- •Глава 8. Ферриты для радиочастот (лекции 14,15)
- •8.1. Характеристика и назначение
- •8.2. Марганец-цинковые ферритообразующие системы
- •8.3. Особенности спекания Мn–Zn-ферритов
- •8.4. Промышленная технология Mn–Zn-ферритов
- •Химический состав Мn–Zn-ферритов
- •Химический состав и соотношение компонентов для двухпартионной технологии
- •Характеристика ферритовых изделий
- •Ориентировочные режимы спекания ферритов
- •8.5. Влияние предыстории порошков на свойства ферритных изделий
- •Физико-химические свойства ферритовых порошков и суспензий
- •Характеристики ферритовых материалов
- •Технологические режимы спекания ферритов 2000нм
- •Характеристики ферритов 2000нм
Глава 8. Ферриты для радиочастот (лекции 14,15)
8.1. Характеристика и назначение
Ферриты – это оксидные электронные полупроводники, синтезированные из оксидов металлов на основе Fe2O3, которые при наложении электрического поля обладают определенными электромагнитными параметрами. Общая формула ферритов (Me2kO2k)m/2(Fe2O3)n, где Me – характеристические металлы, определяющие название феррита; k – валентность Me; m, n – целые числа. Известны ферриты, в которых кислород частично замещен элементами F, Cl, S, Se, Те и др.
Ферриты, используемые в магнитных элементах и компонентах радиочастотного диапазона (103–108 Гц), в основном имеют структуру типа шпинели, характеристические металлы в ней двухвалентные и химическая формула феррита имеет вид MeFe2O4. Известен природный магнитный материал – магнетит или феррит железа – Fe3O4, формула которого Fe3O4 = FeO Fe2O3.
Шпинель – это керамический минерал – MgAl2O4. Решетка типа шпинели – это гранецентрированная кубическая решетка с плотной упаковкой кислородных ионов (анионов O2–), между которыми возникают междоузлия (подрешетки) двух типов: В – октаэдрическая, в которой размещаются катионы Fe3+; A – тетраэдрическая, в ней размещаются Ме2+. Одна ячейка шпинели состоит из восьми формульных единиц MeFe2O4 и содержит 32 иона кислорода и 24 иона металла. Различают три вида шпинели: нормальную, обращенную и смешанную. Примером нормальной шпинели может быть ZnFe2O4. В обращенной шпинели ионы Ме2+ входят в положение В, a Fe3+ размещены между А и В, и формула имеет вид Fe+3[Me2+Fe3+]O42–. Выражение в квадратных скобках относится к октаэдрической позиции, такую шпинель имеют ферриты, например NiFe2O4, CoFe2O4. Смешенная шпинель имеет распределение Ме2+ и Fe3+ по обеим подрешеткам, и формула ее в общем случае MexFe1-x[Me1-x Fe1+x]O4, где х – мера обращенности шпинели.
Распределение катионов и анионов в решетке типа шпинели таково, что каждый анион кислорода окружен четырьмя катионами металлов, притом два из них из подрешетки А и два – из В (рис. 87).
Между катионами разных подрешеток существует косвенное обменное взаимодействие с помощью возбужденного состояния немагнитных анионов кислорода. Это взаимодействие отрицательное, результат которого – антипараллельная ориентация магнитных моментов доменов катионов, находящихся в окта- и тетрапозициях.
|
Рис. 87. Схема формирования ферримагнетизма в шпинели
|
Создается магнитная коллинеарная структура, свойственная ферромагнетизму или неполностью скомпенсированному антиферромагнетизму. Ферриты – типичные представители этого вида магнетизма. Cуммарная намагниченность шпинели Js представляет собой разность намагниченностей подрешеток А и В:
Js = JB – JA. |
(90) |
Валентное состояние ионов, их распределение по подрешеткам шпинели, степень проявления ферромагнетизма, а также дефекты кристаллической структуры определяют все физико-химические характеристики и электромагнитные параметры ферритов.
Основным препятствием для использования магнитных материалов в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) являются вихревые токи (Фуко), которые как бы уменьшают эффективное сечение магнитопроводов и вызывают потери электромагнитной энергии при перемагничивании. Ферриты имеют огромное электрическое сопротивление в отличие от металлических магнетиков, которые относятся к проводникам. Это резко уменьшает потери и позволяет использовать ферриты в ВЧ, СВЧ и даже в оптическом диапазоне частот.
Классическим металлическим магнито-мягким материалом является сплав пермаллой (Fе + Ni). Сравнение этого сплава с ферритом (рис. 88, непрерывная линия – , штриховая – tg), показывает явное преимущество, феррит в большом диапазоне частот имеет практически постоянную магнитную проницаемость, в ряде случаев более высокие характеристики и лучшую технологичность. Он способен намагничиваться до насыщения в сравнительно слабых полях. Эти обстоятельства ставят ферриты вне конкуренции с металлическими магнитными материалами, которые все больше вытесняются из РЭА.
