RU2543523C1

RU2543523C1 - Ferrite material

Info

Publication number: RU2543523C1
Application number: RU2014111666/07A
Authority: RU
Inventors: Руслан Игоревич Ашурбейли; Александр Валерьевич Новиков
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Конструкторское Бюро-1"
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-03-10

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to ferrite materials with low dielectric losses and high residual magnetic induction to be used in microwave systems, for example, antenna elements of phased arrays. Ferrite material is produced from the mix of powders of Fe₂O₃, Li₂CO₃, Bi₂O₃, ZnO, NiO, Na₂CO₃, MnCO₃ at the following ratio of components, wt %: iron oxide 71.38±0.1, lithium carbonate 4.17±0.05, sodium carbonate 0.79±0.03, zinc oxide 10.39±0.1, nickel oxide 3.18±0.05, manganese carbonate 9.79±0.1, bismuth oxide 0.3±0.03.

EFFECT: reduced dielectric losses and higher residual magnetic induction, higher strength ease of machining.

1 tbl

Description

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.The present invention relates to ferrite materials intended for use in microwave systems, for example, in antenna elements of phased antenna arrays, in particular to ferrite materials with low dielectric losses and high values of residual magnetic induction.

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.It is known that the various properties of ferrite materials that affect the possibility of their use in various systems depend in a certain way on some external factors and parameters of the material itself. Thus, the magnetization of a ferrite material is affected by the ambient temperature: the magnetization decreases with increasing temperature until the Curie point reaches a temperature at which it disappears, i.e. the material becomes paramagnet. Therefore, in order for the composition to have a high magnetization, it must have a higher Curie point value. In addition, parameters such as dielectric losses, material structure, etc. significantly affect the material’s performance. Moreover, the high value of the residual magnetic induction has a positive effect, for example, on the performance of location systems, and the fine-grained structure increases the strength of the products and can significantly reduce the negative effect. non-magnetic gaps.

Известен ферритовый материал литий-титановой системы, содержащий, мас.%:Known ferrite material of the lithium-titanium system, containing, wt.%:

Li₂CO₃ Li ₂ CO ₃ 33,5333.53 Fe₂O₃ Fe ₂ O ₃ 24,1624.16 TiO₂ TiO ₂ 42,31.42.31.

(см. «Кристаллохимия феррошпинелей.» Бляссе Ж. Перевод с англ. Под ред. Б.Е.Левина. М., «Металлургия», 1968, стр.134.)(see. "Crystal chemistry of ferrospinels." J. Blasse. Translated from English. Edited by B.E. Levin. M., Metallurgy, 1968, p. 134.)

Этот материал имеет температуру точки Кюри, равную -148°С, и, следовательно, при рабочих температурах порядка -50°С он становится парамагнитным, не имея намагниченности и соответствующих ей свойств.This material has a Curie point temperature of -148 ° C, and therefore, at operating temperatures of the order of -50 ° C, it becomes paramagnetic, without magnetization and its corresponding properties.

Известен ферритовый материал, имеющий составKnown ferrite material having the composition

$L i_{a}^{+} R_{b}^{n} + F e_{c}^{3 +} N b_{x}^{5 +} O_{4}$

,

L i_{a}^{+} R_{b}^{n} + F e_{c}^{3 +} N b_{x}^{5 +} O_{four}

,

где а+b+с+х=3 и a+nb+5x+3c=8,where a + b + c + x = 3 and a + nb + 5x + 3c = 8,

$R_{b}^{n +} =$

Cu, Mn, Co, Ni, Zn, Cr, Cd, V, Ti,

R_{b}^{n +} =

Cu, Mn, Co, Ni, Zn, Cr, Cd, V, Ti,

а ферриты с намагниченностью I_S=320,390 кА/м составовand ferrites with magnetization I _S = 320.390 kA / m of compositions

Li_0,38Co_0,025Ni_0,075Zn_0,16Nb_0,01Fe_2,35O_4,00 Li _0.38 Co _0.025 Ni _0.075 Zn _0.16 Nb _0.01 Fe _2.35 O _4.00

Li_0,31Co_0,030Ni_0,075Zn_0,27Cu_0,03Nb_0,01Fe_2,28O_4,00 Li _0.31 Co _0.030 Ni _0.075 Zn _0.27 Cu _0.03 Nb _0.01 Fe _2.28 O _4.00

(см. патент ФРГ №2346403 от 14.09.73 г.)(see Germany patent No. 2346403 from 09/14/73)

Материал обладает достаточно плотной мелкозернистой структурой, повышающей его прочность.The material has a fairly dense fine-grained structure, increasing its strength.

