DE2520808B2 - Ferrimagnetisches Material mit Granatstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein ferrimagnetisches Material, das sich insbesondere zur Verwendung im unteren Bereich der Höchstfrequenzen von einigen hundert bis zu einigen tausend Megahertz eignet Genauer ausgedrückt eignet sich dieses Material sehr gut in Vorrichtungen, für welche hohe Werte sowohl für die mittlere als auch für die Spitzenleistung verlangt werden.

Für diese Anwendungen sind die folgenden Eigenschaften erforderlich:

Ein magnetisches Sättigungsmoment 4 π Ms mit einem Wert zwischen 300 und 900 GauB, das insbesondere von der Betriebsfrequenz abhängt;
eine sehr große Stabilität der Eigenschaften und insbesondere des magnetischen Moments, in Abhängigkeit von der Temperatur, was ein gutes Verhalten der Vorrichtung bei mittlerer Leistung ermöglichen soll;

eine geringe Breite der gyromagnetischen Resonanzlinie AHm dem betrachteten Bereich, was die Erzielung einer ziemlich ausgedehnten Bandbreite der Betriebsfrequenzen ermöglicht;
geringe dielektrische Verluste bei der Betriebsfrequenz, was die Erzielung sehr geringer Ankopplungs- oder Einfügungsverluste dielektrischen Ursprungs ermöglicht;

ein gutes Verhalten bei der Spitzenleistung, was einem verhältnismäßig hohen kritischen Feld des Auftretens von Nicht-Unearitätscrscheinungen entspricht und normalerweise zu einer verhältnismäßig großen Linienbreite von Spinwellen AHk führt

Man kennt bereits Granate für Hyperfrequenzen mit temperaturstabilen magnetischen Momenten, z.B. die

ίο gemischten Yttrium- und Gadoliniumgranate. Diese Stabilität ist auf die Existenz eines durch die Gd³+-Ionen bedingten ferrimagnetischen Kompensationspunkts an den dodekaedrischen Gitterstellen zurückzuführen. Gleichzeitig wird dabei jedoch die Breite der gyromagnetischen Resonanzlinie AH vergrößert, was einen ungünstigen Effekt darstellt

Man kennt auch »aluminiumsubstituierte« Yttriumgranate (ein Teil ties Eisens wird substituiert) und galliumsubstituierte Granate, die sowohl verhältnismäßig niedrige magnetische Momente als auch geringe Linienbreiten AHaufweisen. Durch diese Substitutionen mit Aluminium oder Gallium wird jedoch ihre Stabilität ziemlich stark beeinträchtigt
Schließlich kennt man indium- oder zinnsubstituierte Yttriumgranate mit sehr engen Linienbreiten AH. Leider ist deren magnetisches Moment zu hoch und ihre Temperaturbeständigkeit ist schlecht

Keines dieser Materialien bietet die Gesamtheit der erforderlichen Eigenschaften.

- 30 Die Erfindung ermöglicht nun die Verwirklichung eines ausgezeichneten Kompromisses zwischen den wünschenswerten Werten von AH, AHk und des Temperaturkoeffizienten α des magnetischen Sättigungsmoments für Magnetisierungswerte zwischen etwa 300 und 900 Gauß. Die erhaltenen Materialien besitzen sowohl relativ geringe Breiten der gyromagnetischen Resonanzlinien als auch große Breiten der Spinwellenlinie sowie niedrige Temperaturkoeffizienten innerhalb eines weiten Temperaturbereichs. Außerdem sind die Verluste dielektrischen Ursprungs praktisch zu vernachlässigen.

Das erfindungsgemäße Material ist ferrimagnetisch und polykristallin mit Granatstruktur; seine chemische Zusammensetzung entspricht der allgemeinen Formel:

45 Υ3-3Λ Gd₃, Fe₅__5j,_₂ Al₅,, In₁ O₁₂

wobei:

0,45 <x < 0,65

0 < y < 0,18
0,2 < ζ < 0,6

Das Material kann auf folgende Weise erhalten werden:

Man wählt hochreine Ausgangsstofie, und zwar Oxide von Eisen, Aluminium, Indium, Yttrium und Gadolinium. Für diese beiden letzteren beträgt der Reinheitsgrad mehr als 99,95%. Diese Ausgangsstoffe

werden in den der Formel:

Y3-3* Gd_3xFe₅__5j,_₂_₅, Al₅, In₂ O₁₂

entsprechenden Anteilen abgewogen und gemischt, _b5 wobei man in der Formel bei der Wahl von ε dem durch die Herstellungsweise eingebrachten Eisen Rechnung trägt Im Falle der nachstehend erläuterten Methode, bei welcher aufeinanderfolgende Mahlungen in Stahlku-

geln enthaltenden Stahlflaschen durchgeführt werden, wird ε = 0,035 gewählt

Außerdem trägt man bei der Dosierung der Ausgangsstoffe den Brennverlusten der verschiedenen Oxide Rechnung, wie dies in der Technologie der Ferrite dem Fachmann bekannt ist

Die so abgemessenen Ausgangsstoffe werden 24 Stunden in wäßrigem Milieu während einer ersten Mahlung innig gemischt Die so gemischten Oxide stellen einen Brei dar, der getrocknet gesiebt, und dann unter eher oxidierenden Atmosphäre einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200⁰C während einer halben bis zu 2 Stunden unterworfen wird: Es ist dies die sogenannte »Schamottierung«.

