книги из ГПНТБ / Стабильность свойств ферритов. (Анализ физических свойств при внешних воздействиях, прогнозирование. Элементы проектирования)

удельный вес), широко используются в различных тех­ нических устройствах, начиная от динамических громко­ говорителей и кончая магнитными механическими муф­ тами и амортизаторами.

Магнитная природа и структура ферритов. Ферриты представляют собой двойные окислы, образуемые при соединении окиси железа с окислами одновалентных* двухвалентных или трехвалентных металлов. В связи с тем, что в составе ферритов металлы находятся в хи­ мически связанном состоянии, ферриты практически не имеют свободных носителей тока, что и обусловливает их высокие диэлектрические свойства и малую электро­ проводность. Магнитные свойства ферритов определяют­ ся их кристаллической структурой, от которой зависят различные виды магнитного взаимодействия.

Ферриты — это вещества, в состав которых входят атомы элементов переходных групп. Нескомпенсирован­ ные спины d и f оболочек взаимно ориентируются в кри­ сталлической решетке посредством обменных сил, имею­ щих квантовомеханическую природу. В большинстве случаев обменное взаимодействие в ферритах и антифер­ ромагнетиках приводит к антипараллельной ориента­ ции спинов соседних ионов, в результате чего кристал­ лическая решетка в зависимости от типа своей струк­ туры разбивается на несколько магнитных подрешеток, каждая из которых отличается определенной ориента­ цией спинов. У антиферромагнетиков магнитные момен­ ты отдельных подрешеток полностью компенсируются в отличие от ферритов, которые имеют нескомпенсиро­ ванный магнитный момент, определяющий величину их спонтанной намагниченности насыщения / s. Явление это называется ферримагнетизмом, откуда и произошло на­ звание ферриты.

Кроме обменного взаимодействия, имеющего элек­ тростатическую квантовомеханическую природу, между

ных свойств и магнитострикцип. Соответствующие этим явлениям энергия кристаллографической магнитной ани­ зотропии и магнитоупругая энергия играют существен­ ную роль в образовании и характере доменной структу­ ры ферритов, аналогичной доменной структуре ферро­ магнетиков. Аналогия эта распространяется на процессы

7

эдрических, другая из октаэдрических, а третья — из додекаэдрических промежутков, в которых находятся ионы характеризующего металла. Формула ферритов, имеющих гексагональную решетку, МеО(Рег03)б. Неко­ торые ферриты с общей формулой Me20 3Fe20 3 кристал­ лизуются в решетке со структурой типа перовскит.

Рассмотренные кристаллические структуры и распре­ деления в них катионов металлов характерны для так называемых моноферритов. Практически широко приме­ няются биферриты и полиферриты, имеющие два и бо­ лее иона характеризующего металла и представляющие собой смешанные ферриты, т. е. твердые растворы не­ скольких моноферритов. Распределение катионов в под­ решетках смешанных ферритов более сложно и менее изучено, чем у моноферритов. Оно характеризуется це­ лым рядом неустойчивых состояний, что является одной из причин нестабильности свойств этих ферритов.

Наиболее распространенные Ni-Zn, Mn-Zn и Mg-Mn ферриты являются типичными примерами смешанных ферритов.

Особенности технологии изготовления ферритов, де­ фекты их структуры и свойства. Приведенные выше хи­ мические формулы присущи ферритам так называемого стехиометрического состава, обладающим практически бездефектной кристаллической решеткой.

Как уже говорилось, химический состав и идеальная кристаллическая структура определяют целый ряд фун­ даментальных свойств ферритов. В какой-то мере сте­ хиометрические составы имеются у большинства монокристаллических ферритов.

Прецизионная технология выращивания монокри­ сталлов по методу Вернейля, Бриджмена, Чохральского подробно изложена в специальных работах [95] и опи­ сывать ее не имеет смысла. Скажем только, что даже такая технология не позволяет избежать целого ряда искажений кристаллической решетки монокристаллов, таких как дислокация, внедрение, вакансии, внутренние напряжения, которые объясняют ухудшение целого ряда свойств ферритов и их нестабильность.

ской технологии. Особенностью этой технологии являет­ ся то, что ферриты образуются вследствие спекания при высокой температуре (1000... 1400° С) предварительно

9

Спрессованных деталей. Спекание и последующее охлаж­ дение ферритов производится в определенной газовой среде, благодаря чему феррит теряет или приобретает кислород. Это приводит к отклонению состава ферритов от стехиометрического и появлению у них дефектов кри­ сталлической решетки.

