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Diese Erfindung betrifft einen Ferrit auf Ni-Zn-Basis und
insbesondere einen Ferrit auf Ni-Zn-Basis, der einen geringen
dielektrischen Verlust und eine hohe Sättigungsmagnetisierung
aufweist und als magnetisches Material in Hochfrequenzfeldern
nützlich ist.
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Es wird erwartet, daß Ferrite auf Ni-Zn-Basis auf vielen
Gebieten, beispielsweise als Kernmaterialien für
Schraubenkerne, Radios und andere elektrische Geräte für den Haushalt,
Hochfrequenz-Kernmaterialien und magnetische Materialien für
Isolatoren, Zirkulatoren und andere Hochfrequenzband-
Produkte, bei denen allen der gyromagnetische Effekt
verwendet wird, Anwendungen finden. Diese sind auch Beispiele
repräsentativer Ferritmaterialien, die in Vorrichtungen, wie
Zirkulatoren für die Mikrowellenkommunikation, verwendet
werden.
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Es ist wesentlich, als ein für solche Anwendungszwecke
verwendbares magnetisches Material ein Material auszuwählen,
das eine Sättigungsmagnetisierung (4πMs) von 500 bis 5000
(Gauß) und eine geringe Halbwertsbreite (ΔH) der
ferromagnetischen Resonanzabsorption und im Hinblick auf das
Gewährleisten der Zuverlässigkeit einen geringen dielektrischen
Verlust [tanδ(ε)] aufweist.
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Die Geschichte von Ferriten reicht viele Jahre zurück.
Als harte Ferrite wurden unter anderem Ferrite auf Co-Basis,
Ferrite auf Ba-Basis, und Ferrite auf Sr-Basis entwickelt.
Als weiche Ferrite wurden andererseits Ferrite auf Mg-Basis,
Ferrite auf Cu-Basis, Ferrite auf Zn-Basis, Ferrite auf Ni-
Zn-Basis und dergleichen entwickelt, woraufhin Ferrite auf
Mn-Zn-Basis entwickelt wurden.
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Die Ferrite auf Mg-Basis verbleiben noch als Ferrite auf
Mn-Mg-Zn-Basis, bei denen die rechtwinkligen
Hysteresekennlinien der Ferrite auf Mg-Basis verwendet werden und die in
erster Linie bei Fernsehgeräten verwendet werden (als
Ablenkkerne und Rücklaufkerne).
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Hinsichtlich der Ferrite auf Cu-Basis sei bemerkt, daß
bei ihrer Entwicklung versucht wurde, sie als
Speicherelemente in Großrechnern zu verwenden. Es trat bei ihnen
jedoch das Problem auf, daß ihre Struktur bei 1000ºC oder
darüber bei Raumtemperatur erhalten bleiben mußte. Es gab
daraufhin einen Trend zur Massenproduktion sehr kleiner
Kerne. Als analoge Speicherelemente erreichten sie sehr bald
ihre Grenzen.
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In etwa zu dieser Zeit wurden ICs, LSIs und dergleichen
entwickelt. Es bildete sich ein allgemeiner Trend zu
digitalen Speichern aus, womit die Zeit der analogen
Speicherelemente endete.
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Nach der Entdeckung der magnetischen Eigenschaften der
Ni-Zn-Ferrite über einen Bereich niedriger bis hoher
Frequenzen und ihres gyromagnetischen Effekts wurden an diesen
systematische und umfangreiche Forschungen ausgeführt. Bei
ihnen traten jedoch starke magnetische Verluste auf. Es
wurden daher starke Anstrengungen auf die Verbesserung ihrer
magnetischen Verluste konzentriert, dieses Problem blieb
jedoch ungelöst.
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Ni-Zn-Ferrite weisen die oben beschriebenen überlegenen
Qualitäten auf, und sie haben insbesondere über einen Bereich
niedriger bis hoher Frequenzen ausgezeichnete magnetische
Eigenschaften, eine geringe Halbwertsbreite ΔH der
ferromagnetischen Resonanzabsorption, einen gyromagnetischen
Effekt, milde und flexible Produktionsbedingungen und eine
überlegene Wiederholbarkeit und Stabilität der Eigenschaften.
Es ist daher klar, daß sie als primäre magnetische
Materialien in Hochfrequenzfeldern verwendet werden, sobald ihre
dielektrischen Verluste tanδ(ε) verbessert worden sind.
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Herkömmliche Ni-Zn-Ferrite weisen hohe dielektrische
Verluste tanδ(ε) von bis zu etwa 1 · 10&supmin;² auf, wodurch ihre
Anwendung in magnetischen Vorrichtungen schwierig wird. In
V. Bhise u. a., Physica Status Solidi (a), 157(2), 411-419
(Oktober 1996) sind Ni0,8Zn0,2MnXSnXFe2-2XO&sub4; und
Ni0,6Zn0,4MnXSnXFe2-2XO&sub4; offenbart, wobei X sowohl für Mn als
auch Sn 0,1, 0,2, 0,3 und 0,4 ist.
