DE102018125270B4 - Process for the production of a ceramic material with locally adjustable permeability gradient, its application in a coating process and its use - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials (3, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E) mit lokal einstellbarem Permeabilitätsgradienten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:- Erzeugen eines keramischen Materials mittels Erhitzens einer Ausgangsmaterialkomposition bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Ausgangsmaterialkomposition,- Abkühlen des erzeugten keramischen Materials auf Raumtemperatur nach einer definierten Abkühlrate zur Einstellung einer Vortex-Dichte in dem erzeugten keramischen Material, und- nachfolgende lokale Temperaturbehandlung zum Erhitzen des keramischen Materials über dessen ferroelektrische Ordnungstemperatur zum Einstellen des lokalen Permeabilitätsgradienten.A method for producing a ceramic material (3, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E) with a locally adjustable permeability gradient, the method comprising the following steps: producing a ceramic material by heating a starting material composition up to a temperature below the melting temperature of the starting material composition, - Cooling of the ceramic material produced to room temperature after a defined cooling rate to set a vortex density in the ceramic material produced, and - subsequent local temperature treatment to heat the ceramic material above its ferroelectric order temperature to adjust the local permeability gradient.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials mit lokal einstellbarem Permeabilitätsgradienten, dessen Anwendung in einem Beschichtungsverfahren sowie dessen Verwendung.The invention relates to a method for producing a ceramic material with a locally adjustable permeability gradient, its application in a coating process and its use.
Bisher kam den ferro- oder ferrimagnetischen Materialien aufgrund ihrer hohen Permeabilität eine besondere Bedeutung zum Leiten von Magnetfeldern und als magnetischer Isolator zu.
Soll ein Bereich wenige magnetische Feldlinien enthalten und Magnetfelder schlecht leiten, dann muss dieser Bereich eine kleinere Permeabilität als die angrenzenden Bereiche haben (mittlerer Bereich in
In den ferro- oder ferrimagnetischen Materialien treten Ummagnetisierungsverluste auf, wobei sich diese aus Wirbelstromverlusten und den Hystereseverlusten zusammensetzen. Wirbelstrom nennt man einen Strom, der in einem ausgedehnten elektrischen Leiter in einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld oder in einem bewegten Leiter in einem zeitlich konstanten, dafür räumlich inhomogenen Magnetfeld induziert wird. Dadurch wird bei hohen Frequenzen und großen Querschnitten der Strom aus der Mitte des Leiters verdrängt (Skin-Effekt). Der Skin-Effekt tritt vorwiegend bei hohen Signalfrequenzen in Erscheinung. Er bewirkt, dass nur noch das Äußere des Leiters zum Stromfluss beiträgt. Der Skin-Effekt beruht auf der Abschirmungswirkung elektrisch leitfähiger Materialien gegenüber elektromagnetischen Feldern. Der Skin-Effekt kann durch die Verwendung von Hochfrequenzlitzen weitgehend unterbunden werden. Bei einer HF-Litze wird ein Leiter durch die Parallelschaltung von gegeneinander elektrisch isolierten und miteinander verwobenen Einzelleitern ersetzt.In ferromagnetic or ferrimagnetic materials, magnetic reversal losses occur, these being composed of eddy current losses and hysteresis losses. Eddy current is the name given to a current that is induced in an extended electrical conductor in a magnetic field that changes over time or in a moving conductor in a temporally constant but spatially inhomogeneous magnetic field. As a result, the current is displaced from the center of the conductor at high frequencies and large cross-sections (skin effect). The skin effect mainly occurs at high signal frequencies. It ensures that only the outside of the conductor contributes to the flow of current. The skin effect is based on the shielding effect of electrically conductive materials against electromagnetic fields. The skin effect can largely be prevented by using high-frequency strands. In the case of an HF litz wire, one conductor is replaced by a parallel connection of individual conductors that are electrically isolated and interwoven.