Избыток кислорода, характерный для целого ряда ферритов, приводит к повышению валентности катионов, появлению катионных вакансий и увеличению электриче­ ского сопротивления и диэлектрической проницаемости. Недостаток кислорода снижает валентность катионов и вызывает появление внедренных катионов и анионных вакансий. При снижении валентности катионов (особен­ но железа до Fe2+) появляются слабосвязанные элек­ троны, что повышает проводимость ферритов. От содер­ жания Fe2+ сильно зависит также величина магнитной проницаемости и ряд других свойств ферритов.

В связи с зависимостью свойств ферритов от появ­ ляющихся дефектов и необходимостью получения фер­ ритов с определенными свойствами требуется нормиро­ вать отклонение их состава от стехиометрического. С дру­ гой стороны, наличие дефектов кристаллической решетки и катионов переменной валентности создает возмож­ ность миграции катионов и диффузии электронов, что снижает стабильность свойств ферритов. Последнее усу­ губляется еще и тем, что технологические процессы про­ текают неравномерно по всему объему изделия и это обусловливает зависимость свойств ферритов от разме­ ров и формы образцов.

не только определенную кристаллохимическую структу­ ру изделий, но также и макроструктуру, характеризую­ щуюся размером и формой зерен кристаллитов, разме­ рами, формой и распределением пор и включений, рав­ номерностью всей структуры в целом и наличием в ней внутренних напряжений. Это обеспечивается составом исходной шихты, качеством пресс-порошков, добавлени­ ем специальных пластификаторов и минерализаторов и, главным образом, режимом и температурой спекания. От макроструктуры ферритов в значительной степени зависит целый ряд структурно-чувствительных свойств, к которым, кроме таких основных, как магнитная прони­ цаемость и потери, относятся стабильность магнитных

10

состояний, механические характеристики, теплофизиче­ ские свойства, гигроскопичность и пр. Все эти свойства, существенно влияющие на работоспособность феррито­ вых изделий, являются наиболее чувствительными как

кневоспроизводимости технологического процесса, так и

квлиянию внешних климатических и механических воз­ действий, в связи с чем требуют всестороннего излучения

иисследования.

1.2. ТИПЫ ФЕРРИТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

В настоящее время существует пять основных групп ферритовых материалов:

— магнитомягкие Mn-Zn и Ni-Zn ферриты для радио­

—магнитострикционные ферриты;

—магнитожесткие ферриты;

—ферриты СВЧ диапазона.

своим назначением конкретные конфигурации и разме­ ры. Основной особенностью применения ферритов яв­ ляется то, что ферритовые изделия используются не как самостоятельные элементы радиоэлектронной аппарату­ ры, а как функциональные конструктивные детали таких элементов и узлов.

Наибольшее распространение получили магнитомяг­ кие ферриты. В табл. 1 приведены их данные.

Магнитомягкие ферриты отличаются сравнительно большой нестабильностью к воздействию различных экс­ плуатационных факторов, особенно температуры. В со­ ответствии с этим все магнитомягкие ферриты делятся на термостабильные и нетермостабильные. Следует от­ метить, что стабильность разомкнутых ферритовых магнитопроводов в N раз выше, чем стабильность замкну­ тых магнитопроводов (N — размагничивающий фактор).

Магнитомягкие сердечники выпускаются в виде изде­ лий различной конфигурации: кольцевые и броневые сердечники, стержневые (антенные), сердечники круглого или прямоугольного сечения, Ш-образные сердечники,

И

Т А Б Л И Ц А 1

2500.. .7500 Дроссели, выходные, строчные и импульс­ ные трансформаторы, катушки индуктивно­ сти, элементы вычислительной техники, сер­ дечники отклоняющих систем малогабаритных телевизоров и т. д.

П-образные сердечники и сердечники отклоняющих си­ стем. Кроме того, по специальному заказу изготавли­ ваются сердечники других конфигураций.

На втором месте по массовости выпуска после маг­ нитомягких ферритов стоят ферриты с ППГ. Эти ферриты в основном применяются в логических и запоминающих устройствах. Ферриты с ППГ используются в качестве магнитопроводов трансформаторов и преобразователей, магнитопроводов запоминающих трансформаторов в феррит-транзисторных ячейках в качестве элементов на­ копителей ЗУ и логических элементов.

12

Ферриты с ППГ в основном выпускаются в виде торроидальных ферритовых сердечников с наружным диа­ метром от 0,4 до 16,0 мм. Кроме того, изготавливаются различные интегральные конструкции в виде многоотверстных пластин, линеек, трансфлюксоров и т. п. Вы­ сокое удельное сопротивление ферритов с ППГ позво­ ляет наносить на них обмотку с помощью печатного монтажа.