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).However, this material has cobalt molecules in its composition, which leads to rather high losses in the millimeter wavelength range (the total tangent of magnetic and dielectric losses is (5-8) · 10 ^-3 ).

Известен состав для получения ферритового материала, содержащий, мас.%:A known composition for producing ferrite material, containing, wt.%:

(см. патент РФ №2009561 от 31.08.1992 г.)(see RF patent No. 20099561 from 08.31.1992)

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.This material makes it possible to obtain a ferrite material with a resonance loss value below 0.30 dB. However, the disadvantages of such a ferrite material are its large magnetic losses with high magnetization.

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. таблицу ниже).Closest in basic characteristics to the claimed is ferrite material, which has a normalized designation 1SCh12 according to the “Catalog of Microwave and Dielectric Materials”, St. Petersburg, Magneton Plant OJSC, 2001. (see table below).

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.This material has good performance properties and is widely used in microwave systems. At the same time, it has increased values of dielectric losses and a coarse-grained structure, as well as increased values of the squareness of the hysteresis loop, which reduces its radar quality and structural strength and durability.

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°С 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.Also known is a ferrite material containing oxides of lithium, titanium, zinc, manganese, iron and lithium fluoride in the following ratio of components, wt.%: Lithium oxide Li ₂ O 2,753-3,39, titanium oxide TiO ₂ 0,001-5,71, oxide zinc ZnO 7.67-7.903, manganese oxide MnO ₂ 4.12-6.21, iron oxide Fe ₂ O ₃ 76.98-83.285, lithium fluoride LiF 0.20-0.40 (see RF patent No. 2291509 from 06/14/2005). This material is used in the microwave technology and was created to reduce the temperature coefficient of saturation magnetization coefficient, increase the yield of non-reciprocal decoupling microwave devices by increasing the stability of magnetization values in the working temperature range of -60 - + 85 ° С while maintaining high values of saturation magnetization. However, the known material has a fairly high dielectric loss values of the order of (7-8) 10 ^-4 , which seriously impairs its performance when used in phased array antenna systems.

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).A known invention relating to a ferrite material intended for use in decoupling microwave devices of the millimeter wavelength range and containing components in the following ratio (molar fraction): lithium oxide 0.395-0.475; titanium oxide 0.005-0.15; zinc oxide 0.20-0.21; manganese oxide 0.1-0.3; niobium oxide 0.020-0.035; iron oxide 2.175-2.395 (see RF patent No. 2247436 of 02.15.88).

Техническим результатом известного изобретения является снижение магнитных и диэлектрических потерь в миллиметровом диапазоне длин волн при сохранении высокой 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.The technical result of the known invention is to reduce magnetic and dielectric losses in the millimeter wavelength range while maintaining a high saturation magnetization. For this material, despite a slight decrease in losses, the total tangent of magnetic and dielectric losses is tg ^δ = 6.0 × 10 ^-4 at I _s = 360 kA / m, which is quite high for use in modern technical means.

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.In addition, it has high values of the temperature coefficient of saturation magnetization — TKJ _{s of the} order of 0.15% / deg, which also complicates the use of this ferrite material in nonreciprocal decoupling microwave devices.

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.The objective of the present invention is the development and creation of ferrite material with low dielectric losses and high values of residual magnetic induction to provide increased efficiency and range of the antenna.

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.Another objective of the present invention is the development and creation of ferrite material having a reduced square value of the hysteresis loop, as well as a fine-grained structure with high density to increase the strength of the products and the accuracy of their machining.

Таким образом, настоящее изобретение создавалось для решения комплексной задачи - получить новый материал для изготовления высокоэффективных СВЧ-элементов для устройств миллиметрового диапазона длин волн.Thus, the present invention was created to solve the complex problem of obtaining new material for the manufacture of high-performance microwave elements for devices of the millimeter wavelength range.