Jeder Transformator brummt im Betrieb mehr oder weniger hörbar. Die Ursache dafür ist die Magnetostriktion. Bei der Magnetostriktion wird der Kern des Transformators in winzige Längenänderungen gezwungen. Die Magnetostriktion ist eine Materialeigenschaft und beträgt ΔV/V0 = -3,252·10-4 in keramischen Materialien mit geladenen Domänenwänden
Hystereseverluste entstehen durch die Arbeit, die aufgebracht werden muss, um beispielsweise einen Spulenkern eines Transformators im Rhythmus der Frequenz umzumagnetisieren. Die Verluste sind umso höher, je geringer der spezifische Widerstand des Transformatorkernes ist. Der spezifische Widerstand ist eine Materialeigenschaft und beträgt in keramischen Materialien mit geladenen Domänenwänden p = 73 bis 141 Ωm (spez. Widerstand einer RLC-Probe), p = 10 bis 100 Ωm in amorphem SA1 und p = 10 bis 100 Ωm in Fe-Si 0,3.Hysteresis losses are caused by the work that has to be done, for example, to remagnetize a coil core of a transformer in the rhythm of the frequency. The lower the specific resistance of the transformer core, the higher the losses. The specific resistance is a material property and in ceramic materials with charged domain walls is p = 73 to 141 Ωm (specific resistance of an RLC sample), p = 10 to 100 Ωm in amorphous SA1 and p = 10 to 100 Ωm in Fe-Si 0.3.
Die Verlustleistungen eines unter Volllast betriebenen Drehstromtransformators EI 800/800/400 für 500 kVA mit unterschiedlichen Kernmaterialien als magnetische Leiter (Betrieb unter Volllast) setzen sich aus den Kupferverlusten und aus den Eisenverlusten zusammen. Die Tabelle 1 zeigt die Verlustleistungen eines unter Volllast betriebenen Drehstromtransformators für 500 kVA mit unterschiedlichen Kernmaterialien.
Tab. 1:
Der Eisenverlust beim Ummagnetisieren beträgt
Der Verlustfaktor d (Tab. 2.9 in Magnetic Materials and their characterization, p. 25) beträgt
Die Wirbelstromverluste (Skin-Effekt) in ferro- oder ferrimagnetischen Materialien nehmen quadratisch mit der Frequenz und umgekehrt proportional zum spezifischen Widerstand des ferro- oder ferrimagnetischen Materials zu und werden oberhalb von etwa 10 kHz bedeutend. Da der induktive Blindwiderstand oberhalb der Resonanzfrequenz fo größer als der kapazitive Blindwiderstand ist, ist es von Vorteil, magnetische Wechselfelder oberhalb der Resonanzfrequenz f0 in dem keramischen Material mit geladenen Domänen zu leiten.The eddy current losses (skin effect) in ferromagnetic or ferrimagnetic materials increase as the square of the frequency and inversely proportional to the specific resistance of the ferromagnetic or ferrimagnetic material and become significant above about 10 kHz. Since the inductive reactance above the resonance frequency fo is greater than the capacitive reactance, it is advantageous to conduct alternating magnetic fields above the resonance frequency f 0 in the ceramic material with charged domains.
In metallisch leitenden ferro- oder ferrimagnetischen Materialien beträgt aufgrund des Skin-Effektes die Eindringtiefe magnetischer Wechselfelder bei 100 MHz nur wenige Mikrometer (1 ... 10 Ωm) und bei 50 Hz mehrere Mikrometer (70 ... 707 Ωm). Aufgrund des Skin-Effektes können ferro- und ferrimagnetische Materialien nicht im HF-Bereich eingesetzt werden. Der Skin-Effekt bestimmt die Dicke der Lamellen, in welche Spulenträger von Transformatoren typischerweise geformt werden.In metallic conductive ferromagnetic or ferrimagnetic materials, due to the skin effect, the penetration depth of alternating magnetic fields is only a few micrometers (1 ... 10 Ωm) at 100 MHz and several micrometers (70 ... 707 Ωm) at 50 Hz. Because of the skin effect, ferromagnetic and ferrimagnetic materials cannot be used in the HF range. The skin effect determines the thickness of the lamellas into which transformer coil carriers are typically formed.
Die Resonanzfrequenzen der keramischen Materialien mit geladenen Domänenwänden betragen fo = 64 MHz ... 107 MHz und liegen außerhalb des Hörbereiches (16 ... 20.000 Hz). Selbst wenn das keramische Material mechanisch mitschwingt, wird sich das nicht durch lästige Geräuschentwicklung (Brummen) bemerkbar machen. Da die keramischen Materialien mit geladenen Domänenwänden keine Magnetisierungs-Hysterese und einen spezifischen Widerstand vergleichbar zu amorphem SA1 und Fe-Si 0,3 aufweisen, sind Hystereseverluste in diesem Material vernachlässigbar.The resonance frequencies of the ceramic materials with charged domain walls are fo = 64 MHz ... 107 MHz and are outside the audible range (16 ... 20,000 Hz). Even if the ceramic material resonates mechanically, this will not be noticeable through annoying noise development (hum). Since the ceramic materials with charged domain walls have no magnetization hysteresis and a specific resistance comparable to amorphous SA1 and Fe-Si 0.3, hysteresis losses in this material are negligible.
