Разработка составов и технологии изготовления поликристаллических гексаферритов с целью создания свч развязывающих ферритовых устройств коротковолновой части см и мм диапазона длин волн

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 27.06.2014 № 14.575.21.0030 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2015 по 30.06.2015 выполнялись следующие работы:

• Разработаны физические модели формирования поликристаллических гексагональных ферритов для подложек сверхминиатюрных микрополосковых ФРП коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на основе составов BaAlxFe12-xO19 и SrAlxFe12-xO19, (1.3≤x≤1.8), легированных добавками СaO, NiO, SiO4, Mn2O3.
• Проведено математическое моделирование процессов синтеза и спекания поликристаллических гексагональных ферритов для подложек сверхминиатюрных микрополосковых ФРП коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.
• Проведено математическое моделирование процессов формования поликристаллических гексагональных ферритов для подложек сверхминиатюрных микрополосковых ФРП коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн в магнитном поле.
• Проведено математическое моделирование процесса радиационно-термического нагрева поликристаллических гексагональных ферритов для подложек сверхминиатюрных микрополосковых ФРП коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.
• Проведено математическое моделирование процессов отжига поликристаллических гексагональных ферритов для подложек сверхминиатюрных микрополосковых ФРП коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн в регулируемой кислородной атмосфере.
• Разработаны методики контроля магнитных (поле эффективной анизотропии Ha, коэрцитивная сила по намагниченности Hcj, намагниченность насыщения 4πMs) параметров поликристаллических гексагональных ферритов.
• Проведено участие в мероприятиях по демонстрации и популяризации результатов ПНИ.

При этом были получены следующие результаты:

• Установлено различие магнитных свойств гексагональных ферритов BaFe₁₂O₁₉ и SrFe₁₂O₁₉, которое связано с различием электронных конфигураций ионов Ba²⁺ и Sr²⁺, их ионных радиусов. Замещение ионов Ва²⁺ меньшими по размеру ионами Sr²⁺ сказывается на степени искажений октаэдров, расположенных в гексагональном блоке или на его границе с блоком S. Возникающие в результате несоответствия ионных радиусов упругие напряжения вызывают появление дополнительной одноосной анизотропии и стимулируют предпочтение ионов Fe³⁺ к занятию определенных позиций. Это способствует преимущественной локализации вакансий на границе R-S блоков. Такие дефекты зачастую являются электрически активными, и их появление способствует снижению константы одноосной магнитной анизотропии и, как следствие, снижению коэрцитивной силы. Доминирующий вклад в повышение намагниченности насыщения Sr(М) в сравнении с Ва(М) вносит изменение магнитного момента ионов железа вследствие изменения их электронной конфигурации. Можно предположить существенное изменение магнитных свойств стронциевых ферритов при последующем увеличении концентрации дефектов в R-блоке, и их упорядочении за счет вынужденной диффузии ионов.
• Методом высокотемпературной ренгенографии установлено, что BaFe₁₂O₁₉ образуется в две стадии:
  • при t = 700–900 °С BaCO₃+6 Fe₂O₃→ BaFe₂O₄+5 Fe₂O₃+CO₂↑
  • при t = 900–1200 °С BaFe₂O₄+5 Fe₂O₃= BaFe₁₂O₁₉
• При этом при протекании второй стадии возможно образование других промежуточных фаз. Неосновные промежуточные фазы могут возникать по разным причинам: из-за негомогенности смеси исходных компонентов, которая определяется как условиями смешения, так и дисперсностью частиц исходных компонентов; из-за колебаний парциального давления кислорода.
• Установлено, что различие фазового состава исследованных образцов гексаферрита бария сказывается на динамике измельчения ферритизованного порошка. Наличие неосновной фазы Ba₂Fe₆O₁₁ способствует равномерному разрушению ферритизованного материала, в то время как ее распад приводит к охрупчиванию ферритизованной массы. Порошок, полученный из ферритизованной при 1150 °С смеси, обладает более узким гранулометрическим составом, чем после обжига при других температурах, что объясняет высокую однородность микроструктуры спеченных на его основе ферритов.
• В результате анализа полученных в работе данных было установлено, что синтез SrFe₁₂O₁₉ осуществляется в результате более сложных, чем для BaFe₁₂O₁₉ диффузионных механизмов, лимитирующих кинетику твёрдофазного превращения. Исходным пунктом для такого вывода являлось то, что состав промежуточной фазы существенно зависит от предыстории сырьевых материалов, формирование феррита происходит при более высоких температурах, чем BaFe₁₂O₁₉ (Т = 1250 — 1280°С).
• Исследованы особенности синтеза SrFe₁₂O₁₉ с введением в смесь исходных компонентов Fe₂O₃ и SrCO₃ затравки в виде частиц SrFe₁₂O₁₉, полученных измельчением спеченных изделий. Результаты позволяют отметить следующую особенность процессов ферритообразования в изученной системе. При температуре 800 ^оС, которая выше температуры разложения SrCO₃, наиболее высокая скорость процессов ферритизации наблюдается на начальной стадии обжига смеси. При увеличении длительности обжига свыше 10 мин, степень ферритизации практически не изменяется. Это указывает на то, что при относительно низких температурах образование феррита стронция осуществляется главным образом в приповерхностных слоях частиц, а диффузия ионов кислорода и стронция через образовавшийся слой продукта идет медленно. По мере увеличения температуры изотермического обжига диффузионные процессы заметно ускоряются, в результате ионы стронция проникают и в глубь частиц.
• Исследованы особенности синтеза гексаферритов составов BaAl_xFe_12-xO₁₉ и SrAl_xFe_12-x O₁₉, (1.3≤x≤1.8), легированных добавками СaO, NiO, SiO₂, Mn₂O₃. Установлено, что за счет замещения Fe³⁺ на Al³⁺ происходит уменьшение межплоскостных расстояний и по закону Брэгга-Вульфа приводит к сдвигам пиков на РФА. При этом увеличение содержания ионов Al³⁺ приводит к увеличению температуры начала твердофазной реакции. Добавки СaO, NiO, SiO₂, Mn₂O₃ обеспечивают снижение начала твердофазной реакции, что можно объяснить формированием активных гелеобразных прослоек оксидов силикатов бария, стронция, кальция, никеля и марганца на поверхности частиц.
• Одним из таких перспективных направлений является технология синтеза стронциевых ферритовых порошков в вертикальных печах в динамических условиях фазообразования. Процесс ферритообразования при синтезе порошков в вертикальных печах осуществляется вследствие создания градиента температур по высоте печи, обеспечивающего смещение интервалов окислительно-восстановительных процессов в шихте из-за избыточной свободной энергии системы, локального повышения давления и температуры. Синтезированные в вертикальных печах порошки характеризуются повышенной активностью, связанной не только с их дисперсностью, но и значительной дефектностью как поверхностного слоя, так и объёма самих частиц.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.