Die so erhaltene »Schamotte« wird erneut etwa 48 Stunden in wäßrigem Milieu gemahlen. Das nach dem Trocknen erhaltene Pulver wird gesiebt und dann mit einem organischen Bindemittel, z.B. einer 10%igen wäßrigen Polyvinylalkohollösung, gemischt Die so erhaltene pastenförmige Masse wird unter Erzielung eines Granulats gesiebt, das sich zum Pressen in Formen zur Erzielung der gewünschten Form eignet Diese Formgebung erfolgt unter einem Druck von etwa 1 t/cm². Die erhaltenen Stücke werden getrocknet und dann nach Austreibung des Bindemittels in einem Ofen bei einer Sintertemperatur zwischen 1400 und 1500⁰C unter einer oxidierenden Atmosphäre mindestens 2 Stunden behandelt

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele in Verbindung mit der Zeichnung besser verständlich.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 Kurven der Änderung des magnetischen Moments des erfindungsgemäßen Materials als Funktion von y für verschiedene Werte von χ und ζ bei Umgebungstemperatur,

Fig.2 Kurven der Änderung des magnetischen Moments des erfindungsgemäßen Materials als Funktion der Temperatur für verschiedene Werte der Parameter^·,*·, z,

Fig.3 und 4 Kurven des Temperaturkoeffizienten des magnetischen Moments als Funktion der verschiedenen Parameter und im Zusammenhang mit den Kurven von F i g. 2,

F i g. 5 und 6 Kurven der Änderung der Linienbreiten Δ H und Δ Hk als Funktion der verschiedenen Parameter für erfindungsgemäße Materialien.

F i g. 1 erläutert die jeweilige Rolle der verschiedenen Parameter für die Wahl des magnetischen Moments 4 π Mg, ausgedrückt in Gauß, wenn man eine konstante Temperatur von beispielsweise 20° C annimmt

Wenn man die Parameter Arund ζ unverändert läßt, so verlaufen die Punkte des magnetischen Moments etwa geradlinig, wenn y innerhalb der vorstehend angegebenen Grenzen (0 bis 0,18) variiert, wobei die äußersten Werte der Sättigungsmagnetisierung von einem verhältnismäßig hohen Wert von etwa 800 bis 900 Gauß bis zu einem kleineren Wert von etwa 200 bis etwa 300 Gauß gehen.

Variiert man χ und z, so erhält man eine etwa parallele Reihe von Geraden. Die in ausgezogenen Strichen dargestellten Teile verbinden tatsächlichen Messungen entsprechende Punkte, während die in gestrichelten Linien dargestellten Teile der Kurven die ersteren durch Extrapolation verlängern. Man stellt fest daß für einen gegebenen Wert von y zunehmende Werte der Magnetisierung für die folgende Abstufung der Werte der Parameter ζ und * auftreten:

Bezugszeichen der
zugehörigen Geraden

Werte der Parameter

Π
12
13
14
15
16
17

0,2

QA

0,3

QA

0,4

06 0,5 0,6 06 0,5 O₁O 0,5

Man stellt fest daß in der vorstehenden Tabelle die χ = 0,5 entsprechenden Geraden in der Reihenfolge der zunehmenden Magnetisierungen nach den χ = 0,6 entsprechenden Geraden liegen (Werte von ζ und χ unterstrichen).

F i g. 2 ist ein Beispiel einer Kurvengruppe, welche die Änderung des magnetischen ^foments 4n Ms, ausgedrückt in Gauß, als Funktion der Temperatur in einem Bereich von -200"C bis +200⁰C zeigt In dem gewählten Beispiel hat man sich auf zwei bestimmte Werte von χ und ζ beschränkt:

0,6
0,4

füryhat man vier Werte gewählt:

Kurve 21 :y = 0,06
Kurve 22: y= 0,08
Kurve 23:y = 0,10
Kurve 24:/=0,12

Alle Kurven der Gruppe besitzen ein analoges Merkmal mit den in Fig.2 dargestellten Kurven, nämlich:

Einen fast geradlinigen absteigenden Ast zwischen einer Temperatur von -200° Q wo der magnetische Moment etwa 800 bis 1000 Gauß beträgt und Temperaturen von etwa -150 bis -120" C, wo der Moment nach Null tendiert;
einen pseudo-parabolischen Ast mit einer gewissen Symmetrie in bezug auf die 0⁰C entsprechende Abszissengerade mit einem stark abgeflachten Gipfel bei einer Ordinate von etwa 500 bis 8Ö0 Gauß für 0⁰C.