Um die Auswirkungen des Skin-Effektes so klein wie möglich zu halten, werden in der Hochfrequenztechnik Leitungen mit möglichst großer Oberfläche eingesetzt, beispielsweise in Form dünnwandiger Schlauchrohre, Litzen oder Bänder. Die geringen Verluste von Hohlleitern beruhen teilweise darauf, dass ein großer Teil der Innenfläche am Stromfluss nicht maßgeblich beteiligt ist. Des Weiteren werden die Oberflächen von Hochfrequenz- oder Höchstfrequenzleitungen oft mit Edelmetallen wie Silber oder Gold beschichtet, um so den spezifischen Widerstand der Außenfläche des Drahtes zu verringern, die den mit Abstand größten Teil des Stromes leitet. Dabei wird vor allem bei Gold der Umstand ausgenutzt, dass dieses Metall an Luft nicht oxidiert, so dass die Oberfläche eine langzeitstabile Leitfähigkeit beibehält. Denn an sich besitzt Gold eine geringere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer, jedoch eine deutlich bessere als Kupferoxid. Auch wird darauf geachtet, dass die Leiteroberfläche sehr glatt ist, da raue Oberflächen für den Strom einen längeren Weg und damit größeren Widerstand darstellen. Besonders nachteilig sind auch ferromagnetische Leiterwerkstoffe, da sich bei diesen die Eindringtiefe stark verringert. Sie werden aus diesem Grund ebenfalls oft metallisch beschichtet.In order to keep the effects of the skin effect as small as possible, cables with the largest possible surface area are used in high-frequency technology, for example in the form of thin-walled hose pipes, strands or tapes. The low losses of waveguides are partly due to the fact that a large part of the inner surface is not significantly involved in the flow of current. Furthermore, the surfaces of high-frequency or ultra-high frequency cables are often coated with precious metals such as silver or gold in order to reduce the specific resistance of the outer surface of the wire, which conducts by far the largest part of the current. In the case of gold in particular, the fact that this metal does not oxidize in air is used, so that the surface retains a long-term stable conductivity. Because gold itself has a lower electrical conductivity than copper, but a significantly better one than copper oxide. Care is also taken to ensure that the conductor surface is very smooth, since rough surfaces represent a longer path for the current and therefore greater resistance. Ferromagnetic conductor materials are also particularly disadvantageous since the penetration depth is greatly reduced in these. For this reason, they are also often coated with metal.
Wirtschaftlich größte Bedeutung haben Eisenlegierungen und ferromagnetische Stähle. Für Transformatoren (Betriebsfrequenz 50 Hz oder 60 Hz) verwendet man überwiegend sogenanntes Dynamoblech nach
Die bisher bekannten und verwendeten Materialien reichen nicht aus, um die zuvor beschriebenen Nachteile auszuräumen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Material zur Verfügung zu stellen, mit dem diese Nachteile deutlich verringert werden können und welches zum Leiten und Isolieren von Magnetfeldern geeignet ist sowie in magnetischen Kopplungselementen verwendet werden kann.The materials known and used up to now are not sufficient to eliminate the disadvantages described above. It is therefore an object of the present invention to provide a material with which these disadvantages can be significantly reduced and which is suitable for conducting and isolating magnetic fields and can be used in magnetic coupling elements.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials mit lokal einstellbarem Permeabilitätsgradienten gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Erzeugen eines keramischen Materials mittels Erhitzens einer Ausgangsmaterialkomposition bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Ausgangsmaterialkomposition,
- - Abkühlen des erzeugten keramischen Materials auf Raumtemperatur nach einer definierten Abkühlrate zur Einstellung einer Vortex-Dichte in dem erzeugten keramischen Material, und
- - nachfolgende lokale Temperaturbehandlung zum Erhitzen des keramischen Materials über dessen ferroelektrische Ordnungstemperatur und zum Einstellen des lokalen Permeabilitätsgradienten.
