РаДИАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЕ СПЕКАНИЕ В ПУЧКЕ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ГЕКСАГОНАЛЬНЫХ ФЕРРИТОВ BaFe12O19 и ВаFe12-х(Al,Ni,Ti,Mn)хO19 ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ И ПОДЛОЖЕК МИКРОПОЛОСКОВЫХ ПРИБОРОВ СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКИ Исаев Игорь Магомедович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Поликристаллические гексагональные ферриты бария (ГБ) находят широкое применение в качестве постоянных магнитов во всех отраслях техники и народного хозяйства (средства связи и современных информационных технологий, автомобилестроение, электромеханика и т.д.), в качестве активных сред приборов - в СВЧ- электронике. Среди множества магнитожестких материалов, производимых разными методами, порядка 90% составляют магнитотвердые ферритовые постоянные магниты на основе гексагональных ферритов бария и стронция. Весьма перспективным направлением развития и роста производства магнитожестких гексаферритов является производство электромоторов для автотранспорта и строительство управляемых шоссе, медицина и компьютерная техника. Сложнозамещенные гексаферриты бария и стронция имеют огромные перспективы для применения в качестве подложек для микрополосковых приборов СВЧ-электроники мм- диапазона длин волн. Стоимость ежегодно производимых в мире постоянных магнитов из разных материалов составляет несколько миллиардов долларов. На сегодняшний день и на ближайшие годы основным магнитотвердым материалом, производимым и потребляемым мировой промышленностью, остаются гексаферриты, в частности - ГБ. В России годовой объем магнитотвердых ферритов составляет свыше 2000 тонн в год.

Интенсивное развитие существующих и образующихся направлений современной техники предопределяет расширение сфер применения изотропных и анизотропных ГБ и необходимость увеличения объемов их производства. Однако, традиционные технологии не обеспечивают надежного управления параметрами данных материалов, результатом чего являются недостаточные воспроизводимость эксплуатационных характеристик и выход годных ГБ при непрерывном росте объемов их промышленного производства. Данные факты обусловлены как недостаточным объемом знаний о влиянии различных технологических параметров на формирование эксплуатационных свойств ГБ, так и несовершенством отдельных технологических операций. К числу таких проблемных аспектов следует отнести трудно контролируемые изменения фазового состава на разных этапах техпроцесса, температурную нестабильность BaFei2Oi9, внушительное число равновесных фаз в системе BaO-Fe₂O₃.

На сегодняшний день промышленным способом получения ГБ бария является классическая керамическая технология. Основной недостаток данной технологии - высокие энергозатраты, высокая длительность технологического процесса, низкий процент выхода годных. Альтернативой классической керамической технологии в получении гексаферритов бария может стать технология радиационно-термического спекания (РТС), - технология спекания с помощью потоков быстрых электронов, продемонстрировавшая свои уникальные возможности при синтезе поликристаллических ферритов некоторых составов. Преимущество РТС заключается в быстроте и низкой инерционности разогрева материалов, отсутствии контакта нагреваемого тела и нагревателя, однородности нагрева материала по всему объему, а главное - в высокой энергоэффективности технологического процесса и его малой длительности.

Степень разработанности темы исследования. Радиационно-термический метод продемонстрировал свои уникальные возможности при синтезе и спекании некоторых сложнооксидных соединений, портландцементных клинкеров, а также при вскрытии и

обогащении минерального сырья. В области радиационно-термического синтеза литиевых ферритов системные исследования выполнены в работах учёных Томского политехнического университета, в области РТС MnZn-, Mg-Zn- и Ni-Zn-ферритов - в работах кафедры Технологии Материалов Электроники НИТУ «МИСиС» под руководством проф. Костишина В.Г.

Детальные исследования радиационно-термической активации диффузии представлены в научных публикациях томских ученых. Несомненно, мировое первенство в изучении РТС ферритов принадлежит томской научной школе (Суржиков А.П., Гынгазов С.А., Пригулов A.M., Анненков Ю.М. и др.). Следует отметить, что в научной литературе имеется небольшое количество работ по изучению влияния РТС на свойства только гексаферритов типа W, причем эти работы не содержат комплексных исследований. Нами не обнаружено в научной печати публикаций с представлением результатов исследований по РТС гексаферритов типа М, как и не обнаружено публикаций по спеканию в пучке быстрых электронов анизотропных гексаферритов какого-либо типа.