Wie man sieht, kann man somit über einen mehr oder so weniger weiten Temperaturbereich über Proben aus erfindungsgemäßem Material mit einer bestimmten Temperaturstabilität verfügen.

Zur Auswertung dieser Stabilität hat man einen mittleren Änderungskoeffizient der Magnetisierung zwischen zwei Temperaturen »a« und »fx< entsprechend der folgenden Formel definiert:

Ά =

1 'max 'min

b-a

darin sind I_mlx und /_m,„ die jeweiligen Maximal- und Minimalwerte von 4 π Afc im Intervall »a«, »/x< und Ia ist der Wert von 4 π M_s bei 20° C.

Fig.3 zeigt α+Jg, entsprechend einer Wahl der folgenden Temperaturgrenzen:

= -40⁰C
= +85⁰C

Der Wert des Parameters y ist auf der Abszisse aufgetragen und es wurden verschiedene Kurven aufgezeichnet:

für χ « 0,5 die Kurven 31,33 und 35, entsprechend zunehmenden Werten von z(0,2; 0,3; 0,4); für χ = 0,6 die Kurven 32, 34, 36 und 37 für zunehmende Werte von z(0,3; 0,4; 0,5; 0,6).

Man stellt fest, daß man ein Material herstellen kann, dessen sogenannter »Temperatur«-Koeffizient zwisehen -40° C und +85° C unter einem Tausendstel liegt bei einem magnetischen Moment von über 500 Gauß. Wenn man sich mit einem Koeffizient von 3 Tausendstel begnügt, kann man ein magnetisches Moment unter 500 Gauß erhalten.

In Fig.4 ist «⁺¹⁰J entsprechend der Wahl der folgenden Temperaturgrenzen dargestellt:

■■ 0⁰G
= +100°C

20

Der Wert von y ist auf der Abszisse aufgetragen und verschiedene Kurven wurden aufgezeichnet:

für χ = 0,5 die Kurven 41,43 und 45 entsprechend zunehmenden Werten von z(0,2; 0,3; 0,4); für χ — 0,6 die Kurven 42,44 und 46 entsprechend ebenfalls zunehmenden Werten von z(0,3; 0,4; 0,5).

Man stellt fest, daß man einen Temperaturkoeffizient von unter 2 Tausendstel für Materialien mit einem magnetischen Moment von über 500 Gauß und mit einem Temperaturkoeffizient von unter 5 Tausendstel für ein Material mit einem magnetischen Moment Unter 500 Gauß erhalten kann.

Außer der Temperaturstabilität besitzen die verschie denen Proben, selbst wenn, sie sehr verschiedener Werten der Parameter in den vorstehend angegebener Bereichen entsprechen, sehr geringe magnetische und dielektrische Verluste. Insbesondere ist der Tangens des dielektrischen Verlustwinkels kleiner als 10 Tausendstel.

Die Fig.5 und 6 vervollständigen die Angaben bezüglich des erfindungsgemäßen Materials:

1) Die Kurven 51,53,54 und 55, entsprechend χ = 0,6 (für zunehmende Werte von z) und die Kurven 52, 56 und 57, entsprechend * = 0,5 (ebenfalls für zunehmende Werte von z) zeigen die Breite der gyromagnetischen Resonanzlinie AHm Oersted als Funktion von y.

2) Die drei Kurven 61, 62 und 63, entsprechend jr = 0,5 für zunehmende Werte von ζ zeigen die Breite der Spinwellenresonanzlinie AHk in Oersted als Funktion von y.

Die Messungen wurden im X-Band durchgeführt, um einen Vergleich mit anderen Materialien zu ermöglichen. In dem empfohlenen Frequenzband (einige hundert bis einige tausend Megahertz) lägen die Ergebnisse in der gleichen Größenordnung, nämlich die geringste Breite der Resonanzlinie AH ist vergleichbar mit einer verhältnismäßig hohen Linienbreite AH_K.

Die Erfindung ist auf die Herstellung aller bei Höchstfrequenz betriebenen bekannten Vorrichtungen anwendbar, z. B. auf Phasenschieber, Isolatoren, Kuppler und Zirkulatoren. Für die empfohlenen Betriebsfrequenzen ermöglichen das geringe magnetische Moment die geringen Verluste und die ausgezeichnete Stabilität des Materials den Betrieb bei hohen, mittleren und Spitzenleistungen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Polykristallines ferrimagnetisches Material mit Granatstruktur, gekennzeichnet durch die folgende allgemeine Formel:

Y₃_3, Gd_3x Fe₅-S₁-Z Al₅, In₁ O₁₂

wobei:

0,45> *>0,65
0 2:y>0,18
0,2 >z>0,6

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

0,06 > y > 0,12.

3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

0,5 > χ > 0,6 .

4. Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß * etwa 0,5 ist und:

5. Material nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß * etwa 0,6 ist und:

0>.y>0,18.