- - Generating a ceramic material by heating a starting material composition to a temperature below the melting temperature of the starting material composition,
- Cooling the ceramic material produced to room temperature after a defined cooling rate to set a vortex density in the ceramic material produced, and
- - Subsequent local temperature treatment for heating the ceramic material above its ferroelectric order temperature and for setting the local permeability gradient.
Der Vorteil von keramischen Materialien mit geladenen Domänenwänden ist, dass diese in Abhängigkeit von der chemischen Komposition, beispielsweise Y1.00Mn1.00O3, Y0.95Mn1.05O3, Y1.00Mn0.99O3 + 1at.%Ti und Y0.94Mn1.05O3 + 1at.%Ti in Tabelle zu
Darüber hinaus wird der Skin-Effekt in keramischen Materialien mit Domänenwänden reduziert und die Eindringtiefe der magnetischen Wechselfelder nähert sich bei hohen Frequenzen asymptotisch dem Wert
Die Ausgangsmaterialkomposition zur Herstellung des keramischen Materials kann beispielsweise ein Oxidpulver sein, oder ein Metallpulver mit anschließender Oxidation. Das abgewogene Oxid wird zunächst gemahlen und anschließend getrocknet. Ein Vorsinterprozess dient dazu, das Pulver in eine bestimmte Phase bzw. auf eine bestimmte Korngröße zu bringen. In einem weiteren Mahlprozess wird das teilweise geklumpte Oxidgemisch zu einem feinkörnigen Pulver trocken vermahlen. Anschließend wird das Pulver endgetrocknet und in einer Pressform zusammengepresst und anschließend gesintert.The starting material composition for producing the ceramic material can be, for example, an oxide powder or a metal powder with subsequent oxidation. The weighed oxide is first ground and then dried. A pre-sintering process is used to bring the powder into a certain phase or to a certain grain size. In a further grinding process, the partially clumped oxide mixture is dry-ground to a fine-grain powder. The powder is then finally dried and pressed together in a press mold and then sintered.
Damit ist das keramische Material fertig erzeugt.The ceramic material is now completely produced.
Das Abkühlen der Ausgangsmaterialkomposition auf Raumtemperatur nach einer definierten Abkühlrate dient zur Einstellung einer Vortex-Dichte in dem erzeugten keramischen Material. Das keramische Material besitzt die Eigenschaft beim Durchlaufen eines Heiz- und/oder Abkühlungsprozesses Vortex-Zustände auszubilden. Ein Vortex-Zustand kann als ein Schnittpunkt zwischen geladenen Domänenwänden innerhalb eines Materials verstanden werden. In den keramischen Materialien mit geladenen Domänenwänden bilden sich Vortex-Zustände im Zentrum von sechs verschiedenen ferroelektrischen Domänenwänden (DW), zwei geladene DW (head-to-head), zwei geladene DW (tail-to-tail) und zwei neutrale DW (head-to-tail) aus. Ein Vortex-Zustand ist topologisch geschützt, d.h. er lässt sich nicht durch kontinuierliche Transformation in den Grundzustand überführen. Die ferroelektrische Ordnungstemperatur Tc der hexagonalen Seltene-Erd-Manganate RMnO hängt von dem Seltene-Erd-Element in RMnO ab. Oberhalb einer Temperatur von Tc bildet sich keine ferroelektrische Ordnung mit ferroelektrischen Domänenwänden und geladenen Vortex-Zuständen aus. Beispielsweise beträgt die ferroelektrische Ordnungstemperatur für HoMnO3 Tc = 875 K, für LuMnO3 Tc = 573 K und für YMnO3 Tc = 930 K. Beim Erhitzen des keramischen Materials über die ferroelektrische Ordnungstemperatur hinaus ist die ferroelektrische Ordnung nicht ausgeprägt. Die Vortex-Dichte beim nachfolgenden Abkühlen des keramischen Materials hängt von der Abkühlrate zum Zeitpunkt des Abkühlvorganges ab, bei dem die Abkühltemperatur gleich der ferroelektrischen Ordnungstemperatur ist. Unterhalb der ferroelektrischen Ordnungstemperatur hängt die Dichte der Vortices von der Abkühlrate ab. Die Vortex-Dichte hängt somit von der Abkühlrate beim Durchlaufen der ferroelektrischen Ordnungstemperatur ab.The cooling of the starting material composition to room temperature after a defined cooling rate is used to set a vortex density in the ceramic material produced. The ceramic material has the property of developing vortex states when it passes through a heating and / or cooling process. A vortex state can be understood as an intersection between charged domain walls within a material. In the ceramic materials with charged domain walls, vortex states are formed in the center of six different ferroelectric domain walls (DW), two charged DW (head-to-head), two charged DW (tail-to-tail) and two neutral DW (head -to-tail). A vortex state is topologically protected, ie it cannot be transferred to the ground state through continuous transformation. The ferroelectric order temperature T c of the hexagonal rare earth manganate RMnO depends on the rare earth element in RMnO. Above a temperature of T c , no ferroelectric order with ferroelectric domain walls and charged vortex states is formed. For example, the ferroelectric ordering temperature for HoMnO 3 T c = 875 K, for LuMnO 3 T c = 573 K and for YMnO 3 T c = 930 K. When the ceramic material is heated above the ferroelectric ordering temperature, the ferroelectric ordering is not pronounced. The vortex density during the subsequent cooling of the ceramic material depends on the cooling rate at the time of the cooling process, in which the cooling temperature is equal to the ferroelectric order temperature. Below the ferroelectric order temperature, the density of the vortices depends on the cooling rate. The vortex density thus depends on the cooling rate when passing through the ferroelectric order temperature.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die lokale Temperaturbehandlung mittels einer Kurzzeit-Wärmebehandlung - RTA - rapid temperature annealing im ms-Bereich oder mittels eines Kurzzeittemperns mit Blitzlampen - FLA - flash light annealing im ps bis ms-Bereich oder mittels gepulster Laserstrahlung - PLA - pulsed laser annealing im ns bis ps-Bereich (
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass das keramische Material als ein Volumenmaterial hergestellt werden kann. Durch das Pressen der pulverförmigen Ausgangsmaterialkomposition, das Einstellen einer Vortex-Dichte gemäß einer definierten Abkühlrate in dem erzeugten keramischen Material, und die lokale Temperaturbehandlung des keramischen Materials über dessen ferroelektrische Ordnungstemperatur zum Einstellen des lokalen Permeabilitätsgradienten kann in sehr einfacher Weise ein Volumenmaterial mit einem lokal einstellbaren Permeabilitätsgradienten hergestellt werden. Unter einem Volumenmaterial wird dabei das keramische Material in seiner räumlichen Ausdehnung in x-, y-, und z-Richtung verstanden.Another advantageous embodiment of the method according to the invention is that the ceramic material can be produced as a volume material. By pressing the powdery starting material composition, setting a vortex density according to a defined cooling rate in the ceramic material produced, and the local temperature treatment of the ceramic material above its ferroelectric order temperature to set the local permeability gradient, a volume material with a locally adjustable Permeability gradients are established. A volume material is understood to mean the ceramic material in its spatial extent in the x, y and z directions.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls durch ein Verfahren zur globalen Beschichtung einer Oberfläche mit einem keramischen Material gelöst, wobei das keramische Material zunächst wie bereits beschrieben wurde erzeugt wird. Des Weiteren wird das keramische Material auf der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden, wobei das keramische Material nach der Abscheidung auf Raumtemperatur nach einer definierten Abkühlrate zur Einstellung einer Vortex-Dichte in dem keramischen Material abgekühlt wird. Anschließend erfolgt eine lokale Temperaturbehandlung zum Erhitzen des keramischen Materials über dessen ferroelektrische Ordnungstemperatur, so dass sich ein endgültiger lokaler Permeabilitätsgradient in der Beschichtung auf der Oberfläche einstellt. Die Beschichtung sollte dabei eine Dicke kleiner als die Skin-Dicke aufweisen.The object of the present invention is also achieved by a method for the global coating of a surface with a ceramic material, the ceramic material initially being produced as already described. Furthermore, the ceramic material is deposited on the surface to be coated, the ceramic material being cooled to room temperature after the deposition according to a defined cooling rate to set a vortex density in the ceramic material. This is followed by a local temperature treatment to heat the ceramic material above its ferroelectric order temperature, so that a final local permeability gradient is established in the coating on the surface. The coating should have a thickness less than the skin thickness.