Ферриты, используемые в радиочастотном (РЧ) диапазоне, имеют округлую петлю гистерезиса (ОПГ) и соотношение Вr/Вm = 0,3–0,6 (рис. 89).
| |
Рис. 88. Зависимость электромагнитных характеристик материалов от рабочей частоты: 1 – феррит;2– пермаллой |
Рис. 89. Округлая петля гистерезиса
|
Высокое значение максимальной индукции Вm в сочетании с низкой остаточной Вr позволяет использовать эти материалы в импульсных трансформаторах. К ферритам с ОПГ относятся две группы: Мn–Zn и Ni–Zn. Промышленность выпускает около 60 марок таких ферритов с диапазоном магнитной проницаемости 5–15000, используемых в различных радиотехнических устройствах на частотах 1 кГ–1 ГГц. Для Мn–Zn-ферритов область частот 3–5 МГц является граничной (марка 700НМ). Для больших частот необходимы Ni–Zn-ферриты. Магнито-мягкие РЧ-ферриты нашли в РЭА применение при работе в слабых полях, для которых справедлив эмпирический закон Рэлея = н (1 + аН), где н – начальная магнитная проницаемость; а – коэффициент амплитудной нестабильности в области линейного участка зависимости от Н; Н – напряженность магнитного поля.
В слабых полях возрастает линейно с Н. Для различных материалов интервал этих полей разнообразен: от единиц А/м для = 10 000 до тысяч А/м для = 10. Индукция, возбуждаемая в ферритах в этих полях, составляет 0,05–0,10 Тл. Соотношение индукции В, намагниченности J и магнитной проницаемости для ферритов с ОПГ показано на рис. 90.
В,J, |
Рис. 90. Кривая намагничивания |
Ферриты с ОПГ по сравнению с металлическими магнитными материалами в РЭА обладают рядом преимуществ:
– высокое удельное электрическое сопротивление снижает вихревые токи в магнитопроводах до ничтожно малых значений;
– кривая намагничивания и форма петли гистерезиса у металлических ферромагнетиков претерпевают значительные изменения при переходе от постоянных к ВЧ полям; у ферритов в некотором интервале частот они сохраняются;
– индукция, возбуждаемая синусоидальным полем, практически тоже синусоидальна и потери на гистерезис незначительны.
Главное требование к ферритам с ОПГ – достижение максимальной и минимальных потерь при наименьших напряженностях магнитных полей. Этим требованиям могут отвечать Мn–Zn и Ni–Zn-ферриты, имеющие одинаковую начальную . Однако первые обладают рядом преимуществ: у них меньше потери, лучше термостабильность, выше температура точки Кюри и др. В то же время Ni–Zn-ферриты обладают более высокой максимальной , для чего требуются меньшие значения полей; при частотах более 1 МГц они предпочтительнее.
Ферриты для РЧ выпускаются промышленностью в больших количествах. Они известны с начала века, применяются в РЭА с 40-х гг., но современное состояние теории ферримагнетизма и практика пока таковы, что не позволяют стабильно получать материалы с заданными характеристиками. Это объясняется тем, что данные ферриты, особенно Мn–Zn, сильно структурно-чувствительные материалы. Доминирующую роль в формировании структуры и электромагнитных параметров играют ионы Fе и Мn, обладающие явлением полиморфизма, которое усложняет технологию производства материалов. Не решены полностью вопросы оснащения технологии специальным оборудованием и аппаратурой.
Мn–Zn-ферриты подразделяются на две группы. К первой относятся ферриты системы Fе2O3–МnО–ZnО, не содержащие других оксидов и специальных добавок. Они предназначены для работы в диапазоне частот до нескольких сот килогерц в тех случаях, когда не предъявляются повышенные требования к температурной стабильности н и она не контролируется. Это ферриты 6000НМ, 4000НМ, 2500НМС, 2000НМ и др. В марке цифра указывает значение н; буквы означают: Н – низкая частота, М – феррит марганцевый, С – для сильных полей с добавкой NiO.
Во вторую группу объединены ферриты, которые имеют ту же химическую природу, но в их состав дополнительно вводят присадки СоО, ТiO2 и др. Такие ферриты имеют лучшую и контролируемую температурную стабильность и предназначены для использования в слабых и средних полях в диапазоне частот до 3 МГц (2000НМ1, 1500НМ2, 1500НМ3, 1000НМ3, 1100НМИ и др.). Цифра в конце марки указывает порядковый номер разновидности по электромагнитным параметрам: с увеличением номера термостабильность возрастает; буква И – для импульсных полей.
Из ферритов изготавливаются изделия очень разнообразных форм: К (кольцо), Б (броневой), Ч (чашка), П-, Ш-, О-, Н-, Е-, F-образных форм, пластины, стержни, магнитные головки, раструбы отклоняющих систем и другие с типоразмерами около 1000 наименований. В случае Б, Ш, Г, Е сердечники магнитопроводов состоят из двух деталей, иногда имеют зазор, повышающий термостабильность изделий.
Для получения максимальных значений магнитной проницаемости используют сердечники с замкнутой магнитной цепью. Ферритовые устройства (исключая ферритовые постоянные магниты) обычно состоят из ферритовых элементов и какой-либо проводниковой системы, канализирующей распространение электромагнитной энергии, например обмотки.
Для оценки электромагнитных параметров РЧ ферритов принято несколько показателей: начальная магнитная н; магнитные потери (измеряемые в полях 0,8 и 8 А/м) tg/н, магнитная индукция В; относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости н в интервале температур от –70 до +155°С; потери на гистерезисе; параметры петли гистерезиса; температура точки Кюри к.