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Angesichts der vorhergehend erwähnten Probleme besteht
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Ferrit
auf Ni-Zn-Basis bereitzustellen, der einen geringen
dielektrischen Verlust tanδ(ε) im Bereich von 10&supmin;³ oder darunter
aufweist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale aus den
Ansprüchen gelöst.
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Aus den weiter unten beschriebenen Gründen sind X, Y und
Z in der Zusammensetzungsformel aus den Ansprüchen so
begrenzt, wie dort festgelegt ist.
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Hinsichtlich X, wodurch der Anteil von Nickel (Ni)
angegeben wird, sei bemerkt, daß ein kleinerer Wert als 0,55 zu
einer niedrigeren Curie-Temperatur (TC) führt und daß ein
solch geringer X-Wert angesichts der für eine magnetische
Vorrichtung bei der tatsächlichen Verwendung erforderlichen
Temperaturstabilität keinen Ferriten auf Ni-Zn-Basis liefern
kann, der für eine tatsächliche Verwendung geeignet ist.
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Mit Bezug auf Y, wodurch der Anteil von Mangan (Mn)
angegeben wird, sei bemerkt, daß ein kleinerer Wert als 0,001
zu einem hohen dielektrischen Verlust tanδ(ε) (bis zu
1 · 10&supmin;²) führt, während ein höherer Wert als 0,36 zu einer
geringen Sättigungsmagnetisierung 4πMs von bis zu 300 (G) und
auch zu einer niedrigen Curie-Temperatur (TC) führt. Bei
einem außerhalb des Bereichs von 0,001 ≤ Y ≤ 0,36 liegenden
Y-Wert läßt sich daher kaum ein Ferrit auf Ni-Zn-Basis
erzielen, der für eine tatsächliche Verwendung geeignet ist.
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Z gibt den Anteil von M ( = Ge und/oder Sn) an. Ein
innerhalb des Bereichs von 0,002 ≤ Z ≤ 0,36 liegender Z-Wert kann
einen Verlust unterdrücken, der mit einer elektrischen
Leitung verbunden ist, die wiederum innerhalb des Materials
auftritt. Der dielektrische Verlust tanδ(ε) ist daher auf den
Bereich von 10&supmin;³ oder weniger verringert.
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Es ist weiterhin erforderlich, Mn und M ( = Ge und/oder
Sn) in Kombination zu verwenden.
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Die vorliegende Erfindung ist daher auf den Ferrit auf
Ni-Zn-Basis nach der oben angegebenen Zusammensetzungsformel
beschränkt, wobei, wie oben beschrieben wurde, X, Y und Z in
den Bereichen 0,55 ≤ X ≤ 1,00, 0,001 ≤ Y ≤ 0,36 und 0,002 ≤ Z
≤ 0,36 liegen.
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Es sei bemerkt, daß bei einer durch
Ni0,6Zn0,4Fe1,54Mn0,1M0,36O&sub4; gegebenen Zusammensetzungsformel ein
Ferrit auf Ni-Zn-Basis mit einem noch geringeren
dielektrischen Verlust tanδ(ε) (1 · 10&supmin;&sup4;) erhalten werden kann.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend auf der Grundlage bestimmter Arbeitsbeispiele
beschrieben.
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In Tabelle 1 sind die Zusammensetzungsformeln aus den
Ausführungsformen und die Sättigungsmagnetisierungen 4πMs,
die dielektrischen Verluste tanδ(ε) und die
Curie-Temperaturen (TC) von Ferriten der verschiedenen in den jeweiligen
Beispielen der Erfindung hergestellten Zusammensetzungen im
Vergleich mit solchen aus nicht erfindungsgemäßen Beispielen
(Vergleichsbeispielen) dargestellt.
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Wie oben beschrieben wurde, ist jeder Ferrit auf Ni-Zn-
Basis gemäß der vorliegenden Erfindung durch die
Zusammensetzungsformel NiXZn1-XFe2-Y-ZMnYMZO&sub4; gegeben, wobei M mindestens
eines der Elemente Ge und Sn ist. Weiterhin sollten X, Y und
Z in den folgenden speziellen Bereichen liegen: 0,55 ≤ X ≤
1,00, 0,001 ≤ Y ≤ 0,36 und 0,002 ≤ Z ≤ 0,36.
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In Tabelle 1 sind die Ferrite mit den durch die
Testnummern 1 bis 23 bezeichneten Zusammensetzungen Beispiele gemäß
der vorliegenden Erfindung, während die Testnummern 24 bis 30
Vergleichsbeispiele bezeichnen, die sich auf
Zusammensetzungen beziehen, welche außerhalb des Schutzumfangs der
vorliegenden Erfindung liegen.
