого материала. Так, на намагниченность ферритового материала влияет окружающая температура: намагниченность с увеличением температуры уменьшается до достижения температуры точки Кюри, при которой она исчезает, т.е. материал становится парамагнетиком. Следовательно, для того чтобы состав имел высокую намагниченность, он должен иметь более высокое значение точки Кюри. Кроме того, на эксплуатационные свойства материала оказывают существенное влияние такие параметры, как диэлектрические потери, структура материала и др. Причем высокое значение остаточной магнитной индукции положительно сказывается, например, на быстродействии локационных систем, а мелкозернистость структуры повышает прочность изделий и позволяет существенно снизить негативное влияние немагнитных зазоров.

Известен ферритовый материал литий-титановой системы, содержащий, мас.%:

Li₂CO₃ 33,53 Fe₂O₃ 24,16 TiO₂ 42,31

(см. «Кристаллохимия феррошпинелей.» Бляссе Ж. Перевод с англ. Под ред. Б.Е. Левина. М., «Металлургия», 1968, стр.134).

Этот материал имеет температуру точки Кюри равную -148°C, и, следовательно, при рабочих температурах порядка - 50°C он становится парамагнитным, не имея намагниченности и соответствующих ей свойств.

Известен ферритовый материал, имеющий состав

$$L{i}_a^{+}{R}_b^{n+}F{e}_c^{3+}N{b}_x^{5+}{O}_4$$ ,

где a+b+c+x=3 и a+nb+5x+3c=8,

$$R_b^{n+}=Cu,Mn,Co,Ni,Zn,Cr,Cd,V,Ti$$ ,

а ферриты с намагниченностью I_S=320,390 кА/м составов

Li_0,38Co_0,025Ni_0,075Zn_0,16Nb_0,01Fe_2,35O_4,00

Li_0,31Co_0,030Ni_0,075Zn_0,27Cu_0,03Nb_0,01Fe_2,28O_4,00

(см. патент ФРГ №2346403 от 14.09.73 г.).

Материал обладает достаточно плотной мелкозернистой структурой, повышающей его прочность.

Однако этот материал имеет в своем составе молекулы кобальта, что приводит к достаточно высоким потерям в миллиметровом диапазоне длин волн (суммарный тангенс магнитных и диэлектрических потерь составляет (5-8)·10^-3).

Известен состав для получения ферритового материала, содержащий, мас.%:

Fe₂O₃ 19,19-37,42 Li₂CO₃ 2,91-3,09 ZnO 8,21-8,72 MnCO₃ 12,13-12,88 TiO₂ 0,17-21,42 Fe 18,92-34,45. Bi₂O₃ 0,24-0,25    

(см. патент РФ №2009561 от 31.08.1992).

Этот материал позволяет получить ферритовый материал с величиной резонансных потерь ниже 0,30 дБ. Однако недостатками такого ферритового материала являются его большие магнитные потери при высокой намагниченности.

Близким по основным характеристикам к заявленному является ферритовый материал, имеющий нормализованное обозначение 1СЧ12 по Каталогу «Сверхвысокочастотные магнитные и диэлектрические материалы», СПб., ОАО Завод «Магнетон», 2001. (см. ниже таблицу).

Этот материал обладает хорошими эксплуатационными свойствами и достаточно широко применяется в системах СВЧ. В то же время он имеет повышенные значения диэлектрических потерь и крупнозернистую структуру, а также повышенные значения квадратности петли гистерезиса, что понижает его радиолокационные качества и конструктивную прочность и долговечность.

Известен также ферритовый материал, содержащий оксиды лития, титана, цинка, марганца, железа и фторид лития при следующем соотношении компонентов, вес.%: оксид лития Li₂O - 2,753-3,39, оксид титана TiO₂ - 0,001-5,71, оксид цинка ZnO - 7,67-7,903, оксид марганца MnO₂ - 4,12-6,21, оксид железа Fe₂O₃ - 76,98-83,285, фторид лития LiF - 0,20-0,40 (см. патент РФ №2291509 от 14.06.2005).

Этот материал используется в технике СВЧ и создан для снижения значений температурного коэффициента намагниченности насыщения, повышения выхода годных невзаимных развязывающих СВЧ-устройств путем повышения стабильности значений намагниченности в рабочем интервале температур -60-+85°C при сохранении высоких значений намагниченности насыщения. Однако известный материал обладает достаточно высокими значениями диэлектрических потерь, порядка (7-8)10^-4, что серьезно ухудшает его эксплуатационные качества при использовании в системах фазированных антенных решеток.

