Высокочастотные магнитно-мягкие материалы.

При высоких частотах растут тепловые потери и тангенс угла потерь что сопровождается ухудшением магнитных свойств ферромагнетика - уменьшением магнитной проницаемости.

Одним из эффективных способов снижения тепловых потерь является применение материалов с высоким электрическим сопротивлением диэлектриков. К таким материалам относятся ферриты, играющие важную роль в современной электронике. Ферриты изготовляют спеканием оксидов. Удельное электрическое сопротивление их достигает что определяет возможность использования их в области высоких радиочастот и сверхвысоких частот.

По своим магнитным свойствам при небольших частотах они уступают ферромагнитным металлам и сплавам на их основе. Их относительная магнитная проницаемость невелика и изменяется в широком интервале значений от нескольких тысяч до нескольких единиц; малая индукция насыщения относительно большая коэрцитивная сила невысокие температуры точки Кюри ограничивают их рабочую температуру и ухудшают температурную стабильность свойств.

К недостаткам ферритов относят их большую чувствительность к остаточным напряжениям, в том числе теплового и магнитострикционного происхождения. Они обладают всеми свойствами керамики: твердые, хрупкие, при спекании дают большую усадку. Обрабатывать их можно только алмазным инструментом. Свойства ферритов зависят от различных технологических факторов (размер и однородность порошков оксидов, удельные нагрузки при прессовании, температура спекания, режим охлаждения и др.). Все это затрудняет получение ферритов с заданными и повторяющимися свойствами.

Ферриты спекают из двойных оксидов типа (см. п. 1.З.). Для повышения электрического сопротивления ион железа в оксиде заменяют двухвалентными ионами

Кристаллическая решетка таких оксидов-шпинель (кубическая). Направлением легкого намагничивания является ребро куба. При замене ионами бария, стронция, свинца ферриты имеют решетку и направлением легкого намагничивания является любое направление в плоскости

Ферриты имеют доменную структуру с нескомпенсированными антипараллельными магнитными моментами ионов металла (ферримагнетики). В двойном оксиде в окта- и тетраэдрических порах решетки располагаются катионы трех- и двухвалентного железа. Между катионами, находящимися в разных порах, образуется антипараллельная ориентация магнитных моментов. Ферримагнетизм появляется тогда, когда сумма магнитных моментов ионов, расположенных в различных порах, неодинакова. Установлено, что у большинства шпинельных ферритов в октаэдрических порах расположено восемь ионов трехвалентного железа, а в тетраэдрических порах - остальные восемь ионов трехвалентного железа и восемь ионов двухвалентного металла:

В результате магнитные моменты трехвалентных катионов железа, находящихся в разных порах, компенсируют друг друга и, если двухвалентный катион металла обладает собственным магнитным моментом, то возникает нескомпенсированный магнитный момент.

Магнитные свойства ферритов определяются их химическим составом (рис. 15.12). Немагнитный цинковый феррит, добавленный в никелевый феррит, понижает 0 и и резко увеличивает при определенном химическом составе, поэтому дозировка цинкового феррита должна быть очень точной.

Магнитные свойства ферритов зависят от условий эксплуатации и, в первую очередь, от частоты перемагничивания.

Рис. 15.12. Влияние содержания цинкового феррита в никелевом феррите на магнитные свойства последнего

Предельно допустимая для материала частота внешнего поля определяется частотой, при которой не превышает 0,1, а для некоторых изделий 0,02 (см. рис. 15.8, б).

Допустимую рабочую температуру определяет температура точки Кюри, которая для никель-цинковых ферритов совпадает с точкой 0, а для марганцевоцинковых на 20 °С ниже. Вблизи точки 0 значение резко падает (рис. 15.13), в особенности для ферритов с большим значением этой величины.