Основной целью работы являлось изучение возможности получения при использовании технологии РТС качественных изотропных и анизотропных гексаферритов BaFe₁₂O₁₉, а также анизотропных гексаферритов ВаFe_12-х(Al,Ni,Ti,Mn)_хO₁₉ (0,2

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

получение методом РТС однофазных образцов изотропного и анизотропного гексаферритов BaFe₁₂O₁₉, анизотропного гексаферрита ВаFe_12-х(Al,Ni,Ti,Mn)_хO₁₉ (0,2

изучение кристаллической и магнитной структуры, магнитных свойств изотропных и анизотропных BaFe₁₂O₁₉, анизотропного ВаFe_12-х(Al,Ni,Ti,Mn)_хO₁₉ (0,2

-определение оптимальных режимов РТС для получения качественных поликристаллических ГБ;

сравнение технологии РТС и классической керамической технологии получения ГБ.

Научная новизна работы:

1. Впервые проведены комплексные исследования и изучены закономерности изменения структуры, фазового состава, физических свойств и эксплуатационных параметров поликристаллических гексагональных ферритов BaFe₁₂O₁₉ (изотропных и анизотропных) и ВаFe_12-х(Al,Ni,Ti,Mn)_хO₁₉ (анизотропных; 0,2

2. Впервые продемонстрирована возможность получения методом РТС качественных поликристаллических анизотропных ГБ.

3. Впервые установлено, что для поликристаллических ГБ типа М зависимость параметра преобладающей ориентации кристаллической текстуры «pref.orient.o1» от степени магнитной текстуры f является прямолинейной и описывается выражением «pref.orient.o1» = - 0,005f + 0,6886 .

Практическая значимость работы:

1. Определены оптимальные температуры РТС поликристаллических гексаферритов BaFe₁₂O₁₉ (изотропного и анизотропного) и ВаFe_12-х(Al,Ni,Ti,Mn)_хO₁₉ (анизотропного; 0,2

сравнению с классической керамической технологией при возможности получения повышенных значений эксплуатационных параметров.

2. Разработана и защищена свидетельством НОУ-ХАУ ячейка для радиационнотермического спекания.

3. Разработаны и защищены свидетельствами НОУ-ХАУ способы получения методом РТС поликристаллических гексаферритов: изотропного BaFei2Oi9, анизотропного BaFei2Oi9 и изотропного BaFe_12-xAl_xO₁₉.

4. Разработан способ получения методом РТС ферритовых изделий на основе BaFe₁₂O₁₉. Методология и методы исследования

В работе для решения поставленных задач были использованы литературные данные, практический опыт кафедры ТМЭ НИТУ «МИСиС» и НПК-9 АО «НПП «Исток им. Шокина» (г. Фрязино Моск. обл.) по получению сырых заготовок и спеканию гексагональных бариевых ферритов по классической керамической технологии, литературные данные, опыт кафедры ТМЭ НИТУ «МИСиС» и НИИ ЯФ СО РАН по РТС поликристаллических ферритов разных марок. Радиационно-термическое спекание объектов исследования проводилось на импульсном электронном ускорителе ИЛУ-6 НИИ ЯФ СО РАН им. Будкера, г. Новосибирск.

Изучение кристаллической и магнитной структуры, физических свойств и эксплуатационных параметров объектов исследования проводилось при использовании комплекса таких высокоинформативных методик, как рентгеновская дифрактометрия и рентгенофазовый анализ, мёссбауэровская спектроскопия, магнитометрия.