Unter einer Oberfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung wird jede Oberfläche verstanden, die für eine Beschichtung mit dem keramischen Material geeignet ist. Das kann beispielsweise die Oberfläche eines beliebig geformten Objektes oder Körpers sein oder eine planare Oberfläche oder eine Folie oder ein beliebiges Substrat. Diese Aufzählung ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Die globale Beschichtung beschreibt demnach eine Beschichtung einer Oberfläche in ihrer Gesamtheit und ist nicht räumlich begrenzt zu verstehen. Gegenfalls ist vor der Beschichtung der Oberfläche die Oberfläche mit einem Haftvermittler zu versehen, damit sich das keramische Material zuverlässig mit der Oberfläche verbindet.A surface in the context of the present invention is understood to mean any surface that is suitable for coating with the ceramic material. This can be, for example, the surface of an object or body of any shape or a planar surface or a film or any substrate. This list is in no way to be understood as restrictive. The global coating therefore describes a coating of a surface in its entirety and is not to be understood as being spatially limited. If necessary, the surface must be provided with an adhesion promoter before the surface is coated so that the ceramic material bonds reliably to the surface.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird das keramische Material mittels gepulster Laserplasmaabscheidung aus einem keramischen Target, welches das keramische Material aufweist, auf der Oberfläche abgeschieden. Beispielsweise kann das keramische Material mit geladenen Domänenwänden aus einem keramischen Target mittels gepulster Laserplasmaabscheidung auf einem planaren Trägermaterial in Dünnschichtform deponiert werden.In a preferred embodiment of the coating method according to the invention, the ceramic material is deposited on the surface by means of pulsed laser plasma deposition from a ceramic target which has the ceramic material. For example, the ceramic material with charged domain walls from a ceramic target can be deposited on a planar carrier material in thin-layer form by means of pulsed laser plasma deposition.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Verfahren zur Herstellung des keramischen Materials mit lokal einstellbarem Permeabilitätsgradienten zum Herstellen eines Ferritkerns in einem Transformator verwendet wird.It is particularly advantageous if the method for producing the ceramic material with a locally adjustable permeability gradient is used for producing a ferrite core in a transformer.
Auch vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials mit lokal einstellbarem Permeabilitätsgradienten mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren zum Beschichten mit einem Beschichtungsmaterial für elektrische Leiter und / oder Drähte verwendet wird.It is also advantageous if the method for producing a ceramic material with a locally adjustable permeability gradient is used with the coating method according to the invention for coating with a coating material for electrical conductors and / or wires.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zur Herstellung des keramischen Materials mit lokal einstellbarem Permeabilitätsgradienten zur Herstellung von elektrischen Leitern verwendet wird.It is also advantageous if the method for producing the ceramic material with a locally adjustable permeability gradient is used for producing electrical conductors.
Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail below using exemplary embodiments.
Die Zeichnungen zeigen
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1 Schematische Darstellung a) einer ferro- oder ferrimagnetischen Schicht der Dicke d und b) eines keramischen Materials mit geladenen Domänenwänden der Dicke d auf einem Substrat; -
2 Erfindungsgemäß hergestelltes keramisches Material mit geladenen Domänenwänden a) mit einer geringen Dichte der geladenen Domänenwände; b) mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände; -
3 Erfindungsgemäß hergestelltes keramisches Material mit geladenen Domänenwänden a) mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände im Zentrum auf dem Substrat und b) mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände in den Randbereichen auf dem Substrat; -
4 Erfindungsgemäß hergestelltes keramisches Material mit geladenen Domänenwänden a) mit einer geringen Dichte der geladenen Domänenwände und der Dicke d auf einem keramischen Material mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände sowie b) mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände und der Dicke d auf einem keramischen Material mit einer geringen Dichte der geladenen Domänenwände; -
5 Erfindungsgemäß hergestelltes keramisches Material der Dicke d a) mit geladenen Domänenwänden mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände und mit geladenen Domänenwänden mit einer besonders hohen Dichte der geladenen Domänenwände in der Mitte auf einem keramischen Material mit einer geringen Dichte der geladenen Domänenwände sowie b) mit geladenen Domänenwänden mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände und mit geladenen Domänenwänden mit einer besonders hohen Dichte der geladenen Domänenwände am Rand auf einem keramischen Material mit einer geringen Dichte der geladenen Domänenwände; -
6 Verwendung zur Beschichtung von Kabeln als a) ein Schichtsystem aus keramischen Materialien i der Dicke di und der Permeabilität µi sowie b) als ein Schichtsystem aus keramischen Materialien i der Dicke di und der Permeabilität µi und aus dielektrischen Materialien j der Dicke dj und der Permittivität εj; -
7 a) Verwendung zur Herstellung eines Transformatorkerns aus einer b) spiralförmigen Aufwicklung eines Bandes bestehend aus keramischen Materialien i der Dicke di und der Permeabilität µi, welche c) unterschiedliche Werte auf dem Band annimmt, und d) welche auf einer Isolatorschicht (7 ) aufgebracht sind; sowie e) Verwendung zur Herstellung eines Transformatorkerns aus einer radialsymmetrische Beschichtung mit keramischen Materialien i der Dicke di und der Permeabilität µi und mit dielektrischen Materialien j der Dicke dj und der Permittivität εj.