Рис. 15.13. Влияние температуры нагрева на магнитную проницаемость никель-цинковых ферритов

ТАБЛИЦА 15.6. Свойства некоторых ферритов, применяемых при работе в слабых полях яязкях я высоких радиочастотах

Ферриты для устройств, применяемых на радиочастотах. К ним относятся и ферриты (табл. 15.6).

На первом месте в марке стоит число, соответствующее (относительная проницаемость). На втором — буквы, определяющие частотный диапазон: Н — низкочастотные, ВЧ — высокочастотные. На третьем - буква, обозначающая легирующий элемент: Н-никель-ццнковый, М-марганцево-цинковый феррит. Для высокочастотных ферритов легирующий элемент не указывается, например, высокочастотный, разновидность вторая.

Ферриты обладают высокой магнитной проницаемостью, но имеют относительно небольшое удельное электрическое сопротивление , что ограничивает их использование при высоких частотах . Их подразделяют на две группы: ферриты первой группы не содержат специальных добавок и используются в диапазоне частот до 1 МГц, когда не предъявляются повышенные требования к температурной стабильности начальной магнитной проницаемости; ферриты второй группы содержат присадки оксидов кобальта и других металлов, вводимых для улучшения температурной стабильности начальной магнитной проницаемости, и предназначены для использования в слабых и средних полях на частотах до 3 МГц.

Ферриты отличаются высоким удельным электрическим сопротивлением (до малыми потерями; поэтому их используют при более высоких частотах МГц) и подразделяют на три группы.

Ферриты первой группы не содержат специальных присадок и применяются для работы в слабых и средних полях на частотах до 2 МГц. Ферриты второй группы содержат значительные количества (1-8%) других оксидов. Такие ферриты применяются для работы на частотах до 55 МГц. Ферриты третьей группы содержат избыток а также присадки кобальта и других оксидов (до вводимых для улучшения свойств. Эти ферриты имеют меньшие потери на вихревые токи и предназначены для использования в слабых полях на частотах до 200 МГц из-за высокой температуры точки Кюри они обладают малым температурным коэффициентом магнитной проницаемости в широком интервале температур.

Ферриты для устройств, применяемых на высоких частотах .

Ферриты имеют сложный состав, их изготовляют из четырех и более оксидов. Разнообразие сочетаний исходных компонентов предоставляет неограниченные возможности для создания материалов с различными магнитными свойствами. В их числе феррит одновалентного лития со структурой шпинель и ферриты, в которых часть ионов бария заменена кобальтом, со структурой

Дополнительно вводя в состав ферритов те или иные катионы, можно

ТАБЛИЦА 15.7. Свойства ферритов для СВЧ

получить материалы с различной индукцией насыщения и разной температурой точки Кюри. Такие сложнолегированные ферриты характеризуются высоким удельным электрическим сопротивлением стабильностью магнитной проницаемости, низкими потерями и сохраняют эти параметры постоянными до 800 МГц.

Ферриты для устройств, применяемых на сверхвысоких частотах . Возможность применения ферритов при таких частотах определяет резонансное поглощение, возникающее в тех случаях, когда на феррит, перемагничиваемый высокочастотным полем, наложено перпендикулярное постоянное магнитное поле Это поле вызывает прецессию орбитального момента электрона, частота которой изменяется пропорционально При определенной значение совпадает с частотой высокочастотного поля, и наступает ферромагнитный резонанс, проявляющийся в уменьшении и росте в некотором интервале поля (рис. 15.14), что увеличивает

Ширина интервала - основная характеристика СВЧ ферритов. Ее значение будет тем меньше, чем больше плотность и меньше кристаллографическая анизотропия материала. Такие свойства можно получить, вводя в состав ферритов оксиды с константой анизотропии противоположного знака. Кроме того, для увеличения плотности их изготавливают не спеканием, а сплавлением порошков в монокристалл, у которого узкая резонансная кривая (малое получается, если постоянное магнитное поле приложено в направлении трудного намагничивания.

Свойства ферритов для СВЧ приведены в табл. 15.7.