Известно изобретение, относящееся к ферритовому материалу, предназначенному для использования в развязывающих СВЧ-устройствах миллиметрового диапазона длин волн и содержащему компоненты в следующем соотношении (мол. доли): оксид лития 0,395-0,475; оксид титана 0,005-0,15; оксид цинка 0,20-0,21; оксид марганца 0,1-0,3; оксид ниобия 0,020-0,035; оксид железа 2,175-2,395 (см. патент РФ №2247436 от 15.02.88).

Техническим результатом известного изобретения является снижение магнитных и диэлектрических потерь в миллиметровом диапазоне длин волн при сохранении намагниченности насыщения. Для этого материала, несмотря на некоторое снижение потерь, суммарный тангенс магнитных и диэлектрических потерь равен tg^δ=6,0×10^-4 при I_s=360 кА/м, что для использования в современных технических средствах является достаточно высоким.

Дополнительно он обладает высокими значениями температурного коэффициента намагниченности насыщения - TKJ_s порядка 0,15%/град., что также затрудняет использование данного ферритового материала в невзаимных развязывающих СВЧ-устройствах, работающих в интервале температур -60-+85°C, миллиметрового диапазона длин волн.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание ферритового материала с малыми диэлектрическими потерями и высокими значениями остаточной магнитной индукции для обеспечения повышенного КПД и дальнодействия антенны.

Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка и создание ферритового материала, имеющего пониженное значение квадратности петли гистерезиса, а также мелкозернистую структуру с высокой плотностью для повышения прочности изделий и точности их механической обработки.

Таким образом, настоящее изобретение создавалось для решения комплексной задачи - получить новый материал для изготовления высокоэффективных СВЧ-элементов для устройств миллиметрового диапазона длин волн.

Для решения указанных и других задач заявляется новый ферритовый материал, полученный из смеси порошков, содержащей Fe₂O₃, Li₂CO₃, MnCO₃, Bi₂O₃, ZnO, CdO, SnO₂, TiO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- оксид железа 71,39±0,1

- карбонат лития 5,61±0,1

- оксид цинка 8,58±0,1

- оксид кадмия 5,41±0,1

- оксид олова 3,18±0,1

- оксид титана 0,69±0,03

- карбонат марганца 4,84±0,1

- оксид висмута 0,3±0,03.

Введение в состав оксида цинка (ZnO) обеспечивает высокую остаточную магнитную индукцию. Оксид кадмия (CdO) снижает квадратность петли гистерезиса и способствует увеличению плотности структуры материала феррита при уменьшении среднего размера зерна. Добавлением оксида олова (SnO₂) и оксида титана (TiO₂) в указанных количествах снижают диэлектрические потери.

Заявленный ферритовый материал, которому заявитель дал наименование «ФЕРРИТ Марки 1СЧ-380», получают по обычной керамической технологии. В качестве исходных компонентов используют порошки оксидов и карбонатов, соответствующие квалификации чистоты «Ч» и «ХЧ».

Указанные порошки смешивают в соотношениях, указанных в формуле настоящего изобретения, ферритизуют при температуре 960±40°C в течение 2-5 часов, затем размалывают в стальных мельницах, после чего прессуют детали, которые спекают на воздухе при температуре 1050±50°C в течение 8-12 часов. Скорость нагрева и охлаждения составляет 200±50°C/ч.

Примеры осуществления настоящего изобретения представлены в таблице.

Сравнительные данные представлены относительно нормализованного ферритового материала, указанного в Каталоге «Сверхвысокочастотные магнитные и диэлектрические материалы». СПб., ОАО Завод «Магнетон», 2001.

Заявлен ферритовый материал с малыми диэлектрическими потерями и высокими значениями остаточной магнитной индукции. Ферритовый материал получен из смеси порошков, содержащей Fe₂O₃, Li₂CO₃, MnCO₃, Bi₂O₃, ZnO, CdO, SnO₂, TiO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид железа 71,39±0,1, карбонат лития 5,61±0,1, оксид цинка 8,58±0,1, оксид кадмия 5,41±0,1, оксид олова 3,18±0,1, оксид титана 0,69±0,03, карбонат марганца 4,84±0,1, оксид висмута 0,3±0,03. Ферритовый материал получают по обычной керамической технологии. Снижение диэлектрических потерь и повышение значения остаточной индукции в заявленном материале является техническим результатом изобретения, что позволяет его использовать при изготовлении высокоэффективных СВЧ-элементов дальнодействующих антенн. 1 табл.

1. Ферритовый материал, полученный из смеси порошков, содержащей Fe₂O₃, Li₂CO₃, MnCO₃, Bi₂O₃, ZnO, CdO, SnO₂, TiO₂,
находящихся при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- оксид железа 71,39±0,1
- карбонат лития 5,61±0,1
- оксид цинка 8,58±0,1
- оксид кадмия 5,41±0,1
- оксид олова 3,18±0,1
- оксид титана 0,69±0,03
- карбонат марганца 4,84±0,1
- оксид висмута 0,3±0,03.