В гл. 2 диссертационной работы детально описаны методика изготовления изотропных и анизотропных сырых заготовок поликристаллических ГБ BaFe₁₂O₁₉ и ВаFe_12-x(Al,Ni,Ti,Mn)_xO₁₉ (0,2

Основные научные положения, выносимые на защиту:

результаты изучения зависимости от температуры РТС кристаллической и магнитной структуры, физических свойств и эксплуатационных параметров изотропных и анизотропных поликристаллических ГБ BaFe₁₂O₁₉ и анизотропных поликристаллических ГБ ВаFe_12- ^A^N^T^Mn^O^ (0,2

механизм формирования магнитной текстуры анизотропных поликристаллических ГБ BaFe₁₂O₁₉ и ВаFe_12-x(Al,Ni,Ti,Mn)_xO₁₉ (0,2

результаты изменения структуры и комплекса магнитных свойств поликристаллических ГБ BaFe₁₂^Al_xO₁₉ и BaFe₁₂^Ga_xO₁₉ в зависимости от концентрации ионов Al³⁺ и Ga³+.

Личный вклад автора. Исаев И.М. самостоятельно сформулировал цели и задачи исследования, спланировал этапы эксперимента и провел измерения большей части характеристик образцов после РТС. Автором самостоятельно обработаны и систематизированы результаты экспериментов и предложена их интерпретация. При непосредственном участии Исаева И.М. подготовлены все публикации в печать. Автор является основным идеологом всех выполненных в рамках работы изобретений. Отдельные результаты работы опубликованы в соавторстве с сотрудниками НИТУ «МИСиС», АО «НПП «Исток. им. Шокина» (г. Фрязино Моск. обл.), НИИ ЯФ СО РАН им. Будкера (г. Новосибирск).

Использование результатов работы. Научные подходы и результаты работы, а также полученные образцы были использованы на АО «НПП «Исток им. Шокина» (г. Фрязино Моск. обл.) при изготовлении макетов циркуляторов для мм-диапазона длин волн. Получен Акт об использовании результатов работы в НПК-9 АО «НПП «Исток им. Шокина» (г. Фрязино Моск. обл.).

Апробация работы и степень достоверности результатов. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: научно-техническая конференция АО «НПП «Исток» им. Шокина» «СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА-2016», г. Фрязино Моск. обл., 18-19 мая 2016 г.; ХІІІ-я Международная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для наноматериалов», г. Курск, 24-26 мая 2016 г.; ХХІУ- я Международная конференция «ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И МАТЕРИАЛЫ (Фундаментальные физические исследования)», Москва, 18-19 ноября 2016 г.; 3-я

Международная конференция «Физика и технология наноматериалов и структур», г. Курск, 2325 мая 2017 г.

Результаты работы были использованы при выполнении следующих государственных контрактов:

соглашение о предоставлении субсидии № 14.575.21.0030 от 27 июня 2014 г.

(RFMEFI57514X0030) «Разработка составов и технологии изготовления поликристаллических гексаферритов с целью создания СВЧ-развязывающих ферритовых устройств коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн в микрополосковом исполнении» (тема № 3219201);

задание № 11.2502.2014/К от 17.07.2014 г. на выполнение научно-исследовательской работы в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности «Разработка и получение на основе гексагональных ферритов М-типа высокотемпературных мультиферроиков для устройств сенсорики, магнитной памяти и спинтроники» (тема № 3219022).

Достоверность представленных данных обеспечивается использованием современного аттестованного и сертифицированного оборудования и методик. Аутентичность полученных результатов исследований и их интерпретация подтверждается их успешной публикацией в ряде известных рецензируемых российских и зарубежных изданий.

Публикакции. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, входящем в базу WoS, 2 статьи в журналах, входящих в базу Scopus, 5 статей - в сборниках трудов конференций (входят в базу РИНЦ) и одни тезисы доклада. Зарегистрировано 4 НОУ-ХАУ в депозитарии НИТУ «МИСиС» (№ 81-219-2016 ОИС от «29» декабря 2016 г., № 61-219-2016 ОИС от «20» декабря 2016 г., № 62-219-2016 ОИС от «20» декабря 2016 г., № 82219-2016 ОИС от «29» декабря 2016 г.) и подана 1 заявка на патент (заявка № 2016152409 от 29.12.2016 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 5 глав, общие выводы, список используемой литературы, приложение. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, содержит 34 таблицы, 114 рисунков. Список используемой литературы включает 169 наименований. Приложение включает 2 наименования и содержит 2 страницы.