В марке ферритов для СВЧ на первом месте ставится цифра, указывающая значение длины волны в сантиметрах, при которой используется данный феррит. Например, ЗСЧ4 — феррит для работы в полях с длиной волны 3 см, разновидность 4.

Ферриты для СВЧ выбирают с учетом типа устройств, частотного диапазона, уровня мощности и климатических условий.

Ферриты со структурой шпинель изготовляют спеканием оксидов никеля и магния. Их состав соответствует формуле Значение для таких ферритов (последние три марки в табл. 15.7) оценивают при частотах 3000 МГц. Ферриты, используемые при более высоких частотах, дополнительно легируют трехвалентными металлами хромом или алюминием. Они описываются формулами или и значение для них оценивают при частотах 9200 МГц.

Рис. 15.14. Изменение феррита-граната в условиях магнитного резонанса

Рис. 15.15. Изменение структуры феррита-граната при намагничивании: а — лабиринтная; б — гантельная; в — цилиндрическая

Ферриты-гранаты имеют кристаллическую решетку минерала граната, их формула . В качестве легирующего элемента в них используют редкоземельные металлы (РЗМ). Применение находят поли- и монокристаллы.

Поликристаллические ферриты-гранаты изготовляют спеканием оксидов редкоземельных металлов: иттрия, гадолиния и др. Их применяют при длинах волн более 30 см. Для миллиметровых волн (8 мм) применяют моно-кристаллические ферриты, которые получают методом сплавления порошков оксидов и последующей кристаллизации их на затравке монокристаллов (см. гл. 2). Этот же метод используют для изготовления рубиновых монокристаллов для квантовых генераторов (лазеров). Монокристалл иттриевого граната при частоте 9200 МГц имеет что значительно ниже значений, указанных в табл. 15.7 для поликристалл ических ферритов.

Ортоферриты, так же как и ферриты-гранаты, изготовляют из оксидов железа, легированных РЗМ. Состав их соответствует формуле где - иттрий, гадолиний, самарий и т. д. Они имеют орторомбическую кристаллическую решетку , в которой ионы расположены в узлах решетки, — на гранях, — в центре. Монокристаллы ортоферритов получают методом бестигельной зонной плавки (см.

В монокристаллической пластинке толщиной менее 30 мкм из ортоферритов и ферритов-гранатов РЗМ обнаружена специфическая доменная структура - цилиндрические магнитные домены ЦМД.

В плоскости тонкой пластины, которая перпендикулярна намагничивающему полю и векторам легкого намагничивания, возникает лабиринтовая структура доменов (рис. 15.15). Темные и светлые домены намагничены антипараллельно. С ростом внешнего поля Н меняется доменная структура. При определенном значении этого поля темные домены приобретают форму цилиндров (или пузырьков). Это свойство используют в запоминающих устройствах. В таких устройствах ферриты оценивают подвижностью доменов, которая повышает скорость обращения информации, и размером доменов, определяющим плотность информации на пластинах. Подвижность лучше у ортоферритов, а плотность больше у ферритов-гранатов.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Такие ферриты используют в вычислительной технике (в марке буквы ВТ). Их маркируют по значению коэрцитивной силы: цифра в марке

Наибольшее применение получили ферриты из оксидов Наилучшие характеристики наблюдаются у ферритов состава , а также у полиферритов, содержащих кроме перечисленных трех оксидов оксиды цинка, кальция, лития (табл. 15.8).

При охлаждении феррита после спекания в результате магнитострикционных явлений при температуре точки Кюри векторы легкого намагничивания ориентируются параллельно во всем объеме феррита. Прямоугольная петля гистерезиса получается при совпадении направлений намагничивающего поля с направлением легкого намагничивания. В таком случае при размагничивании

ТАБЛИЦА 15.8. Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса

отсутствует процесс вращения векторов и

В зависимости от особенностей устройств применяют различные по свойствам ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса: с низкой коэрцитивной силой и с высокой коэрцитивной силой