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Die oben erwähnten Ferrite der verschiedenen
Zusammensetzungen wurden jeweils so hergestellt, wie nachfolgend
beschrieben wird.
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Als Rohmaterial für das Ferritmaterial wurde
Mangancarbonat als Manganquelle gewählt und wurden Oxide als
Quellen für die restlichen Elemente gewählt. Nachfolgend wurde
die sich ergebende Pulvercharge zum Zumessen dieser
Rohmaterialien für 64 Stunden in einer Kugelmühle aus Eisen
gemischt, bei 850ºC in einer Sauerstoffatmosphäre für 2
Stunden vorkalziniert und dann gemahlen und wieder gemischt.
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Ein Bindemittel (Polyvinylalkohol) wurde hinzugefügt. Die
sich ergebende Mischung wurde unter einem Druck von 2,0
Tonnen je Einheitsfläche (cm²) zu einer vorgegebenen Form
gepreßt. Der so erhaltene ungesinterte Körper wurde entfettet
und dann für 2 Stunden in einer Sauerstoffatmosphäre bei 1200
bis 1450ºC gesintert.
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Die Sättigungsmagnetisierung 4πMs wurde durch Herstellen
eines Probenstücks mit einem Durchmesser von 10 mm und einer
Dicke von 1,5 mm in der oben beschriebenen Weise bestimmt,
wodurch unter Verwendung eines Vibrations-Probenmagnetometers
(VSM) eine Hysteresekurve mit einem maximalen Magnetfeld von
10 Kilogauß erhalten wurde, und es wurde dann die
Magnetisierung bei einem Magnetfeld von 0 durch Extrapolation aus der
sich ergebenden Hysteresekurve bestimmt.
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Der dielektrische Verlust tanδ(ε) wurde durch Herstellen
einer Meßprobe mit einem Durchmesser von 16 mm und einer
Dicke von 0,2 mm in der oben beschriebenen Weise und durch
dann erfolgendes Messen ihres dielektrischen Verlustes in
einer elektromagnetischen Strahlung von 9 GHz durch das
TE112-Moden-Hohlraum-Resonanzverfahren bestimmt. Weiterhin
wurde die Curie-Temperatur TC durch Herstellen einer Kugel
mit einem Durchmesser von 1 bis 2 mm in der oben
beschriebenen Weise und durch dann erfolgendes Messen ihrer Curie-
Temperatur durch eine Magnetwaage bestimmt.
Beispiele (Testnummern 1 bis 23)
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Die Testnummern 1 bis 5 in Tabelle 1 zeigen, daß ein im
Bereich von 0,55 ≤ X ≤ 1,00 liegender Wert von X, der den
Anteil von Ni angibt, zu einer Curie-Temperatur TC von 100
bis 580ºC, einer Sättigungsmagnetisierung 4πMs von 1600 bis
4400 (G) und einem dielektrischen Verlust tanδ(ε) im Bereich
von 10&supmin;³ oder darunter führt.
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Weiterhin zeigen die Testnummern 6 bis 23 in Tabelle 1,
daß im Bereich von 0,001 ≤ Y ≤ 0,36 bzw. 0,002 ≤ Z ≤ 0,36
liegende Werte von Y und Z, die die Anteile von Mn und M
(M: Ge und/oder Sn) angeben, zu einem dielektrischen Verlust
tanδ(ε) im Bereich von 10&supmin;³ oder weniger, einer
Curie-Temperatur Tc von 110 bis 440ºC und einer Sättigungsmagnetisierung
4πMs von 500 bis 5200 (G) führen.
Vergleichsbeispiele (Testnummern 24 bis 30)
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Bei jeder der Testnummern 24 bis 30 in Tabelle 1 liegt
einer oder mehrere der Werte X, Y und Z außerhalb der oben
beschriebenen speziellen Bereiche (Vergleichsbeispiele), das
heißt, daß die Curie-Temperatur TC, die
Sättigungsmagnetisierung 4πMs und/oder der dielektrische Verlust tanδ(ε)
innerhalb der vorgeschriebenen Bereiche keine Werte aufweisen. Die
Probenwerte dieser Testnummern sind daher für praktische
Anwendungen nicht geeignet.
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Durch Begrenzen der Anteilsbereiche von Ni, Zn, Fe, Mn
und M (M: Ge und/oder Sn) in einem Ferrit auf Ni-Zn-Basis,
wie oben beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung
den Ferriten auf Ni-Zn-Basis mit einem dielektrischen Verlust
tanδ(ε) im Bereich von 10&supmin;³ bereitstellen, der kleiner ist als
bei herkömmlichen Produkten, während ein hoher Wert seiner
Sättigungsmagnetisierung 4πMs gewährleistet wird. Der Ferrit
auf Ni-Zn-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher
in verlustarmen magnetischen Vorrichtungen verwendet werden,
wodurch sich ein erheblicher gewerblicher Nützen ergibt.
Tabelle 1