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1 Schematic representation of a) a ferromagnetic or ferrimagnetic layer of thickness d and b) of a ceramic material with charged domain walls of thickness d on a substrate; -
2 Ceramic material produced according to the invention with charged domain walls a) with a low density of charged domain walls; b) with a high density of charged domain walls; -
3 Ceramic material produced according to the invention with charged domain walls a) with a high density of the charged domain walls in the center on the substrate and b) with a high density of the charged domain walls in the edge regions on the substrate; -
4th Ceramic material produced according to the invention with charged domain walls a) with a low density of the charged domain walls and the thickness d on a ceramic material with a high density of the charged domain walls and b) with a high density of the charged domain walls and the thickness d on a ceramic material with a low density of charged domain walls; -
5 Ceramic material produced according to the invention with a thickness da) with charged domain walls with a high density of charged domain walls and with charged domain walls with a particularly high density of charged domain walls in the middle on a ceramic material with a low density of charged domain walls and b) with charged domain walls with a high density of the charged domain walls and with charged domain walls with a particularly high density of the charged domain walls at the edge on a ceramic material with a low density of the charged domain walls; -
6 Use for coating cables as a) a layer system of ceramic materials i of thickness di and permeability µ i and b) as a layer system of ceramic materials i of thickness di and permeability µ i and of dielectric materials j of thickness d j and the permittivity ε j ; -
7 a) Use for the production of a transformer core from a b) spiral winding of a tape consisting of ceramic materials i of thickness di and permeability µ i , which c) assumes different values on the tape, and d) which is on an insulator layer (7th ) are applied; as well as e) use for the production of a transformer core from a radially symmetrical coating with ceramic materials i of thickness di and permeability µ i and with dielectric materials j of thickness d j and permittivity ε j .
Das keramische Material mit geladenen Domänenwänden kann beispielsweise aus einem keramischen Target mittels gepulster Laserplasmaabscheidung auf einem planaren Trägermaterial in Dünnschichtform deponiert werden. Der Herstellungsprozess von z.B. keramischen Manganat-Dünnfilmen mit geladenen Domänenwänden umfasst folgende Prozessschritte: Zunächst wird ein keramisches Target z.B. aus Yttrium-Oxid, Mangan-Oxid und Titan-Oxid mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen (Y1Mn1O3, Y0.95Mn1.05O3, Y1Mn0.99Ti0.01O3, Y0.94Mn1.05Ti0.01O3) erzeugt. Dafür werden die Oxide abgewogen. Anschließend erfolgt das Mahlen der abgewogenen Oxide, z.B. in einem Mahlbecher mittels Achatkugeln mit Durchmessern von 10 mm und 5 mm in einer Mühle bei 450 Umdrehungen/min, 8h im trockenen Zustand
In einem nachfolgenden lokalen Temperaturbehandlungsschritt wird das keramische Material über dessen ferroelektrische Ordnungstemperatur erhitzt, wobei dieser Schritt zum Einstellen des lokalen Permeabilitätsgradienten notwendig ist. Dieser Schritt erfolgt außerhalb der Kammer zur gepulsten Laserplasmaabscheidung. Ob die Kurzzeit-Temperaturbehandlung mittels Rapid Thermal Annealing (RTA), Flash Lamp Annealing (FLA) oder Pulsed Laser Annealing (PLA) erfolgt, hängt von der Dicke d des keramischen Materials ab, in der die Temperatur während der thermischen Behandlung größer als die ferroelektrische Ordnungstemperatur Tc sein soll und davon, wie lange die Temperatur während der thermischen Behandlung größer als die ferroelektrische Ordnungstemperatur sein soll.In a subsequent local temperature treatment step, the ceramic material is heated above its ferroelectric order temperature, this step being necessary for setting the local permeability gradient. This step takes place outside the chamber for pulsed laser plasma deposition. Whether the short-term temperature treatment is carried out by means of rapid thermal annealing (RTA), flash lamp annealing (FLA) or pulsed laser annealing (PLA) depends on the thickness d of the ceramic material, in which the temperature during the thermal treatment is greater than the ferroelectric Order temperature T c should be and how long the temperature should be greater than the ferroelectric order temperature during the thermal treatment.