Для решения указанных и других задач заявляется новый ферритовый материал, полученный из смеси порошков, содержащей Fe₂O₃, Li₂CO₃, Bi₂O₃, ZnO, NiO, Na₂CO₃ и MnCO₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:To solve these and other problems, a new ferrite material is claimed, obtained from a mixture of powders containing Fe ₂ O ₃ , Li ₂ CO ₃ , Bi ₂ O ₃ , ZnO, NiO, Na ₂ CO ₃ and MnCO ₃ in the following ratio of components, wt. %:

оксид железа 71,38±0,1iron oxide 71.38 ± 0.1

карбонат лития 4,17±0,05lithium carbonate 4.17 ± 0.05

карбонат натрия 0,79±0,03sodium carbonate 0.79 ± 0.03

оксид цинка 10,39±0,1zinc oxide 10.39 ± 0.1

оксид никеля 3,18±0,05nickel oxide 3.18 ± 0.05

карбонат марганца 9,79±0,1manganese carbonate 9.79 ± 0.1

оксид висмута 0,3±0,03.bismuth oxide 0.3 ± 0.03.

Наличие в составе в указанных количествах оксида цинка (ZnO) и оксида никеля (NiO) гарантирует получение высокого значения остаточной индукции при малой величине размера зерна. Присутствие в составе в указанных количествах карбоната натрия (Na₂CO₃) способствует повышению плотности структуры материала при уменьшении среднего размера зерна. Наличие в составе в указанном количестве карбоната марганца (MnCO₃) способствует эффективному снижению диэлектрических потерь.The presence in the composition in the indicated amounts of zinc oxide (ZnO) and nickel oxide (NiO) ensures a high value of residual induction with a small grain size. The presence in the composition in the indicated amounts of sodium carbonate (Na ₂ CO ₃ ) increases the density of the structure of the material while reducing the average grain size. The presence in the composition in the specified amount of manganese carbonate (MnCO ₃ ) contributes to the effective reduction of dielectric losses.

Заявленный ферритовый материал, которому заявитель дал наименование «ФЕРРИТ Марки 1СЧ-170», получают по обычной керамической технологии. В качестве исходных компонентов используют порошки оксидов и карбонатов, соответствующие квалификации чистоты «Ч» и «ХЧ».The claimed ferrite material, to which the applicant gave the name "FERRIT Grades 1SCH-170", is obtained by conventional ceramic technology. Powders of oxides and carbonates corresponding to the purity qualifications “Ch” and “ChP” are used as initial components.

Указанные порошки смешивают в соотношениях, указанных в формуле настоящего изобретения, ферритизуют при температуре 960±40°С в течение 2-5 часов, затем размалывают, проводят гидростатическое прессование и спекают детали при температуре 1050±50°С в течение 8-12 часов на воздухе. Скорость нагрева и охлаждения составляет 200±50°С/ч.These powders are mixed in the proportions indicated in the formula of the present invention, ferritized at a temperature of 960 ± 40 ° C for 2-5 hours, then grinded, hydrostatically pressed and sintered at a temperature of 1050 ± 50 ° C for 8-12 hours in the air. The heating and cooling rate is 200 ± 50 ° C / h.

Примеры осуществления настоящего изобретения представлены в таблице.Examples of the present invention are presented in the table.

Сравнительные данные представлены относительно нормализованного ферритового материала, указанного в Каталоге «Сверхвысокочастотные магнитные и диэлектрические материалы». СПб., ОАО «Завод «Магнетон», 2001.Comparative data are presented regarding the normalized ferrite material specified in the catalog "Microwave and dielectric materials." SPb., OJSC Magneton Plant, 2001.

Claims

Ferrite material obtained from a mixture of powders containing Fe ₂ O ₃ , Li ₂ CO ₃ , Bi ₂ O ₃ , ZnO, NiO, Na ₂ CO ₃ , MnCO ₃ located in the following ratio of components, wt.%:
iron oxide 71.38 ± 0.1
lithium carbonate 4.17 ± 0.05
sodium carbonate 0.79 ± 0.03
zinc oxide 10.39 ± 0.1
nickel oxide 3.18 ± 0.05
manganese carbonate 9.79 ± 0.1
bismuth oxide 0.3 ± 0.03.