Магнитострикционные ферриты широко применяются в прецизионных фильтрах в качестве преобразователей, преобразующих колебания магнитного поля в механиче­ ские колебания и наоборот. В этих преобразователях используются как продольные, так и крутильные колеба­ ния. Магнитострикционные ферриты изготавливаются в виде стержней, трубок и гантелей.

Изделия из магнитожестких ферритовых материалов

используются для создания постоянных магнитных по­ лей в различной аппаратуре. Наибольшее распростране­ ние получили изделия из бариевого гексаферрита и ко­ бальтового феррита. Технология получения магнитотвер­ дых ферритов позволяет создавать как изотропные, так и анизотропные магниты. Магниты эти изготавливаются в виде колец, дисков и брусков. Основные области при­ менения магнитотвердых ферритов приведены в табл. 2. Магнитотвердые ферриты отличаются относительно вы­ сокой стабильностью к воздействию внешних факторов.

Особую группу ферритов составляют ферриты для приборов СВЧ диапазона. Они применяются в целом ря-

13

де твердотельных ферритовых СВЧ приборов, к которым относятся:

1.Невзаимные фазовращатели, принцип действия ко­ торых основан на использовании невзаимного характера фазового сдвига в прямоугольном волноводе, содержа­ щем поперечно намагниченный феррит.

2.Резонансные вентили, использующие явления, свя­ занные с ферромагнитным резонансом (невзаимное по­ глощение энергии в прямоугольном волноводе).

3.Вентили с поглощающей пластинкой, в которых применяется смещение поля.

4.X- и У-циркуляторы, возможность существования

которых была предсказана Кэрлином, конструкция впер­ вые описана ІІІауг—Петерсоном. В настоящее время компактные циркуляторы этого типа созданы не только в сантиметровом, но также и в миллиметровом (2 мм), дециметровом и метровом диапазонах волн. Возмож­ ность получения такого типа циркуляторов определяется как невзаимным смещением поля, так и интерференцией.

5. Взаимный фазовращатель, построенный на прямо­ угольном волноводе с продольно намагниченными фер­ ритами (фазовращатель Реджиа—Спенсера).

5. Нелинейные устройства, такие как генератор гар­ моник, ограничитель СВЧ мощности и ферритовый уси­ литель.

Основой всех этих устройств являются ферритовые вкладыши, которые имеют самые различные размеры

Все описанные выше ферритовые изделия являются деталями различных элементов и узлов радиоэлектрон­ ной аппаратуры. Поэтому совершенно естественно встает вопрос о связи надежности, долговечности и устойчиво­ сти к воздействию различных внешних факторов этих элементов и узлов со стабильностью свойств и качеством входящих в них ферритовых изделий. При этом следует учитывать, что, во-первых, ферритовые изделия одного и того же типа, как правило, применяются в самых раз­ личных по своему назначению и конструктивному испол­ нению элементах, т. е. могут эксплуатироваться в прин­ ципиально отличающихся друг от друга рабочих режи­ мах, и, во-вторых, при эксплуатации ферритовые детали взаимодействуют с другими деталями и воспринимают все внешние воздействия не сами по себе, а через это

14

Г л а в а 2

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФЕРРИТОВ

2.1. ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФЕРРИТОВ

Общие положения

Эксплуатация элементов радиоэлектронной аппара­ туры на основе ферритов в большинстве случаев проис­ ходит в условиях, отличающихся от нормальных, под которыми понимается температура окружающей среды 25+10°С, атмосферное давление (1 ±0,04)-ІО5 Па и относительная влажность воздуха 65± 15%.

При этом реальные условия характеризуются воздей­ ствием на аппаратуру и ее элементы различных клима­ тических факторов, к которым относятся: повышенная температура окружающей среды (сухое тепло), пони­ женная температура окружающей среды, циклическое изменение температуры окружающей среды, повышенная влажность воздуха (влажное тепло), пониженное и по­ вышенное атмосферное давление, иней и роса, солнеч­ ная радиация, соляной (морской) туман, плесневые грибки. Все эти факторы могут воздействовать на изде­ лия как отдельно, так и комплексно, когда несколько факторов воздействуют одновременно или в определен­ ной последовательности. Так, например, тропические условия эксплуатации для элементов аппаратуры и фер­ ритов характеризуются совокупным воздействием тем­ пературных циклов, повышенной влажности воздуха, по­ ниженной (повышенной) температуры, пониженного ат­ мосферного давления, солнечной радиации, плесневых грибков и морского тумана.

Вследствие воздействия климатических факторов ферриты могут изменять свои электромагнитные пара­ метры или разрушаться, что вызывает отказы элементов на их основе. Стойкость ферритов к воздействию кли­ матических факторов оценивается устойчивостью, т. е. способностью сохранять свои параметры в определенных пределаѵ во время воздействия, последействием, т. е.

16