In
In
In
Die
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- ferro- oder ferrimagnetische Schichtferromagnetic or ferrimagnetic layer
- 22
- SubstratSubstrate
- 33
- keramische Schicht mit geladenen Domänenwändenceramic layer with charged domain walls
- 3A3A
- keramisches Material mit geladenen Domänenwänden geringer Dichteceramic material with low density charged domain walls
- 3B3B
- keramisches Material mit geladenen Domänenwänden hoher Dichteceramic material with charged domain walls of high density
- 3C3C
- keramisches Material mit geladenen Domänenwänden besonders hoher Dichteceramic material with charged domain walls of particularly high density
- 3D3D
- keramisches Material mit geladenen Domänenwänden solch geringer Dichte, dass in der RC-Modellierung der an dem keramischen Material mit Vorderseiten-Elektrode und mit Rückseiten-Elektrode gemessenen Impedanz der kapazitive Anteil C und der Widerstandsanteil R dominiertCeramic material with charged domain walls of such a low density that in the RC modeling the impedance measured on the ceramic material with the front-side electrode and with the rear-side electrode is dominated by the capacitive component C and the resistance component R
- 3E3E
- keramisches Material mit geladenen Domänenwänden solch hoher Dichte, dass in der RLC-Modellierung der an dem keramischen Material mit Vorderseiten-Elektrode und mit Rückseiten-Elektrode gemessenen Impedanz der kapazitive Anteil C, der Widerstandsanteil R und der induktive Anteil L dominiertCeramic material with charged domain walls of such a high density that in the RLC modeling the impedance measured on the ceramic material with the front side electrode and with the back side electrode is dominated by the capacitive component C, the resistance component R and the inductive component L.
- 44th
- geladene Domänenwändeloaded domain walls
- 66th
- Kabelelectric wire
- 77th
- keramische Dünnschicht i der Dicke di und der magnetischen Permeabilität µi mit geladenen Domänenwändenceramic thin film i of thickness di and magnetic permeability µ i with charged domain walls
- 88th
- Isolatorschicht j der Dicke dj und der elektrischen Permittivität εi Insulator layer j of thickness d j and electrical permittivity ε i
- 99
- TransformatorkernTransformer core
- 9A9A
- Transformatorkern bestehend aus einer spiralförmig aufgewickelten keramischen DünnschichtTransformer core consisting of a spiral wound ceramic thin layer
- 9B9B
- Transformatorkern bestehend aus ringförmig abwechselnd angeordneten keramischen Dünnschichten i auf Isolatorschichten jTransformer core consisting of ceramic thin layers arranged alternately in a ring i on insulator layers j
- 1010
-
Primärkreis des Transformators mit N1 Windungen und Primärstrom
I1 Primary circuit of the transformer with N1 turns and primary currentI1 - 1111
-
Sekundärkreis des Transformators mit N2 Windungen und Sekundärstrom
12 Secondary circuit of the transformer with N2 turns and secondary current12 - 1212
-
Lastwiderstand
R2 im Sekundärkreis des TransformatorsLoad resistanceR2 in the secondary circuit of the transformer - 1313
- Transformatortransformer
- 1414th
- Rückseiten-ElektrodeRear electrode
- 1515th
- Vorderseiten-ElektrodeFront electrode
Claims (9)
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-
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CHATTERJI, Tapan [u.a.]: Magnetoelastic effects in multiferroic YMnO3. In: Journal of Physics: Condensed Matter, Vol. 24, 2012, No. 33, Artikelnummer: 336003, S. 1-6. - ISSN 0953-8984 (P); 1361-648X (E). DOI: 10.1088/0953-8984/24/33/336003. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/24/33/336003/pdf [abgerufen am 2019-01-31] * |
SKORUPA, Wolfgang ; SCHMIDT, Heidemarie (Hrsg.): Subsecond annealing of advanced materials : Annealing by lasers, flash lamps and swift heavy ions. Cham : Springer International Publishing, 2014 (Springer Series in Materials Science ; 192). Deckblatt u. Inhaltsverzeichnis. - ISBN 978-3-319-03130-9. DOI: 10.1007/978-3-319-03131-6 * |
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